水下油气溢漏事故污染物输移预测模型

为评估海底油气管道泄漏、油气井井喷等水下事故的污染风险及其损害影响,及时制定科学应急反应决策,本文基于拉格朗日积分方法建立水下油气溢漏事故污染物输移预测模型.该模型能够模拟污染物在密度和流速分层的真实水下环境中的水流卷吸、湍流分散、溢油溶解、油气共同输移与分离输移等动态行为.进行了水下环境的浮力射流、气泡羽流以及油气分离输移等实验的数值模拟验证,计算结果与实验数据基本吻合.实际水下溢油试验结果表明,溢油在水下环境中的输移扩散过程的模拟结果与现场监测数据基本符合.     

海底管线溢油的数值模拟

采用VOF方法,选择压力速度耦合的PISO算法建立海底管道孔口溢油预测模型.模拟油滴在浮力的作用下的上浮过程,分析比较不同管内压力和不同水流速度条件下的溢油量、油滴漂移扩散轨迹.计算结果表明,管道内压力直接影响单位时间溢油量,而水流速度等海况条件是影响溢油行为和归宿的重要因素之一.数值模拟方法可为溢油应急决策提供理论依据.     

海底沉船溢油轨迹及溢油速度数值模拟

为探索溢油在海底水环境中的运动规律及溢出速度与溢出量的变化趋势,采用流体体积法(VOF)追踪自由界面,以FLUENT为计算平台,建立二维海底沉船溢油模型,动态模拟海底溢油漂移扩散变化的全过程.结果表明,海底沉船溢油初期溢出物为空气与油混合物,溢出速度在瞬间达到最大值后出现波动;溢油后期的溢出物为油与水的混合物,溢油速度趋于0;溢油量随着时间的推移逐渐增加,但增加幅度逐渐减小.将模拟结果与相关实验结果对比可知,实验现象与数值模拟结果相符,该二维海底沉船溢油模型具有可行性.     

基于CFD的海底管道油气泄漏扩散模拟分析

针对海底管道泄漏后的油气扩散特性进行了数值模拟研究。建立了海底管道上部区域的泄漏扩散模型,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对该模型进行了油气泄漏后的扩散模拟,并定量分析了泄漏物扩散距离。模拟结果表明:该模型及模拟方法能够在一定程度上反映油气泄漏扩散真实情况,且随着含气率增大,大油滴越易破碎成大量的小油滴,溢油扩散范围更广;随着泄漏速度增大,溢油横向漂移距离逐渐增大,且变化接近线性分布;海流速度对溢油的横向漂移有直接影响,随着海流速度增大,溢油的射流高度不断减小。     

网格密度对海底管道溢油扩散数模结果的影响

采用数学模型对海底管道溢油扩散进行模拟时,除了要求模拟结果的准确,同时也必须要从经济性角度考虑计算成本的问题.为筛选出合适的数值模型,对不同网格模型进行了对比性研究.基于结构网格,采用有限体积法建立溢油扩散模型,并采用流体体积法来追踪多相流界面.选用疏、密两种不同网格进行计算.根据Fan(1967)经典实验,选择3种不同工况,并采用其实验数据对计算结果进行验证对比.通过不同工况下疏、密网格模型中溢油的传播形态、到达海面时间、横向漂移距离、海面扩散范围及电脑计算时间的对比分析,研究了网格疏密对溢油结果的影响.研究表明:密网格模型电脑计算时间过长,各种物理量的提升效率一般,而疏网格模型计算成本则较为合适.该模型可为海管溢油扩散预测及应急维修提供参考.     

蓬莱19-3溢油运移与归宿数值模拟和分析

通过耦合水动力模型建立渤海海上溢油运移与归宿数学模型,包含漂移、扩散、蒸发、乳化等过程,通过拉格朗日方法模拟漂移过程、蒙特卡罗方法模拟油粒子扩散的随机性,采用变化的紊动扩散系数使溢油所受紊动扩散作用随时间变化.通过率定得到蓬莱19-3溢油模拟中风拖拽系数和扩散系数校正参数b的合理取值范围分别为1.4%~2.3%和0.38~0.42.对蓬莱19-3溢油事故进行了模拟,通过溢油附岸位置与时间验证了模型的准确性.模拟结果表明:由于风速较大、方向变化较小,风对漂浮于水面上的溢油产生较大作用,且溢油漂移方向与主风向一致;渤海海域内的潮流以往复流、旋转流为主且余流小使其对溢油运移的作用弱于风;溢油初期的蒸发速度较快,后期因挥发组分的减少以及乳化作用使溢油含水率增大使得蒸发速度明显减小;蒸发和附岸是溢油漂浮组分减少的主要原因,也是溢油的主要归宿.     

