基于Fluent的海洋溢油数值模拟研究

（ ３ ）湍流模 型 。Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 提供 的湍 流模 型包 括 ： Ｓ ｐ ａ ｌ ａ ｒ ｔ — Ａ ｌ ｌ ｍａ ｒ ａ ｓ 模型 、 标准
率 ８ 有 如下形 式［ ７ １ ：
ｐ
守东在 Ｙ ａ ｐ ａ和 Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ的溢油模 型基础上 建立海底 溢油 的数
学模 型 ， 并 首 次 考 虑 了溢 油 的 乳 化 作 用 ［ ， ； 王 晶 提 出 了预 测
模型、 Ｒ Ｎ Ｇ Ｋ — ｓ模 型等 。经 查阅相关
资料 ． 本 文采用 标准 的 ， ｃ — ｓ模 型 ． 其 中湍动 能 Ｋ和湍来自百度文库流耗散
海底 管道 由于 焊接裂 纹或 腐蚀所 形成 的小孔 发生 溢油 的模 型． 对溢油在 水 中输移 扩散 的过程 及影响其 扩散的主要 因素 进行 了研究 ． 并分析 了各种 因素 对油滴尺 寸的影 响［ ４ ＿ 。 本 文主要 利用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软 件 ．采用 基于压力求 解 的 Ｐ Ｉ Ｓ Ｏ 算法 ， 选择 Ｖ Ｏ Ｆ模 型 、 标准 ｋ 噌 湍流模 型来解 决瞬态 条件下 压力速 度的耦合 问题 ．对 较深水域的海洋输油管道泄漏 问题 进行 数值模拟。 主要研究了不同海流速度 、 不 同含 气率 以及在 相 同含气率 不同海流 速度时油气 混合物在 水中的输移特 性 ． 为海洋溢油 回收工作及海洋环境污染防治提供参考依据
基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 的海洋溢油数值模拟研 究
吕国 录
ｆ 集 关 大学轮 机 工程 学 院
摘要
刘 志 萌
福 建厦 门 ３ ６ １ ０ ２ １ ）
针 对 海 洋 溢 油扩 散 问题 ． 基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 模 拟软件 ， 建 立二 维 数 值 水 槽 ， 分 析 比 较 不 同海 流 速 度 和 不 同含 气 率 条 件 下 油
ｆ ｐ ＝ 以＋ ＋ ＋ 警
研究 ． 挪威 Ｊ ｏ ｈ ａ ｎ ｓ ｅ ｎ等建立 了 Ｄ Ｅ Ｅ Ｐ Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ 水下溢油模 型 …，
并利 用 实验 对模 型进 行 了验 证 ： Ｙ ａ ｐ ａ 和 Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ建 立 了 一 个
｛ ｐ ＝ ｐ Ｆ ｂ ＋ ＋ 鲁＋ 警 【 ｐ 警 ＝ 以＋ 警＋ ＋ 警
中图分类 号 ： Ｘ ５ ５
文献标识码 ： Ａ
文 章编号 ： １ ６ ７ ２ — ９ ０ ６ ４ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ６ — ０ ３ ０ — ０ ３
（ ２ ） 动 量 方 程 。动 量 守 恒 方 程 ， 也 称 为 Ｎ— Ｓ方 程 ， 表 达 式
为［ ６ ３ ：
在大力开发海 上油气 田的过程 中． 海底管道 在输送 油气
２ 数值 模 拟计算 结 果与分 析
Ｇ ａ ｍ ｂ ｉ ｔ 建立 几何尺寸 为 ２ ０ ｍｘ ２ ０ ｍ的数值水槽 ．在水槽 底 部距离左 侧 １ ｍ 处设 置一直径 为 ２ ｃ ｍ 的小孔作 为泄 漏孔 ．
油一 水一 气三相 流动采用 Ｖ Ｏ Ｆ模 型进 行数值模拟 计算［ 。
１ ． １ 基本 控 制 方 程
ｄ ８
ｐ
＝
警 ＝ 蠹 【 （ ＋ ） 差 】 ＋ Ｇ ｋ ＋ Ｇ ｂ － ｐ ６ 一 毒 【 （ ＋ ） 差 ］ ＋ Ｃ １ ８ 詈 （ Ｇ ＋ Ｇ ３ ） 一 ｃ ２ 。 ｐ ２
１ ． ２ Ｐ Ｉ Ｓ Ｏ算 法
Ｐ Ｉ Ｓ Ｏ（ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ － Ｉ ｍｐ ｌ ｉ ｃ ｉ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ Ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ Ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ） 是 压
气混合物 的输移扩散特 性。 计算结果表 明 ， 海流速度越 大 ， 油 滴尺 寸越 小 ， 油气混合 物的扩散 面积相 对较 大 ； 含 气率越 大 ， 溢油上 升的速度越大 。 油气混合物的扩散 面积 就相对较 小。此数值模 拟研究可为海上 溢油回收工作及环境 污染防治提供参考依 据。
关 键 词 海 洋 溢 油 污 染 防 治 海 流 速 度 含 气率 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ
力隐式分 割算法 ． 该算法 是基于压力 速度耦合关 系 的一 种算 法 。Ｐ Ｉ Ｓ Ｏ算 法 的主要思 路就是将 修正方 程 中求解 阶段 中 的 Ｓ Ｉ ＭＰ Ｌ Ｅ和 Ｓ Ｉ ＭＰ Ｌ Ｅ Ｃ算法 所需 的重复 计算 移除 ．运 用 Ｐ Ｉ Ｓ Ｏ 算法 ． 校正 的速度会更 加接近流体力 学 中的连 续性 和动量方 程， 因此 Ｐ Ｉ Ｓ Ｏ算 法在求解 瞬态 问题 中具有 明显 的优势 ［ ８ ］ 。
方面 发挥了独一无 二的作用 ． 但 海 底 管 道 泄 漏 的 风 险 不 可 忽
视 。水下油气泄 漏对海洋 渔业 、 水 产养殖业及 海洋环境 将造 成 致命 的伤 害 ． 并 会严 重破 坏海洋 生态 平衡 ． 影 响海洋 生物 生存 ． 因此对海 底管道 泄漏 问题进 行一 定 的研究 ． 将 为海洋 溢油的预 防及溢油应 急处 理提供 一定的参考价 值 从 ２ ０世 纪７ ０年代 起 。国外 已经开始对 海洋溢油 问题 进行 了系统地
式中： 、 、 分别 为 单位 质量 流 体上 的质 量力 在 三个 方
向的分量 ； 为流体 内应力张量 的分量 。
比较完 善 的三维 数学模 型 Ｃ Ｄ Ｏ Ｇ来模拟 水下 溢油 形成 的浮
射流 ［ ２ ＿ 。近 ２ ｏ年 来 。 国 内学 者 也 积 极 开 展 了 相 关 的 研 究 ， 汪
选用 四边形 结构 化网格 ； 并 进行 边界条 件设 定 ： 泄 漏 孔为 速
１ 数 学 模 型
为 了便于 阐述 海洋溢油过 程的机理 ． 本文建 立二维求解 模型． 其基本 方程包括 非定常不 可压 黏性流体 流动的连续 性 方程 、 动量方 程及湍流方 程等基 本控 制方程 ． 采用 Ｐ Ｉ Ｓ Ｏ算 法 解决压 力与速度 耦合的 问题 ：其 离散格式 均采用默 认设置 ，