基于CFD的海底输油管道泄漏扩散数值模拟研究

李明鑫 王为民 申龙涉 邓桂春

(泉州职业技术大学—福建省清洁能源协同创新中心， 福建 晋江 362268)

关键字：海底管道，泄漏，扩散，数值模拟

0 引言

随着海上油气田的开发和开采工艺技术的发展，海底管道在生产运输石油、天然气全过程中具有不可代替的重要作用。但管线一旦发生泄漏事故，泄露油品在上升、扩散的过程中会直接污染海水水质，对周围的海洋生物造成危害，泄漏后漂浮在海面的油品还对海洋的生态环境造成严重的破坏。因此，对泄漏油品在海水中的运动、扩散问题进行研究就显得尤为的重要。

由于石油、天然气等一次性资源消耗量的不断加重，陆地上所开采发掘的石油资源的产量已经远远不能达到我们每天所消耗的需要，因此人类将石油开发逐渐向海洋发展[1]。但海底的环境比陆地的环境复杂，导致了海底输油管道外部更加容易受到各种因素的破坏和干扰。并且海底管道投资大、风险高，一旦出现管道油品泄漏事故，泄漏的油品将对海洋环境造成严重的污染，也给当地的环境带一定的冲击[2]。

在现实的海水流动中海底输油管道泄漏一般要先经历在海水中的射流流动过程，再到泄露至海面后在海上的扩散过程。所以，管道泄漏后泄漏油品射入海水是在水流流动的状态下进行流动扩散的，而由于水流流动的作用，泄漏油品不仅通过自己泄露的压力作用向上扩散还会因为水流和潮汐流动的作用向下游或四周扩散。在从泄漏到漂浮的过程中泄漏油品的浓度，泄露面积以及泄露速度都会发生一定程度的变化。

本文试图通过采用计算流体力学和fluent软件的多相流模型对海底管线泄漏的扩散及海面浮油进行研究，为海洋水质生态环境的影响研究提供一种方法和依据。

1 海底输油管道泄漏扩散的影响因素分析

1.1 泄漏口径对扩散的影响

在管道泄漏中泄漏源对泄漏扩散的范围有不可避免的影响。根据泄漏面积的大小，泄漏源一般分为三种：第一种为小孔泄漏，这种情况通常为介质经过比较小的孔口长时间的持续向外泄漏，第二种是大孔泄漏，指在很短时间内经过较大的孔洞泄漏；第三种是管道破裂。

1.2 水流对扩散的影响

水流的大小与水流的流动方向都对油品的扩散产生影响。水流的速度可以影响泄漏的面积及距离，对油的扩散起到推动的作用，而且加剧物质间的传热和传质。因此水流的流动方向可以改变油泄漏的扩散轨迹及在是水中扩散的位置。

2 FLUENT 模拟计算结果

2.1 不同孔径的泄漏分布

本文分别模拟当泄露速度为3m/s时，0.02m，0.08m和0.3m三种不同泄露孔径下油品泄露的扩散分布。

从图1～图3的云图可以看出，泄漏孔径为0.02m、0.08m、0.3m时，油的喷射高度分别在在2.5～3m、4.5～5m、8～8.5m。随着孔径的增大管道泄露浓度随之增大，喷射高度也依次增加，而且由于重力的作用，油会从射核两侧向下分布的也越明显。

图1 孔径0.02m 泄漏云图

图2 孔径0.08m泄漏云图

图3 孔径0.3m泄漏云图

从图4～图6速度梯度图可以看出泄漏的出口速度在达到一个顶峰之后会向两侧扩散。当口径为0.02m时，速度向两侧扩散的范围泄漏为中心的两侧的1m区域内，口径为0.08m时，扩散的范围增大为中心两侧2m的范围，当口径为0.3m时，速度的扩散范围扩大到了8m左右。而且可以看出随着口径的增大速度梯度的改变也更加明显。

