动态斜面式撇油器结构优化及数值模拟

乔卫亮，刘立伟，祝彦兵

● （1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁大连 116026；2.大连远洋运输公司，辽宁大连 116001，3.中船重工第704研究所，上海 200031）

动态斜面式撇油器结构优化及数值模拟

乔卫亮1，刘立伟2，祝彦兵3

● （1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁大连 116026；2.大连远洋运输公司，辽宁大连 116001，3.中船重工第704研究所，上海 200031）

基于对现有动态斜面式撇油器工作原理和结构性能的分析，提出了“双重拖带”的概念，即表层传送带的拖带作用和底层水流的拖带作用。结合N-S方程，对“双重拖带”的作用机理进行了数值模拟。结果表明：“双重拖带”比传统拖带的作用收油效果更好，适用的溢油粘度范围也更广。

动态斜面式撇油器；双重拖带；数值模拟

1 动态斜面式撇油器工作原理及性能分析

动态斜面式（DIP）撇油器的工作原理如图1所示。撇油器在母船的拖带作用下在海面上前行，垃圾挡板可以阻挡海面漂浮垃圾进入运动斜面，在运动斜面的带动作用下海面浮油进入集油器，在集油器内部实现油水分离：浮油逐渐上浮，位于集油器上部空间，海水则由集油器下部的可调出口流出。聚集于集油器上部的浮油经过吸油管，在溢油回收泵的作用下被送往母船的储油装置中。

动态斜面式撇油器在回收溢油的过程中能保持油膜完整，且可适应的水流范围为0节～5节，是目前唯一一种在围油栏失效的情况下仍然能够有效回收溢油的撇油器。该撇油器具有的优势主要为[1]：溢油回收效率高、适用溢油黏度范围较大，在有风浪的情况下仍具有较好的回收效果。动态斜面式撇油器基本工作原理是利用围油栏失效过程中的“下游效应”，通过采取措施，将其作用进行放大，以达到溢油回收的目的。随着放大作用的增强，撇油器的溢油回收速度将会不断提高，即动态斜面式撇油器的溢油回收速度仍存在提高的空间，问题的关键是找到放大作用的方法和途径。

图1 DIP撇油器工作原理图

2 “双重拖带”概念的提出

为了强化对海面浮油的拖带作用，本文提出了“双重拖带”的概念，即海面浮油除了要受到动态斜面式撇油器运动斜面的拖带作用之外，还要受到浮油下方水流的拖带作用，如图2所示。

图2 动态斜面式撇油器结构优化示意图

水流对浮油的拖带作用机理为：在撇油器壳体底部有一台大排量水泵，利用其抽吸作用，使流入撇油器的海水沿着流道底层壁面快速流动，在运动斜面底部与流道底层壁面之间形成了油水两相流动，通过合理设计流道尺寸，使该流动近似层流运动，从而在不破坏油膜的情况下，将浮油拖带至撇油器壳体底部。运动斜面对油膜的拖带作用机理为：处于流道底层壁面和运动斜面之间的油膜与运动斜面表面形成固液两相流动，运动斜面将浮油拖带至撇油器底部。在集油器中油水逐渐分离，海水被水泵排出撇油器，浮油上浮到集油器上部，当积累至一定厚度时由油泵排至母船上的储油装置中。

3 双重拖带作用的数值模拟

3.1 传送带的拖带作用

运动斜面的倾角为θ，速度为V，忽略壁面对油层流动的影响，油层为厚度a的黏性不可压缩流体，此时油层的流动状态可视为定常层流流动。

3.1.1 数学模型的建立

建立直角坐标系，x轴沿传送带下表面，y轴垂直于传送带。在x轴方向上的N-S方程为：

根据模型中流体流动的特点，有如下关系：

油层的质量力的影响可忽略不计，故在运动斜面拖带作用下油水两相的N-S方程可简化为：

式中：ρ1、ρ2分别为油相、水相的密度；μ1、μ2为油相、水相的动力粘度。下标1表示油的参数，下标2为水的参数。

油层的运动为压差剪切流，故运动斜面处和撇油器壁面处的边界条件为“无滑脱”，即：

在相界面处油水速度相等且剪应力为单值，即：

利用边界条件(7)和(8)可以直接对N-S方程(6)进行积分求解，整理可得：

式(8)为在动态斜面拖带作用下油相的速度方程，其中dp/dx仍未知。因为平均流速与截面积的乘积即为流量，结合式(9)即可确定dp/dx。

3.1.2 传送带拖动作用的数值模拟

模型中需要假设取值的参数主要有a、b、Qv1以及V，这些参数的取值应该满足如下关系式：

将得到的dp/dx代入式(10)，得：

设实验对象为船用柴油，ρ1=0.9×103kg/m3，μ1=0.006 kg/(m·s)。取θ=30°，油厚a=0.03m，带动运动斜面的动力轮的速度取为2节～3节，取运动斜面速度V=1.2m/s，溢油回收量为Qv1=40m3/h，则油相速度分布见图3。

图3 运动斜面作用下油相的速度分布

如图3所示，在运动斜面的作用下，油层的速度几乎成线性，距离斜面越远，油相的速度越小。结果表明油相的流动呈现了剪切流的特点，说明油相的流动是由于“内摩擦力”引起的。

