杨浩天，张 川

（中国港湾工程有限公司，北京 100027）

0 引 言

海上溢油是最主要的海洋污染之一。围油栏又称油障，是用来阻止溢油扩散、缩小溢油面积、为清除溢油及保护水域提供便利的简易而有效的设备，近年来得到广泛应用。围油栏一般由浮体（或称浮子）、屏体（或称裙体）和配重等3部分组成，其中：浮体用于保持围油栏的悬浮状态；屏体在水下形成阻挡油污溢出的屏障；配重垂于裙体底部，起保持围油栏垂向平衡的作用。WONG等[1-2]对传统实心围油栏进行形状优化（柔性围油栏和正（余）弦波围油栏等），优化的围油栏形状过于复杂，在现实环境中难以应用；魏芳等[3-5]采用数值模拟方法研究低黏度油类和高黏度油类在水平均匀流作用下的典型失效模式（油滴夹带失效和累积失效），在此基础上改进传统单体围油栏的外部结构，研究结果表明，通过数值手段优化围油栏结构具有可行性。

本文通过数值仿真手段模拟不同裙摆结构浮子式围油栏在波流作用下的溢油围控过程，分析围油栏的拦油效果与围油栏自身设计参数之间的关系，为围油栏拦油技术的改进和性能优化提供一些合理、可靠的数据参考和方法。

1 计算方法

1.1 控制方程

控制方程包括连续性方程、动量方程、紊动能方程和紊动能耗散率方程。

1) 连续性方程为

2) 动量方程为

3) 紊动能方程为

4) 紊动能耗散率方程为

式(1)～式(4)中：ui(i=1, 2, 3)为 3 个方向上的流速分量；Ai(i=1, 2, 3)为 3 个方向上的可流动的面积分数；Gi(i=1, 2, 3)为 3 个方向上的重力加速度；τij为 3 个方向上的黏性剪切应力项；fi(i=1, 2, 3)为 3 个方向上的油-水黏性项；VF为可流动的体积分数；ρ为流体的密度；p为作用在流体上的压力；kT为紊动能；εT为紊动能耗散率；PT为紊动能kT的产生项；GT为浮力产生项； DkT为紊动能耗散项；Dε为紊动能耗散率耗散项；Ci(i=1, 2, 3)为无量纲的用户自定义参数，分别取默认值1.44、1.92和0.20。

1.2 物体运动和自由表面的处理

尽管围油栏近年来得到广泛使用，但国内外相关研究工作开展得并不充分。当以数值手段模拟溢油围控过程时，通常假设围油栏是固定不动的或仅可做垂向升沉运动[6-7]，这不能真实反映围油栏在波流场作用下的溢油围控过程。因此，本文在已有研究的基础上充分考虑围油栏的几何形状和浮重比等因素，采用GMO流固耦合模块计算固体浮子式的运动[8]，运动方程为

式(5)和式(6)中：FG为围油栏受到的外荷载力；TG为围油栏受到的总弯矩；m为围油栏的质量；[J]为围油栏的转动惯量；VG为围油栏的速度；ω为围油栏的角速度。

自由液面采用考虑流体体积参数的流体体积函数F的输运方程，即

2 模型建立

数值波浪水槽长15.0m，宽0.5m，高1.1m，试验水深0.8m；水槽左侧设置造波装置，右侧设置孔隙消浪结构（见图1）。根据经验，孔隙消浪结构的孔隙率取0.8，粒径取0.1。根据DELVIGNE[9]和张炎炎[10]等的研究，油品油层流失失效主要取决于围油栏的结构和溢油的密度。为研究不同裙摆形状对围油栏拦油效率的影响，本文设计8种改进裙摆固体浮子式围油栏（参数和形状见表1和图2），其中：围油栏的浮子密度为25.46kg/m3；裙摆密度为4000kg/m3；裙摆厚度为0.01m。在数值模拟过程中，通过调整围油栏配重，保证围油栏浮力与重力的比值（B/W）为1:6。此外，数值模拟过程中忽略配重形状对周围流体的影响，将围油栏配重对其水动力特性的影响折算到围油栏裙摆质量和转动惯量中。在围油栏前布置厚度为0.02m、长度为0.5m的薄油层，溢油油品密度为850kg/m3和950kg/m3，黏度均为3000mm2/s。围油栏迎浪侧配置2根锚链，以限制围油栏沿数值水槽纵向移动，其中锚链长度取1.0m，锚链刚度K=5×104N/m。计算网格最大尺寸为2.0cm×2.0cm，在水面处一个波高范围内和围油栏周围对网格进行加密，尺寸取为0.5cm×0.5cm。网格纵横比均控制在1.25以内（见图3）。

