双壳油船舷侧破损原油泄漏过程三维数值模拟

李玉乐，吴文锋，卢金树，朱发新

(浙江海洋学院，浙江 舟山 316022)

双壳油船舷侧破损原油泄漏过程三维数值模拟

李玉乐，吴文锋，卢金树，朱发新

(浙江海洋学院，浙江 舟山 316022)

基于流体动力学理论，利用Fluent软件搭建了双壳油船油舱三维数值模型，运用VOF追踪油水界面，并对整个泄漏过程进行阶段划分。通过对泄漏过程的描述，表明Fluent软件能够很好的模拟双壳油船泄漏的过程。

三维数值模拟；双壳油船；油品泄漏

双壳油船溢油事故一直是社会各界关注的重点。国内外学者针对油船破舱水下泄漏问题做了大量研究，但对双壳油船舷侧破损原油泄漏过程进行三维数值模拟的研究相对较少。文献[1]针对双壳油船底部破舱水下原油泄漏过程进行了三维数值模拟，并对泄漏过程进行分阶段分析。文献[2-4]运用流体动力学原理针对静止状态的双壳油船进行二维建模，并进行相关分析。文献[5-6]运用伯努利方程研究不同船体结构的泄漏效应。为进一步研究双壳油船舷侧结构破损油品泄漏过程问题，文中将利用Fluent软件搭建三维的双壳油船模型，对整个泄漏过程进行阶段划分，并能够实时监测舱内油水运动特征，进而研究双壳油船舷侧破损油品泄漏的动态过程。

1 模型建立

1.1 数学模型

文中流体流动将采用连续性微分方程：

(1)

假定文中流体的密度和黏性均不随泄漏过程发生变化，根据常密度常黏性流体动量守恒方程：

(2)

式中：u,v,w为x,y,z3个方向上的速度分量；F为质量力；p为压强；ρ为流体密度；μ为动力学黏性系数；υ为流体速度；grad为梯度符号；为矢量场符号。

本文即将要模拟的双壳油船的液货泄漏中所涉及到的流体力学模型属于三维非定常不可压黏性流动，在数值计算过程中涉及的控制方程还有动量方程(N-S方程)等[7]，采用非耦合performance insight security for orade(PISO)算法[8]、标准k-ε湍流模型进行求解。采用VOF方法追踪各交界面处的波动，且在计算时，忽略流体的黏性，仅考虑重力和压力。

1.2 数值建模

本文的三维数值模型由海水、压载舱、油舱及空气组成。通过Ansys中的Mesh模块对计算域进行六面体全结构化网格空间离散，并对泄漏区域进行网格加密；油舱上部为压力进口，海水上方及双壳间设为压力出口。文中选取大涡数值模型，求解器为基于压力求解器，时间步长设定为自适应；模型选取油品密度为750 kg/m3，黏度为3.5×10-5m2/s；水的密度为1.0×103kg/m3；黏度为1.0×10-6m2/s；空气的密度为1.25 kg/m3,如图1所示。

图1 数值模型

2 分析模拟结果

通过Fluent软件自带的后处理器可获得液货流经内外壳破口处时的质量流量-时间变化曲线(Q-t曲线)，如图2、图3所示。

图2 内壳Q-t曲线

图3 外壳Q-t曲线

泄漏初始时刻内壳破口处油品速度瞬间达到最大值，而外壳破口处油品速度为0，这说明泄漏初期油品和海水在压力差作用下共同进入双壳空间；随着泄漏的持续，舱内油品泄漏速度逐渐减慢，此时双壳空间充满了油水；由于舱内外压力差的缘故使得油品穿过双壳空间持续泄漏到外部空间，而海水也将穿过双壳空间进入油舱内；随着油舱内剩余油量的减少，致使舱内外压力差逐渐降为0，泄漏速度将不再发生剧烈变化。最终，舱内外压力差降为0，整个泄漏过程至此结束。

3 泄漏阶段分析

基于对数值计算结果的观察，可将油品泄漏过程大致分为以下4个阶段。

3.1 泄漏初期

泄漏初期为泄漏时间为0的时刻，此时泄漏尚未发生，如图4所示。图4中左下方为油品，右侧为水体，中间部分及左上方为空气。

图4 t=0 s三相分布图

3.2 油水交融

泄漏开始后，由于舱内压力和海水压力均高于双壳空间的压力，导致油与海水迅速且同时进入双壳空间。此时，油水相互冲击交融，此时的油水混合物以油包水或水包油及乳化油存在。由于密度差的缘故，会有少量的油沉积在压载舱下部，且在双壳空间上部发现有部分浮油存在，该阶段的特点为油未进入海水，海水亦未进入舱内，如图5所示。

