摘 要

基于计算流体力学 CFD　原理，利用 FLUENT 软件对海底输油管道溢油输移扩散进行数值模拟，建立了相应的溢油泄漏模型和水下溢油输移扩散模型，分别考察了海水流速、溢油密度、溢油初速度以及水深等因素对溢油输移扩散过程的影响，重点考察水深的影响。描述了溢油进入水体后的输移扩散过程，对不同模拟条件下溢油的上浮时间、水面溢出点的位置、溢出区域范围等关键信息进行了预测与分析。研究结果表明：海水流速越大，上浮时间越长，溢油到达水面时的最大水平输移距离越大，溢油在海面上向下游扩散的速度越大，向上游扩散的速度越小；石油密度越大，上浮时间越长，溢油到达水面时的最大水平输移距离越小，在海面上的扩散速度越小；溢油初速度越大，上浮时间越短，溢油到达水面时的最大水平输移距离越小；水深越大，上浮时间越长，溢油到达水面时的最大水平输移距离越大，扩散范围的大小变化不明显。

关键词：FLUENT ；海底输油管道 ；溢油 ；输移扩散 ；数值模拟

Abstract

Based on the principle of computational fluid dynamics, FLUENT software was used to conduct numerical simulation of migration and diffusion of oil spill in submarine pipelines. After establishing corresponding oil spill leakage model and underwater oil spill migration and diffusion model, the effects of seawater velocity, oil spill density, initial oil spill velocity, water depth and other factors on process of oil spill migration and diffusion were investigated respectively, especially the effects of water depth. The migration and diffusion process of oil spill after entering water body is described, and the key information of oil spill under different simulation conditions, such as the floating time of oil spill, the location of overflow point on water surface, and the range of overflow area, is predicted and analyzed. The research results show that: The larger the seawater flow velocity, the longer the floating time, the greater the maximum horizontal migration distance when the oil reaches the surface, the faster the oil spreads downstream on the sea surface, and the slower the oil spreads upstream; The higher the oil density, the longer the floating time, the smaller the maximum horizontal migration distance and the smaller the diffusion velocity on the sea surface; The higher the initial velocity of oil spill, the shorter the floating time, and the smaller the maximum horizontal migration distance when the oil spill reaches the water surface; The greater the water depth, the longer the floating time, the greater the maximum horizontal transport distance when the oil reaches the surface, and the size of the diffusion range does not change significantly.

Key Words: FLUENT; submarine pipeline; oil spill; migration and diffusion; numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.2.1 国外的研究现状 2

1.2.2 国内的研究现状 3

1.3 课题研究的主要内容及方法 3

1.3.1 课题研究的主要内容 4

1.3.2 课题研究的主要方法 4

1.4 技术路线 4

第2章 海底输油管道溢油输移扩散机理 6

2.1 基本控制方程 7

2.1.1 连续性方程 8

2.1.2 动量方程 8

2.2 湍流模型基本方程 8

2.3 多相流模型 9

2.4 溢油速率的计算机理 9

2.5 本章小结 10

第3章 海底输油管道溢油输移扩散的数值模拟过程 11

3.1 几何模型 11

3.2 网格划分 11

3.3 初始条件 12

3.4 边界条件 13

3.5 溢油速度 14

3.6 模拟方案设计 17

3.7 本章小结 18

第4章 海底输油管道输移扩散特性及其影响因素 19

4.1 水下溢油输移扩散过程 19

4.2 海水流速的影响 22

4.3 石油密度的影响 25

4.4 溢油初速度的影响 27

4.5 水深的影响 29

4.6 本章小结 31

第5章 结论与展望 32

5.1 结论 32

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

在能源需求的驱动下，伴随着石油开采技术的发展与进步，石油资源的开采逐步由陆地转向海洋。最近十几年的石油勘探结果表明，陆地石油资源储量严重不足，且开采难度和开采成本也在增加。与此相反，海洋石油探明储量丰富，在技术成熟的条件下，其开采难度和开采成本也能得到很好的控制，例如，当前深水油气的单位成本与 5 年前相比下降了 50% ^[1]。据 Rystad Energy 统计，在经历了持续 4 年的投资低迷后，未来全球海洋油气资本支出将从 2018 年的 1550 亿美元的谷底开始回升，并将在 2022 年达到 2300 亿美元，较 2018 年增长48.39 %^[2]。

在海洋油气开发中，采用管道运输无疑是最为高效的手段。随着海洋油气事业的迅速发展，海底管道的总里程也在同步地以惊人的速度保持增长，截止2017年，全球在役油气管道总里程约1961300 km ,其中原油管道和成品油管道共计约611900 km ，占管道总里程的31.2% 。近期油气管道的建设速度有所放缓，但并不影响油气管道在油气运输中的重要地位。

海洋油气开发的作业海域的水深记录不断刷新，当前全球最深的探井达到 3400 m ，最深的海底生产系统达到 2900 m ，全球已经进入深水开发阶段，深水油气产量日益增大^[3]。但是，据中国石油经济技术研究院的数据，整体上浅水开发依然占海洋油气开发的 70% 以上，因此本文的研究建立于浅水环境。