图4 孔径0.02m速度梯度图

图5 孔径0.08m速度梯度图

图6 孔径0.3m速度梯度图

从以上分析可以得到随着泄漏口径的增大，向高空喷射的趋势更加明显，喷射高度以及喷射的质量也随之升高；泄漏射核区的泄漏速度、泄漏后扩散的速度值在海水中的分布与泄漏孔径的大小有关，泄漏口径越大泄漏的速度越大，速度分布的范围也越广。

2.2 泄漏速度的影响

泄漏速度不同，喷射出流的射程也会不同，扩散情况也会发生变化。对于改变速度的模拟计算，本文以0.08m的泄漏口径为固定项，通过模拟1m/s，3m/s，7m/s三个速度的泄漏浓度分布。

通过泄漏云图7～图9所示，在相同口径不同速度下的泄漏情况。当泄漏速度为1m/s时，泄漏喷射高度为2～2.5m之间，泄漏顶端向两侧下落的趋势不明显，在泄漏速度为3m/s时，喷射高度为4.5m～5m左右，泄漏油品从最高处回落了1m的距离，当泄漏速度为7m/s时，喷射的高度为7.5～8m之间，油品受重力的因素便显得更加明显，油品由最高处的8m向两侧下降至5m左右。所以随着泄漏速度的变大，泄漏的油品浓度增加，泄漏体积也不断增大。出口速度越大，喷射距离越远。达到海面的时间越短，扩散的面积也越大。

图7 1m/s时泄漏云图

图8 3m/s时泄漏云图

图9 7m/s时泄漏云图

2.3 水流对泄露的影响

在海底的实际环境中，水流的状态是流动的。本文以0.3m泄露口，7m/s泄漏速度为基础，分别对0.1m/s，0.5m/s水速对油扩散的影响进行分析。

通过图10～图13的云图可以明显的看到通过改变水流的速度，管道内泄露的油品因为收到了水流流动的影响都向水流的下风向产生了偏移。随着流速的增大倾斜的角度也随之增大，泄漏扩散的范围也明显向右偏转，向下游移动的趋势更为明显。可见水流的流动对油的扩散起到了输送的作用。通过速度梯度图说明水流的速度对泄露的扩散速度影响不大，泄漏的射流只是向下游发生了偏移，但是速度并没有改变。

图10 0.1m/s水速 泄漏云图

图11 0.5m/s水速 泄漏云图

图12 0.1m/s速度梯度图

图13 0.5m/s速度梯度图

图14 ～图15为泄漏扩散后的扩散云图，当水流速度为0.1m/s时，泄漏油品仍以射流的主体向上扩散，泄漏油品大量的漂浮在海面之上。当水流流速为0.5m/s时，由于水流的增大，泄漏的射流主体被水流冲散，泄漏的油品在水下大面积的扩散。水流越大泄漏到达海绵的时间越长。由此可以发现，水流越大，泄漏油品在水下的污染范围越广，对海洋环境及海洋生物危害更加严重。后续的清理工作也更加的费时。

图14 0.1m/s 泄漏云图

图15 0.5m/s泄漏云图

3 结论

输油管道在海水中泄漏后，在短时间内会在泄露口处形成喷射流动，喷射的高度与喷射的速度都会根据泄漏初始条件的改变而发生变化。随着泄漏口径的增大，向高空喷射的趋势更加明显，喷射高度以及喷射的质量也随之升高；泄漏射核区的泄漏速度、泄漏后扩散的速度值在海水中的分布与泄漏孔径的大小有关，泄漏口径越大泄漏的速度越大，速度分布的范围也越广。所以随着泄漏速度的变大，扩散区域会同样会扩大。而且在同一时刻，泄漏的油品浓度随速度的增大而增加。泄漏体积也不断增大。管道泄漏后在海底的泄漏扩散过程中，浓度的分布和速度变化的趋势一致。通过改变水流的速度，管道内泄露的油品因为收到了水流流动的影响都向水流的下风向产生了偏移，水流速度越大扩散越容易，泄漏油品污染的区域也随之增大。