风浪流耦合作用下海管油气并漏扩散行为研究

发布时间：2020-05-25 02:23

【摘要】：本文以风浪流多场耦合环境下的海管泄漏扩散过程为研究对象,建立剪切流作用下海管漏油过程的实验测试方法,构建风浪流耦合作用下油气并漏的数值分析方法,对比实验测试结果和模拟结果,以验证数值方法的可靠性,开展风浪流耦合作用下数值模拟研究,研究海管内流工况和海洋环境对油气泄漏浮升行为的影响,揭示多场耦合作用下油气泄漏扩散规律。为实验研究溢漏油跟踪捕捉提供有效的测试评价方法,为数值模拟多场耦合问题提供参考方案,更为溢漏油预报和应急处置提供参考,具有理论意义和工程应用价值。采用实验研究的方法研究剪切流作用下溢漏油浮升过程。详析不同外部剪切流环境和内外压差的影响。将溢漏油扩散形态分为三种,海管内外压差是决定扩散形态的关键参数。不同溢漏油形态有不同的阶段,每一阶段主导外力不同。在湍流和剪切力作用下,油滴发生分裂和聚并。在风浪流耦合场的数值模拟研究中发现,随着油气比越来越小,油气上升速度变快,同时,气团比较大,且更加连续,气团呈连续长条形状喷射而出,在接近海平面处,所产生的油滴会更分散。随着泄漏压力增大,油气上升速度越快,同一时间内溢出的油气量明显增多,油气射流形成的油气柱与水平方向逐渐成90°夹角。气团在浮升过程中,气团直径逐渐变大。对于不同海流流速的油气泄漏过程,随着海流速度增加,从油气柱分离的油气团向海流下游方向迁移的速度越快,分散的油气团就会较早、且在较低的高度从主流油气柱分离,到达液面之后,海流速度和波浪水质点运动速度叠加,导致油滴运动速度越来越快。随着波长与周期的增加,油气团在水下的扩散范围也越广,油气团在较低的高度开始从油气柱分散向两侧扩散。随着风速越来越大,油滴在海平面扩散速度越来越快,当海风和波浪水质点运动方向一致,油相运动速度加快,当海风和波浪水质点速度方向不同,油相运动速度变慢。一旦发生泄漏,根据海管压力、油气比、外流环境可以高效、准确地预测泄漏的油气浮升轨迹,当海管泄漏压力较大,单位时间内泄漏的油量较大,且油气上升速度快,需尽早、尽快停输管道,并在海流下游位置布放围油栏,防止油气进一步污染环境。若油气比较小,油气上升速度较快,油滴在海平面较分散,需要将围油栏布控范围扩大。确定泄漏环境,如风力、海流流速、海浪要素,可以预测海面见油区域,在该区域布置围油栏、收油机等辅助设备,最高效、经济、环保地展开溢油回收工作。
【图文】：

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图１－１技术路线图逡逑１．６创新点逡逑（１）关于风浪流耦合作用下海管油气并漏的研宄较少，针对现有研究的不足，开展逡逑实际尺寸下油气并漏研究，获得具有广泛适用性的研究结果和油气扩散行为的预测。逡逑（２）通过开展实验和模拟研究，发现压力、油气比、波长周期和海流要素主要影响逡逑油气水下泄漏行为，而波浪要素、海流和海风共同影响溢油在水面的扩散迁移行为，为逡逑发生溢漏油事故的处理提供参考和控制。逡逑６逡逑

网格图,网格图,网格

0ｉ：逦／0逦￣￣Ｔ逦ｈ逦，｜逦＾逡逑图２－１几何模型示意图逡逑在展开数值模拟之前，需要离散化网格，采用专业离散网格软件Ｇａｍｂｉｔ，计算域网逡逑格主要由三角形非结构化网格和四边形结构化网格构成，如图２－２。由于本模拟重点监逡逑测油气泄漏区域，因此对该区域进行加密，并采用三角形网格如图２－３，三角形网格区逡逑域为８０ｍ到１２０ｍ之间。其他构造水流环境区域采用四边形结构化网格。为了更好的捕逡逑捉波浪形态，以及油气在水面上的运动，将静水深上下各两米处的网格进行加密，以便逡逑更清晰地展现网格，为了更清晰地展示离散化网格，图中所示的网格比例有所调整。逡逑网格最小尺寸为３．０９３６０１ｘＨ）－４ｍ２，，网格最大尺寸为＾ＳＯＯＯＣＢｘｌＯ－１］！！２，网格总数为逡逑１２６８１５，最小正交质量为０．７４８，正交质量取值０－１，越接近１，表示网格质量越好，最逡逑大长宽比为４．２
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE832

【参考文献】