3.2 底层水流对油层的拖带作用

3.2.1 油水分层流动数学建模

在运动斜面与撇油器壳体倾斜底部形成的空间内，油水相界面与运动斜面平行，做定常层流流动[2]。设底板到运动斜面的距离为h，油相厚度为a，则油水两相的N-S方程分别为：

式中：p1、p2分别表示油和水的压力；ρ1、ρ2分别表示油和水的密度；μ1、μ2分别表示油和水的动力粘度。

模型在壁面处的边界条件认为是“无滑脱”，即[3]：

界面处边界条件难以确定，在实际计算中假设相界面处的速度和剪应力为单值。板间一维流动的压力梯度是常数，忽略油和水的质量力，N-S方程(12)、(13)可简化为：

对式(15)进行积分，从而得到油相和水相的速度[4-6]分布分别为：

由于速度梯度仍未知，实际油水两相的速度分布仍无法计算，利用流量等于平均流速乘以截面积这一关系即可解决该问题。油相和水相的平均流速分别为：

设油水两相的总流量为Qv，流道宽度为b，平均流速与截面积的乘积即为流量，结合式(18)、(19)即可确定压力梯度dp/dx的值。

3.2.2 油水拖带作用的数值模拟

模拟对象仍为船用柴油，其动力黏度μ1=0.006kg/(m·s)，海水的则为μ1=0.001kg/(m·s)，油相的厚度为a=0.03m，运动斜面距底面的距离为h=0.09m，泵的流量为Qv2=150m3/h；设收油速率为Qv1=40m3/h，流道宽度b=0.6m，则油水两相的速度分布如图4所示。

图4的拖带作用较为明显，在沿流道高度方向上，油水两相的平均速度明显不同，前者呈现了剪切流的特点而后者呈现压差流的特点，表明水相的流动主要是由于泵吸作用而导致的压差所产生的；而油相的运动则主要是由于水流对其产生的拖带作用。

综合前述数值模型，在运动斜面和撇油器壁面之间的油水两相的速度分布如图5所示。

图4 流道截面上油水两相的速度分布

图5 双重拖带作用下流道截面上油水两相的速度分布

在0≤y≤0.03范围内是油相的速度分布情况，在双重拖带作用下油相的速度曲线如图5最上方的曲线所示。图中交点E坐标为(0.0159，0.4289)，当0≤y≤0.0159时，传送带起主要拖带作用；当0.0159≤y≤0.03时，水流起主要的拖带作用， 该数值模拟结论与实际有较高的吻合度。图中曲线也表明了增加水流拖带的优势：传统 DIP撇油器油相速度分布如图中曲线 CEA；增加水流拖带作用后油层的速度明显增大。与动态曲面式撇油器相比，也具有一定优势：曲线OEB为动态曲面式撇油器中油相的速度分布，增加传送带的拖带作用后，尤其是在油层区间(0，0.0159)内，油相的速度得到了提高。

4 结论

基于对动态斜面式撇油器工作原理的分析，增加了底层水流对油层的拖带作用。通过数值模拟发现具有双重拖带作用的撇油器较传统的动态斜面式撇油器以及动态曲面式撇油器有一定的优势，弥补了以上两种撇油器固有的不足之处(动态曲面式撇油器在回收高粘度溢油时，如果油水混合的程度较低，其回收能力会有所下降；动态斜面式撇油器收油速率相对较低)。该论文从理论上论证了“双重拖带”作用的可行性，为开发新型撇油器奠定了一定的理论基础。

[1]Stephen Mr,Reilly J.动态斜面(DIP)式水面浮油回收技术的介绍[J]. 交通环保,2000(2):34-35.

[2]Zhang Yindong,Sun Yuqing,Hou Jiemin,et al.Design and implementation of automatic control system in the new skimmer[C]//Proceeding of 7thInternational Symposium on Test and Measurement.Beijing:International Academic Publisher Ltd.,2007,7:5879-5882.

[3]张银东.海上溢油回收技术及装备研究[D].大连:大连海事大学,2007.

[4]张廷芳.计算流体力学[M].大连:大连理工大学出版社,1992.

[5]溢油应急培训教材编写组.溢油应急培训教程(上册)[M].烟台:烟台海事局,2001.

[6]杨帆,杨昌柱,周李鑫.撇油器的原理及性能[J]. 工业安全与环保,2004,30(5):27-31.

Structure Optimization and Numerical Simulation of DIP Skimmer

QIAO Wei-liang1,LIU Li-wei2,ZHU Yan-bing3
(1.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China; 2.Dalian Ocean Shipping Company,Dalian 116001,China 3.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

Based on the analysis of working principle and structure performance of existing DIP (Dynamic Incline Plane) skimmer,the concept of the “dual towing” is put forward.That is the towing roles of upper belt and lower water flow.Combined with Navior-Strokes equation,the mechanism of "double towing" is numerically simulated.The results indicate that the effect of the collecting oil of the “dual towing” is better than that of traditional towing,and the applicative spilled oil viscosity range is wider.

dynamic incline plane (DIP) skimmer; dual towing; numerical simulation

U664.9

A

乔卫亮（1986-），男，助教。主要从事船舶电液一体化，防污染设备开发。