复杂泄漏方式下的海上溢油行为归宿数值模拟及应用

为对海洋溢油风险及其生态环境损害影响进行评估,及时制订溢油事故应急反应决策,基于油粒子追踪法建立多源泄漏、移动泄漏等复杂泄漏方式下海上溢油行为归宿的数值模拟方法,包括海面溢油在风和海流作用下的迁移、扩散、蒸发、溶解、乳化、分散等行为动态和风化过程,并以接连发生在大连新港附近的两起船舶溢油事故作为多源泄漏的典型案例进行应用研究.结果表明,海面油膜时空分布模拟结果与调查监测数据符合较好,油污影响范围与观测报道结果基本吻合.     

基于GIS的海上溢油扩散和漂移的预测研究

针对海上溢油应急处理问题，建立海上溢油的漂移、扩散、扩展、蒸发和乳化过程数学模型，在短时间内计算预测溢油轨迹以及溢油影响的敏感区，并在海上溢油应急反应地理信息系统平台上，进行了动态模拟，为有效地做出溢油应急决策提供科学依据。     

基于POM的大连湾溢油预测模型

基于POM建立了M2分潮的大连湾海域三维潮流场动力模式。利用此动力模式,以“油粒子”模型来模拟溢油在大连湾中的漂移扩散过程。通过欧拉一拉格朗日法,将油膜中心的轨迹和各个时刻的油膜分布情况可视化。溢油预测模型综合考虑了三维流场,湍流,风导输移和波浪破等环境因素,并包含了蒸发和乳化等风化过程。以大连湾溢油为例,预测了油膜在风和海流共同作用下漂移的路径和油膜影响的海域及海岸带范围,油膜靠岸后证明了动力溢油模型进行溢油预测的可行性。     

水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究

对水流作用下海底管线三维冲刷问题进行了实验室研究,重点研究了不同的水流速度(以底面剪切力系数θ表示,θ=0.046~0.104)、管线埋厚比(e/D=0.1~0.5)、水流作用角(α=45°~90°)下的冲刷沿管线扩展速度.实验结果表明管线下方冲刷以先后两个速度沿管线向两侧扩展.建立起冲刷段扩展速度vh与θ、e/D、α等影响因素间的关系.发现管线冲刷的扩展速度随底面剪切力系数的增大而增大;随着埋厚比的增大而减小,随水流作用角的增大而增大.最后,根据实验结果建立了一套预测海底管线下方冲刷段扩展过程的经验模型,效果较好.     

密度分层流中的浮射流模拟

以垂向密度变化的环境流体为背景,采用k ε紊流模型,建立了垂向二维浮射流的数值模型.模型的求解采用有限体积法和SIMPLE算法.针对密度分层流中的浮射流实验,对垂向密度呈线性变化的垂直浮力射流进行了数值模拟,得到射流的密度场、射流轨迹、稀释度和射流宽度等的分布规律.通过数值模拟和实验结果的对比分析表明,两者吻合较好,所建立的垂向二维浮射流紊流模型能够比较精确的模拟分层环境中浮射流的水流状况和射流进入环境流体的混合状况.     

污水排海工程近区稀释扩散研究

结合某经济开发区排海工程，以水槽试验资料为基础，运用数学模型和量纲分析对动水，密度均匀的水流条件下，双喷口、异向射流的近区稀释扩散进行了研究。     

三元复合体系乳状液渗流对采收率影响

基于对三元复合体系乳状液渗流特征和压力动态特征的深入分析,找出了乳化作用对三元复合体系驱油效果影响的控制因素,建立了描述三元复合驱乳状液形成条件和描述影响驱油效率的乳化启动、乳化携带作用的数学模型;建立了描述影响波及效率的三元复合体系非牛顿型乳状液粘度数学模型和乳状液渗流引起水相渗透率降低系数数学模型。在此基础上,根据建立的二维剖面非均质正韵律油藏模型,对乳化作用对驱替效率和波及效率的影响进行了定量研究,模拟结果表明,乳化启动、乳化携带作用提高了驱油效率,乳状液的高粘度和乳状液渗流引起的水相渗透率降低改善了中低渗层的分流量,提高了波及效率,乳化对波及效率和驱动效率的提高程度与乳化程度有关。研究结果对于三元复合驱方案设计和生产动态预测具有重要指导作用。     