然而，对海底输油管道而言，复杂多变的海洋环境无疑带来了前所未有的挑战，潜在的泄漏风险随着管道里程的增加而越发突显，全球范围内的海底输油管道溢油事故时有发生。无论是墨西哥湾还是波斯湾，抑或是渤海湾，都曾发生过严重的溢油事故，有些地区甚至经常发生溢油事故。海洋石油污染对生态环境、渔业生产和旅游业均会产生破坏性的影响，海底输油管道溢油的后果不仅仅是经济损失，其引发的一系列生态环境问题往往会造成难以估量且更为严重的损失^[4]。事实上，我们必须给予足够的重视，一方面要避免溢油事故的出现，另一方面又要制定一套行之有效的应急响应机制，能够在事故发生后将溢油的危害性降至最低。

一般而言，海底输油管道的服役寿命不会太长，且在运行过程中经常受到腐蚀和外力冲击的影响，难免发生溢油事故。一旦发生溢油事故，掌握更多的信息有益于更加快速有效地应对灾害事故，特别是石油的密度、粘度、管道内外压力、水域特性、泄漏量以及扩散速度等关键信息^[5]。而掌握这些信息存在诸多现实困难，其前提是要清楚海底输油管道溢油发生后的输移扩散特性。有鉴于此，海底输油管道溢油输移扩散特性研究在这一过程中具有重要意义。

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 国外的研究现状

无论是溢油的输移扩散行为还是最终归宿，总是受到多方因素的共同制约和影响，其中的机理和联系错综复杂，水下溢油的研究难度远甚于海面溢油的研究。伴随着海洋石油的开发应用得到长足的发展，关于海底溢油的研究也从无到有，逐步丰富起来。国外对水下溢油模型的研究起步较早，经过近半个世纪的完善与发展，相应的理论和模型也变得能够应对更为复杂的情况，特别是模拟结果和实际情况有着更为符合的一致性。即便如此，我们仍无法彻底掌握水下溢油的全部机理，在研究过程中也是片面考虑某些影响因素，难以全面考虑溢油过程涉及的全部影响因素。因此，对水下溢油研究的切入点是比较多的，众多学者在不同的方向上取得了创造性的成果，但是，殊途同归，这些成果无疑将帮助我们洞悉水下溢油的行为特征及其背后蕴含的机理。

Lalith K. Dasanayaka 和Poojitha D. Yapa ^[6] 对具有羽流运动阶段和平流扩散阶段的模型和只有平流扩散阶段的简化模型进行了比较，详细讨论了羽流运动阶段到平流扩散阶段的过渡点的不同判据，其主要研究结果是，除了缓慢泄漏外，两种模型在溢油到达水面的时间和位置上有不同的结果。

Lindo-Atichati, D.等^[7]利用Macondo 井喷的观测数据来评估在溢油输移和归宿数值模型中输入变量的重要性，分别研究了溢油油滴尺寸、溢油速率、高压生物降解和垂直海水流速等的影响，取得了与实际相符合的研究结果。

Poojitha D.Yapa 和Malinda R.Wimalaratne ^[8]等将经过一系列改进的深水溢油模型CDOG 应用于模拟实验以说明深海溢油的一般行为，文中展示了以前的论文中没有明确解释的油气行为，并解决了最近的认知所带来的新问题。模拟结果表明，当油滴非常小(直径小于0.5 mm)时，会形成低浓度的“水下羽状物”，并在水下停留很长时间。

总的来说，对水下溢油理论和模型的研究大体上由浅水向深水发展，由单一变量向复合变量深入，模拟的准确性也得到了较大的提升。

1.2.2 国内的研究现状

国内对水下溢油的研究起步较晚，但也不乏突破性和创造性的成果。

王晶^[9]在海底管道蠕孔溢油计算模型 MAECOLMP 的基础上进行改进，研究了影响水下溢油行为的主要因素，在水下单一孔口上形成气泡/油滴的实验中研究了影响形成气泡/油滴尺寸大小的因素，以及其在上浮过程中的形状变化和上浮速度的影响因素，为水下溢油模型的改进工作打下了基础。

汪守东等^[10]基于拉格朗日积分技术推广了海底管道溢油的数学模型，并首次考虑了溢油的乳化，此外还考虑了剪切卷吸和对流卷吸以及溢油的扩散和溶解。在Yapa和Zheng的溢油模型基础上建立的溢油预报模型，不但能够模拟不分层或 分层环境中的水下溢油轨迹，而且还可以在改变水流流速的环境下进行模拟。

朱红钧等^[11]利用 FLUEN 件进行了 CFD 模拟，研究了从海底管道到自由表面的溢油过程，考察了油密度、溢油速率、泄漏口尺寸和海水流速对溢油过程的影响，能够预测溢油达到海面的时间地点，对一定时间内的最大水平迁移距离作出了预测。

