水下溢油动力过程研究

随着海底石油开发、输油管道建设的日益增多，水下溢油事故风险也在不断加剧。研究水下溢油的动力过程，对及时制定有效的拦油控油措施具有重要意义。本项目旨在通过对油体从泄漏口溢出并上浮的动力过程的系统研究，提出预测海域复杂水动力环境下水下溢油上浮至海面形成浮油油膜的时间、位置和分布等的计算方法。研究内容包括：油体（团）在静止水体、单向流、波浪等条件下的上浮运动规律及变形、分裂等细观运动特征；泄漏口附近油体从连续相分散成不同尺寸油团的过程和规律。研究采用数值模拟结合实验分析的方法，数值模拟采用考虑水油界面效应的多相流体模型研究，实验在专用小型水槽中进行。研究成果包括提出一个模拟油体在水体中运动变形的有效数值模型，系统给出油体（团）在各种水动力条件下的运动变形规律、泄漏口附近的油体分散规律以及油团群体运动特性，深入认识水下溢油上浮至海面的近域过程，为水下溢油事故应急响应的决策提供科学依据。

水下溢油事故中，从泄漏口喷射出来的油气混合物以油滴、气泡的形态从水底上浮至水面。油气混合物在泄漏口附近的运动主要受出口动量和混合物浮力作用，远离泄漏口的油滴和气泡主要受环境流动的对流扩散影响，在浮力作用下上浮的同时随流漂移。项目从细观尺度和宏观尺度对水下溢油动力过程开展了研究。在细观尺度关注气泡/油滴运动的上浮速度、运动形态和相互作用特征，系统分析了单个气泡/油滴在水体中上浮的速度和形态、两个气泡/油滴间相互作用以及气泡/油滴群的运动。在细观研究的基础上，开发了一套模拟水下井喷式溢油动力过程的粒子追踪模型，可用于宏观尺度上水下溢油实际问题的模拟分析。该模型综合考虑了泄漏口附近的浮射流动力以及水下油气混合物分散成不同大小液滴对其运动归宿的影响，与前人基于浮射流断面积分Lagrangian控制体积方法的水下溢油模型相比，该模型可很容易地拓展到模拟泄漏油气不同组分的运动，具有更高的灵活性。模型基于Lagrangian粒子随机游走，采用大量粒子代表从泄漏口释放出来的油滴和气泡，并根据粒子所代表的油滴或气泡的密度、表面张力、大小等将粒子分成不同的组，每一组具有相同的特性。每个粒子的每一步运动都可以分为时均运动和随机运动两部分。粒子从泄漏口到水面的运动过程分为两个阶段：第一阶段为射流主导阶段，这时粒子位于射流主流内随主流运动，时均流速用主流断面平均流速近似，主流流速借鉴积分Lagrangian控制单元方法计算；第二阶段为粒子浮力主导阶段，这时粒子脱离主流，时均流速采用周围流速叠加上浮速度，周围的流场采用实测数据或者大尺度的海洋动力学模型计算。模型中还考虑了气泡的可压缩性和溶解特性，即深水溢油迁移扩散过程中气泡的大小、密度随其所处水深改变而变化。与Socolofsky et al(1999)的多相浮射流实验室试验和DeepSpill实地水下溢油实验的模拟验证表明，该模型的计算结果与试验观测结果吻合良好。