河道扩散器排放下游流速和浓度分布的预报

应用作者所取的河道扩散器排放的流场的数值模拟计算成果和水槽试验资料的基础，分析了流动水体中多孔射流排放下游流场的主要影响参数。根据射流与环境水体的掺混稀释特性，采用虚拟扰动源的处理方法，给出了描述河道扩散器排放下游流速的浓度分布的公式。该公式的计算结果与数值模拟及实测值吻合良好。     

静止环境中水平圆形浮力射流流动特性研究

采用基于重整化群（RNG）方法的k～ε模型结合混合有限分析法（HFAM）对静止环境中有限水深水平圆形热浮力射流进行了数值模拟,计算所得对称面上的温度等值线图与前人所做实验符合较好.进一步地分析表明,在相同的淹没深度下,对称面上温度（速度）衰减速度随密度弗劳德数的增加而减慢;在相同的密度弗劳德数条件下,对称面上的温度（速度）衰减随淹没深度的增加而加快;对射流近区的流动区域划分的初步分析,有助于对流动结构的认识;证明了该数学模型能够有效地对此种流动进行数值研究.     

Numerical simulations of buoyant reactive jets with sidewall effects

The near field dynamics of buoyant reactive jets with adjacent sidewalls is investigated by time-dependent three-dimensional direct simulations. The physical problem is a fuel jet issuing vertically into an oxidant ambient environment in a corner configuration with sidewall boundaries.Simulation results are presented for two cases with different jet nozzle geometries: a corner-round reactive jet and a cor-ner-square reactive jet with the same cross-sectional area on the nozzle plane. Buoyancy-induced large vortical structures evolve spatially in the flow field and transition to turbulence occurs downstream. Calculation of the mean flow properties shows that entrainment of the corner-round jet is stronger than that of the corner-square jet due to the stronger vortex deformation in the corner-round case.     

埋地热油管道停输温降的CFD模拟

针对埋地热油管道的停输温降过程,分别建立了埋地热油管道的物理模型和数学模型,并应用FLUENT软件模拟了不同土壤导热系数、不同大气温度下的温度场分布。同时在稳态的基础上模拟非稳态,得出停输后温度场、速度场的分布。并对不同油温下的温度分布进行模拟,得出了温度场在不同条件影响下的分布规律。对于优化管道建设和制定科学合理的热油输送工艺具有重要的作用。     

基于FLUENT的水平管道稠油掺稀均质化流场模拟

掺稀降黏输送是常用的稠油管道输送工艺,稀油通过分散和溶解作用降低稠油黏度。然而,稠油黏度较高,稀稠油是否混合均匀将直接影响降黏效果。国内外学者对竖直井筒中稠油掺稀举升的混合方式和效果多有研究,但针对水平管道掺稀方式及入口速度和掺稀比对混合效果的影响却鲜有报道,故本文基于计算流体动力学理论,建立了水平管道稠油掺稀模型,着重分析了稠油入口速度、掺稀比以及加装静态混合器对混合效果的影响,研究结果表明:水平管道稠油掺稀流动过程中,稠油、稀油混合不均匀,形成稠油、混合油、稀油的分层流动形态;稠油进口速度不能改善分层流动现象,对稠油、稀油的混合均匀性影响较小;改变掺稀比不能有效改善稠油、稀油的混合效果;在管道内加装3组SK组件能实现稠油、稀油的最优混合;SK静态混合组件能极大程度地提高混合油品在管道内的湍动能,促进稠油、稀油均匀混合。本文的研究成果对改善稠油水平掺稀的混合均匀性,提高降黏效率有重要意义。     

紊动射流的近区初始稀释

本文研究运动淡水水体中紊动射流的近区掺混规律.应用紊动射流特征长度比尺法给出了射流中心线轨迹及初始稀释度模型.通过底部潜没扩散器排放与岸边单孔排放水槽试验,建立了扩散器工程参数:出口流速、孔数、扩散器长度、孔径等与污水带轨迹及初始稀释度之间的关系.以实例介绍了成果的工程应用.从稀释扩散能力看,底部潜没排放方式明显优于岸边排放方式.结果表明:长度比尺法物理概念明确、计算简单、应用方便,特别适合于扩散器工程的规划和初步设计.