图5 t=0.5 s三相分布图

3.3 油水置换

伴随泄漏的持续，油水不断冲击，海水迅速充满双壳空间，而由于海水对内壳出口的占据导致油品泄漏速度下降。油舱内油品不断泄漏导致舱内油位开始下降，海水将穿过双壳空间进入油舱中，并在油舱底部沉降堆积，如图6所示。

图6 t=45 s三相分布图

随着海水不断进入油舱，致使舱内压力持续上升，进而导致油品泄漏速度逐渐加快。泄漏至双壳空间的油品不断上浮到海水上方，此时，海水仍源源不断地穿过双壳空间进入油舱，如图7所示。

泄漏到一定阶段时，油的泄漏速度将维持恒定，这是由于舱内压力和双壳空间压力逐渐趋于一致。随着泄漏持续进行，渐渐地油将代替海水充满双壳空间，如图8所示。观察图8可知，此时双壳空间中的油已抵达外壳坡口边缘，但油仍未开始大量泄漏至海水中(此时海水上方显示有部分油的存在，是由于油水交融阶段部分油品冲出双壳空间)，而海水在油舱内占据一定容积。

3.4 泄漏后期

经历完油水置换阶段，油开始从双壳空间穿过外壳，开始向海水中发生泄漏，由于油的密度比水小，泄漏致海水中的油将缓慢地持续上升至海水表面，并逐渐扩散为一层薄油膜，见图9。随着舱内外压力逐渐趋于平衡，最终泄漏状态如图10所示。此时，舱内水面高度几乎与内壳破口相持平。

图7 t=300 s三相分布图

图8 t=720 s三相分布图

图9 t=1 200 s三相分布图

图10 泄漏结束时三相分布图

4 结束语

通过数值模拟方法，实现了双壳油船舷侧破损原油泄漏过程三维数值模拟，并对整个泄漏过程进行阶段性划分，说明利用Fluent能够很好的对双壳油船舷侧破损泄漏进行三维数值模拟，为进一步利用数值模拟研究油船破舱泄漏问题奠定基础。

[1] Peter A. Chang Ⅲ,Cheng Wen lin. Hydrodynamic analysis of oil out flow from double hull tankers [C].The Advanced Double Hull Technical Symposium.Gaithersbarg,MD，Qctober,1994.

[2] 高清军,褚云峰,林建国. 海底管线溢油的数值模拟[J].大连海事大学学报, 2007,33(S2):169-171.

[3] 管永义,李巍,林建国.水下输油管道溢油运动模拟及应急处理[J].大连海事大学学报, 2010,36(4):129-131.

[4] 廖国祥,高振会,熊德琪.水下油气泄漏事故污染物输移预测模型[J].大连海事大学学报, 2010,36(4):115-120.

[5] Jeong S, Nam J W, Hwang S C, et al. Numerical prediction of oil amount leaked from a damaged tank using two-dimensional moving particle simulation method [J]. Ocean Engineering, 2013,(69):70-78.

[6] Thomae R. Design of a retrofit table alternative to the double hull oil tanker [D]. USA: Massachusetts Institute of Technology, 1995.

[7] 丁刚.基于FLUENT的破舱船舶溢油的数值模拟[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[8] 许文海,党彦,李国栋.双洞式溢洪洞三维流动的数值模拟[J].水力发电学报,2007(1):56-60.

Based on the theory of fluid dynamics,the 3D model tanker is built with the software Fluent.The oil-water interface is tracked by the volume of fluid(VOF),with the leakage process divided into three phases.Based on the description of the process of leakage,it is indicated that the Fluent software can well simulate the process of double hull oil tanker's leakage.

3D numerical model;double hull oil tanker;oil leakage

浙江省自然科学基金资助项目(LQ16E090003；LQ14E090001)；浙江省教育厅项目(Y201328406)；舟山市科技局项目(2015C41009)；浙江海洋学院科研启动基金资助项目(21185011614)

李玉乐(1977-)，男，安徽蒙城人，讲师，硕士，研究方向为船舶安全与污染控制。

U661.1

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.011

2015-12-14