图1 数值水槽示意

表1 围油栏结构参数

图2 围油栏类型示意

图3 围油栏附近网格剖分

CORMARK[11]的研究结果表明，围油栏失效的临界速度为0.25～0.50m/s，且当水流速度＞0.50m/s时，无论围油栏的栏深多大，拦油都会失效。开展该试验的目的是研究波流作用下围油栏的溢油围控过程，探讨不同裙摆形状对浮子式围油栏拦油效果的影响。因此，该试验中水流流速为0.30m/s，测试波况为无浪及波高H=0.06m，波周期 T=1.3s。围油栏结构示意见图4。

3 结果分析

图4 围油栏结构示意

3.1 围油栏溢油围控过程

图5为波流作用下围油栏失效过程。由图5可知：栏前溢油在波流作用下朝着围油栏前聚集，不断变厚；在水流作用下围油栏的整体姿态朝着离岸方向倾斜（见图5a））；当栏前溢油累积厚度超过围油栏有效吃水深度时，油层流失失效发生；当波峰靠近围油栏时，围油栏逆时针转动（见图5b））；当波谷靠近围油栏时，围油栏顺时针转动（见图5c）），有效吃水深度减小；当栏前溢油逐渐在栏前端聚集时，油层厚度逐渐增加，直至超过围油栏有效吃水深度时，油层流失失效发生。

3.2 围油栏临界失效状态

图6为不同形状围油栏发生临界失效时的溢油瞬态图。对于传统围油栏，一旦栏前滞油厚度超过围油栏迎水有效吃水深度，滞油失效立即发生。对于改进Ⅰ类围油栏，围油栏在波流作用下整体姿态向后倾斜，但由于围油栏裙摆末端做了前折处理，其有效吃水深度比传统刚性围油栏大。对应地，在相同波流条件下，滞油量有所改善。对于改进Ⅱ类围油栏，在相同波流条件下，其倾斜角度相比传统围油栏和Ⅰ类围油栏明显减小。此外，栏前圆弧前折裙摆具有一定的导流作用，使得围油栏前形成一个稳定的环流，溢油在水流的作用下达到围油栏末端时会顺着裙摆迎浪面内侧向上运动，而不是直接在裙摆末端脱落。由此可看出，Ⅱ类围油栏有明显的滞油性能改善效果。

图6 不同形状围油栏发生临界失效时的溢油瞬态图

对于同类型改进的围油栏而言，其前折角度和长度同样会对临界失效过程产生影响。一般来说，在本文的对比算例中，前折角度越大、前折长度越长，滞油能力越强。对比C型和E型围油栏可发现，在相同波流条件下，E型围油栏的拦油程度较高（见图7）。表2给出在相同波流条件下裙摆前折角度对栏前滞油长度的影响。从表2中可看出：当栏前滞油发生初始失效时，波流作用下的栏前滞油长度要明显小于纯水流作用下的“停滞长度”，这主要是由于波浪的净输移作用。轻质溢油的栏前滞油长度相比密度较高的溢油的栏前滞油长度更长，这是由于溢油密度越低其浮力越大，不易被水流携带绕过围油栏底端发生围控失效。此外，栏前滞油长度随着裙摆前折角度的增大而不断增长。当前折角度达到45°时，其栏前滞油长度要比传统无折角围油栏长约30%。

图7 C型和E型围油栏临界失效对比

表2 裙摆前折角度对栏前滞油长度的影响

一般来说，前转角围油栏的滞油能力要低于前折围油栏（见图8）。进一步地，由裙摆弯曲形态对栏前滞油长度的影响（见表3）可知：当D1/D2=1时，D型围油栏栏前滞油长度比H型围油栏长出约0.03m；当D1/D2=2时，围油栏裙摆形态对栏前滞油形态的影响不显著。

图8 B型和E型曲壁围油栏临界失效对比

表3 裙摆弯曲形态对栏前滞油长度的影响

3.3 溢油损失量

围油栏前布置待泄漏油层尺寸为0.02m×0.50m，网格尺寸为0.5cm×0.5cm。表4为不同形状围油栏滞油损失百分比。从表4中可看出，围油栏在纯流作用下的滞油效果要明显优于在波流作用下的滞油效果。为比较不同波流条件下的围油栏前滞油损失，控制造波个数为15个，对比15个波经过围油栏后的溢油损失量。在波流共同作用下，围油栏滞油损失比纯流条件下的大。这是由于围油栏在水波动荷载作用下，裙摆会发生周期性的摆动，迎水阻油面积减小。对于相同形态的围油栏来说，不同倾斜角度对围油栏滞油效能的影响也是不同的。总体来说，前折角度越大，前折长度越长，滞油效果越好。圆弧前倾滞油效果比小折角（15°）前倾滞油效果要好，但比大折角（45°）差。

表4 不同形状围油栏滞油损失百分比

4 结 语

本文运用FLOW3D软件模拟围油栏在波流作用下的围油栏前油层的演化过程，分析不同形状围油栏的滞油性能。数值试验结果表明：围油栏所处水流、波浪条件会显著影响其滞油性能；波流作用下的围油栏滞油性能相比纯流作用下的围油栏滞油性能显著下降；对围油栏裙摆作前倾处理可增加其滞油效果，一般前倾角度越大，拦油效果越好。