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海底管路油氣泄漏的研究進(jìn)展

文檔作者：臧曉剛1 張軍2 龔翔盧盛燦文檔來源： 1集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 2集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2023年10月04日
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海底管路泊氣泄漏的研究進(jìn)展
臧曉剛1張軍2龔翔盧盛燦
(1集美大學(xué)輪機(jī)X-．程學(xué)院
2集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院福建廈門361021)
摘要，4-結(jié)海底管路油氣溢漏的輸移與擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型．對(duì)海底管路油氣溢漏的特點(diǎn)、溢漏物輸移擴(kuò)散的過程進(jìn)行分析總
結(jié)．對(duì)污染物輸移擴(kuò)散過程的影響因素及其作用機(jī)理進(jìn)行探討，從而為油氣溢漏的應(yīng)急處理以及環(huán)境損害的評(píng)估提供參考。
關(guān)鍵詞油氣泄露水下泄漏油氣擴(kuò)散油水二相流
中圖分類號(hào)：X55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2016)01—015—03
2l世紀(jì)以來．隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展．對(duì)石油資源的
需求急劇增加。海上油氣田開發(fā)過程中．海底油氣管路在生
產(chǎn)運(yùn)輸方面發(fā)揮了獨(dú)一無二的重要作用。但隨之而來的一個(gè)
難以避免的問題便是海底管路由于長(zhǎng)時(shí)間海水侵蝕或其它
原因而破損所導(dǎo)致的石油以及天然氣溢出。油氣泄露不僅造
成大量寶貴資源的損失．而且會(huì)使海洋環(huán)境受到難以估量的
污染．通常It石油在海上所形成的油膜可覆蓋12kmz范圍
的海表面．由此形成的大面積油膜將阻隔正常的海氣交換過
程?．并會(huì)嚴(yán)重破壞區(qū)域生態(tài)平衡．影響海洋生物生存。
自上個(gè)世紀(jì)七十年代以來．國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)建立了幾十
種模型來預(yù)測(cè)溢油的輸移擴(kuò)散過程．其中以Fav建立的溢油
擴(kuò)展三階段理論最為普及．之后很多學(xué)者的理論都是在其基
礎(chǔ)上加以修正．但由于其模型建立是以靜水面為主要前提，
沒有考慮到風(fēng)、洋流以及波浪對(duì)溢油的作用，因此大大降低
了其在實(shí)際使用過程中的局限性：2]：Lehr．Fraga和Belen對(duì)
Fav理論進(jìn)行了修正完善．認(rèn)為油膜在海洋里的擴(kuò)散不可能
不受到風(fēng)的作用．因而其擴(kuò)散不是圓形的．而是橢圓形∽。在
這之后，Yapa和Zheng等建立了一個(gè)比較完善的溢油模型，
該模型考慮到了溢油的擴(kuò)散、溶解以及卷吸的作用[4]。近幾
年，國內(nèi)學(xué)者也開展了相關(guān)研究。汪守東和沈永明對(duì)Yapa的
模型進(jìn)行推廣．將溢油的乳化作用考慮在內(nèi)?：廖國祥建立
了水下油氣溢漏事故污染物的輸移預(yù)測(cè)模型．該模型能夠模
擬污染物在密度分層、流速分層的真實(shí)情況下油氣輸移分離
的動(dòng)態(tài)行為[5]：亓俊良研究了深水區(qū)溢油的行為與歸宿．并
探討了各行為歸宿的影響因素和機(jī)制[6]：管永義在FLUENT
環(huán)境下．建立波浪、海流和風(fēng)3項(xiàng)因素共同作用下的水下溢
油模型．模擬了海底管道溢油在浮力作用下的上浮過程[7]。
1 有關(guān)油氣輸運(yùn)的數(shù)學(xué)模型
水下溢油的數(shù)學(xué)模型主要采用拉格朗日積分技術(shù)[4s]以
模擬其在水體中的輸移擴(kuò)散過程。此方法是在每一時(shí)刻將水
體中的溢油沿軌跡中心線獨(dú)立為一系列互不影響的控制單
元體．控制單元體在空間中的運(yùn)動(dòng)情況即為溢油軌跡的變化
情況．控制單元體的溫度、鹽度以及濃度變化則代表了溢油
的相應(yīng)參數(shù)的變化。而控制單元體的運(yùn)動(dòng)情況則是根據(jù)質(zhì)量
守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等控制方程進(jìn)行描述，將各個(gè)控制
單元體的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行綜合便能得出溢油的輸移軌跡。目前
研究所建立的數(shù)學(xué)模型不僅考慮到了卷吸、擴(kuò)散等物理過
程．還考慮到了溢油溶解和乳化兩個(gè)化學(xué)過程。
1．1質(zhì)量守恒方程
由于受到風(fēng)、波浪以及洋流的作用，溢油控制單元體在
水下輸移擴(kuò)散時(shí)一般會(huì)發(fā)生卷吸、溶解、紊動(dòng)擴(kuò)散和溢油乳
化4個(gè)過程．從而導(dǎo)致控制單元體質(zhì)量的變化。
針對(duì)控制單元體，可設(shè)其半徑為b，厚度為h．速度為v，
密度為P．時(shí)間步長(zhǎng)取。則控制單元體的質(zhì)量可表示為m=
ph，rrb：。溢油的質(zhì)量守恒方程可表示為：
n
1一
Am=p。Q4卜乞／kmt-Am廠Am。(1)
￡
1．1．1卷吸作用
式(1)中第1項(xiàng)為卷吸作用所引起的質(zhì)量變化，p。為海
水密度(kg／m3)；Q。為卷吸體積通量(m3／s)。
溢油在水下以浮射流的形式上浮的過程中，在風(fēng)、洋流、
波浪的作用下不斷與海水發(fā)生相互作用．導(dǎo)致水體進(jìn)入浮射
流內(nèi)部．這一過程即為水流的卷吸過程。通?？蓪⑺鞯木?
吸過程分為剪切卷吸和強(qiáng)制卷吸兩部分r9]。剪切卷吸是海水
與溢油間密度差而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力所引起的卷吸過程。強(qiáng)制
卷吸是由海水的對(duì)流作用而進(jìn)入單元體內(nèi)所引起的。因此
有：
Q。=0+G (2)
其中Q。、佛分別為剪切卷吸通量和強(qiáng)制卷吸通量。
1．1．2溢油溶解
式(1)中第2項(xiàng)表示溢油溶解于水中的總質(zhì)量(kg)，n
為油的組分?jǐn)?shù)．
一般情況下。溢油在海水中的溶解度較低。由文獻(xiàn)『6]可
知．石油烷烴類成分的溶解度與烷烴的含碳量有關(guān)。溢油在
上浮的過程中．大部分的低分子芳香烴溶解于水中，其中以
苯類烴最為明顯。溢油中單一組分的溶解度與油水比相關(guān)．
而不僅僅受制于純組分的溶解度[6 3。
本模型采用Cohen等人。m]提出的方法來計(jì)算溢油溶解
基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金(2014JOl201)
作者簡(jiǎn)介：臧曉剛(1991～)，集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院在校研究生，主要進(jìn)行海底油氣溢漏研究。
通訊作者：張軍(1966～)，博士，集美大學(xué)機(jī)械與能源．Y-程學(xué)院副教授．碩士研究生導(dǎo)師．主要研究多相流體流動(dòng)、流體靜電霧化技術(shù)、海洋能
利用、流體機(jī)械優(yōu)化等。

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