[发明专利]一种气动溢油屏障的设计方法

权利要求书

1.一种气动溢油屏障的设计方法，其特征是，包括：

a、考虑气动屏障中气泡的聚并和破裂、湍流对气泡的影响以及气动屏障与大气、油和水的相互作用，构建气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型，模拟在环境水流作用下，气动屏障对溢油的围控和富集；

b、进行三维建模，求解构建的气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型，获取求解结果；

c、用气动溢油屏障的物理实验对求解结果进行验证；

在所述步骤a中，大气、油、水三个连续相的瞬变流动在欧拉坐标系下采用VOF模型描述，求解大气、油、水三相的体积分数连续性方程和混合相的动量方程，并追踪三相间的界面，采用考虑了自由液面对湍流阻尼的k-epsilon湍流模型闭合，通过UDF在湍流耗散率方程中加入源项S_damping来实现：

式中，C_damping为模型系数；C_μ为模型经验常数，取值为0.9；k为湍动能；k为冯·卡门系数；l_s为混合相单元到自由液面的物理距离；e为湍流耗散率；

在所述步骤a中，气动屏障中的气泡采用拉格朗日坐标系下的力平衡方程和运动方程求解；气泡的力平衡方程中包含浮力、重力、压力梯度力；气泡还受到水施加的拖曳力和虚拟质量力，并反馈到混合相的动量方程中以实现气泡和水的双向动量传递，其中，虚拟质量力的系数取为0.5，拖曳力系数C_D由如下Tomiyama模型获得，通过UDF实现：

式中，Re为气泡的雷诺数；Eo为气泡的厄缶数；

气泡受到液相湍流的影响，在力平衡方程中以湍扩散力F_TD体现，如公式3：

式中，m_b为气泡的质量；ρ_b为气泡的密度；d_b为气泡的粒径；μ为水的动力粘度；u'(x_b)为在气泡位置x_b的水的脉动速度，由获得，其中ζ为正态分布的随机数；

气泡受到液相湍流的影响，还体现在气泡的平衡粒径由气泡性质和湍流参数决定，采用Calderbank模型计算气泡平衡粒径，在此基础上，采用Laux和Johansen模型描述气泡的聚并和破裂过程，如公式4：

式中，D为微分符号；t为时间；为气泡体积密度，由气泡的体积占比α_b和ρ_b获得，即为气泡的平衡粒径；当弛豫时间τ_rel由聚并时间尺度τ_C决定；当时，弛豫时间τ_rel由破裂时间尺度τ_B决定；

所述步骤b，具体包括：

b1、通过在动量方程中加入源项S_current，实现在封闭区域内加入环境水流：

式中，S_current为动量方程中源项，τ为时间尺度参数，u_current为环境水流矢量，u为混合相的速度矢量；

b2、划分网格，在大气、油、水的交界面处、气动屏障区域进行细化；

b3、设置边界条件和初始条件；

b4、采用瞬态、基于压力法的求解器，采用PISO算法求解所述气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型；大气、油、水的界面追踪采用几何重构方案；

所述边界条件包括：围油栏和混合相之间的相对速度以围油栏的拖航速度叠加环境水流进行设置；上边界为压力出口；开放区域的环境水流通过设置速度入口实现；每个计算气泡中含有的气泡个数，通过输入质量流量、设置喷入气泡的时间步长和线源的喷入点个数来控制：

式中，N为每个计算气泡中含有的气泡个数，q为质量流量，Δt为喷入气泡的时间步长，l为线源的喷入点个数；

所述初始条件包括：设置大气、油、水三相的初始分布；设置初始压力、初始速度和初始湍流参数。

2.根据权利要求1所述的气动溢油屏障的设计方法，其特征是，当所述气泡到达自由液面时，停止追踪；当水深较浅时，所述气泡的密度变化可忽略不计；当水深较深时，所述气泡的密度变化符合理想气体状态方程。