[发明专利]一种气动溢油屏障的设计方法

说明书

本发明公开了溢油处置技术领域，具体涉及一种气动溢油屏障的设计方法，为气动屏障阻隔和富集油污的优化设计提供模型支持，从而提高其综合性能和减小能耗，同时降低研发的高成本投入和缩短周期，有利于减小溢油对海洋环境的污染。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；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。本发明构建的气动屏障、大气、油、水四相耦合的CFD模型计算准确、快速、稳定，便于开展数值试验，对气动溢油屏障进行优化设计。

技术领域

本发明属于溢油处置技术领域，具体涉及一种气动溢油屏障的设计方法。

背景技术

海上溢油是油气开采、运输和储存过程中的一大挑战和风险。一种有效通 用的应急措施是布放围油栏来围控油污，但当处于高海况或者拖航速度过快时， 可能导致围油栏失效。采用面源的气动屏障(气幕/气泡帘)和围油栏联用，能 够有效地提高对油污的围控效率。在相对平静的水域中，气动屏障还可以单独 使用，具有不影响通航的优点。尽管专利公开了气动溢油屏障的装置结构(比 如中国专利CN 104652388 B利用气幕围油的方法和装置)，但没有给出定量化 的气动溢油屏障的动力学特性。然而对于设计性能高，能耗小的气动溢油屏障， 流体力学信息至关重要。物理实验往往成本高、周期长，且很难得到全面的数 据。因此迫切需要一种能准确、快速、稳定计算去设计气动溢油屏障的数值模 拟方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种气动溢油屏障的设计方法， 为气动屏障阻隔和富集油污的优化设计提供模型支持，从而提高其综合性能和 减小能耗，同时降低研发的高成本投入和缩短周期，有利于减小溢油对海洋环 境的污染。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种气动溢油屏障的设计 方法，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；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。

作为进一步地优选，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。

作为进一步地优选，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。

作为进一步地优选，所述气泡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，其中，拖曳力系数由Tomiyama模型获得；所述气泡受 液相湍流的影响以湍扩散力体现。

作为进一步地优选，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。

作为进一步地优选，采用Calderbank模型描述所述气泡的平衡粒径；在此 基础上，采用Laux和Johansen模型描述所述气泡的聚并和破裂过程。

作为进一步地优选，当所述气泡到达自由液面时，停止追踪。

作为进一步地优选，所述步骤b，具体包括：

b1、通过在动量方程中加入源项，实现在封闭区域内加入环境水流；

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；