可以说国内的水下溢油研究涵盖范围广泛，然而关于水深对溢油输移扩散过程的影响的研究是很少见的，这方面的研究多见于水下天然气的泄漏。水下油气泄漏方面的研究其实有很多共通之处，无论是研究手段还是计算机理。例如，李新宏等^[12]针对水下气体泄漏扩散问题，基于计算流体力学(CFD)理论采用流体体积模型(VOF)与离散相模型(DPM)耦合的方法，对气体在水中的扩散过程进行模拟与分析。而这种模拟方法同样适用于水下溢油的模拟。

1.3 课题研究的主要内容及方法

本课题首先进行水下溢油输移扩散的机理研究，继而在此基础上分析海底输油管道溢油后的扩散特性。基于 CFD 原理应用 FLUENT 软件进行模拟计算，分别分析在不同油密度、不同溢油速率、不同海水流速及不同水深条件下的溢油输油扩散规律，预测溢油扩散路径、上浮时间、海面溢出点位置及溢出区域范围等关键参数，所得结果可为海底输油管道泄漏风险防控与事故应急提供理论支撑。

1.3.1 课题研究的主要内容

本课题研究的主要内容如下：

⑴ 收集最近几年国内外在水下管道溢油输移扩散模拟方面的论文和主要研究成果，掌握本领域的发展现状和发展趋势，同时分析研究模拟过程的主体思路，以便对本课题做到充分深刻的认识，确定本文的研究方向和技术路线。

⑵ 学习海底输油管道溢油输移扩散涉及的机理及基础理论，特别是连续介质模型、质量方程、动量方程和能量方程。

⑶ 利用 FLUENT 对海底输移管道溢油进行模拟，描述溢油的输移扩散规律，主要研究溢油速率、油密度、海水流速及水深的影响。

⑷ 以模拟结果为基础，对溢油扩散路径、上浮时间、海面溢出点位置及溢出区域范围等做出有效预测，为风险防控与应急响应提供理论支撑以及必要的合理建议。

1.3.2 课题研究的主要方法

本课题研究的主要方法包括文献查阅与数值模拟：

⑴ 文献查阅可以迅速了解领域内最新的成果以及诸多的成功案例，可以有效规避不合理甚至错误的路线，同时为本课题的研究提供思路与方向，为研究结论提供支撑与佐证。

⑵ 数值模拟主要利用基于 CFD 原理的 FLUENT 软件，这主要取决于 FLUENT 软件本身强大的计算和后处理能力，以及实验成本低、周期短的特点。包括几何建模、网格划分、设置初始条件和参数、后处理等都将利用 FLUENT 软件完成，并结合相关文献进行比对，确保结论的正确性和可靠性。

1.4 技术路线

本课题主要通过查阅文献以确立研究思路及方法，继而利用 FLUENT 软件对海底输油管道溢油进行数值模拟，分别研究溢油速率、油密度、海水流速和水深对溢油输移扩散的影响，同时准确描述溢油发生后的输移扩散规律，预测上浮时间、海面溢出点位置等关键信息。其技术路线如图 1.1 所示：

图1.1技术路线

第2章 海底输油管道溢油输移扩散机理

海底输油管道发生溢油事故以后，由于泄漏口处管道内部的压力远大于外界水压，在内外压力差的作用下，石油将会连续不断地喷射渗入海水之中，在激烈的海流作用下也会破碎成油滴或油团。油滴或油团的大小在海底输油管道溢油输移扩散过程中扮演着重要的角色，对于解释溢油输移扩散机理十分有益。因此本文将从油滴的角度来描述其水下输移扩散机理，但在后续的研究中将重点关注溢油整体的输移扩散特性。

首先，油滴的大小对其自身的上浮速度必然产生决定性的影响。体积为 的油滴所受的向上的浮力大小为：

（2-1）

油滴受到的向下的重力大小为：

（2-2）

因此，油滴受到的向上的合力大小为：

（2-3）

由式（2-3）可知，当海水的密度 和油滴的密度 保持不变时，油滴的大小也即是油滴体积 越小时，油滴所受的向上的合力也会越小，从而使得较小油滴的上浮速度越小，在水中的时间越长也会导致羽流整体的上浮时间相应越长，同时会经历水平距离更远的输移和更持久的水下作用。短时间内它们主要通过浮射流或羽流在水动力的影响下进入水体和抵达海面^[5]。实际上油滴在运动过程中的受力更为复杂，如此简单的分析已无法得出精确的结果，但并不妨碍结论的正确与否。

油滴大小对水下溢油输移扩散过程的影响已经不言而喻，问题的关键在于海底输油管道溢油事故中产生的油滴并非大小一致，各种尺寸的油滴都会存在，且在比例分布上也有明显差异^[13]。一般情况下，溢油泄漏口的溢油速率越大，产生的油滴中将存在更多的小油滴。如果没有波浪或海流的影响,油滴就会几乎垂直上升,油膜在海面的扩散半径只是时间的函数。在这种情况下,可以很容易地获得围油栏的投放位置。在波浪和海流的作用下,溢油的轨迹偏离了直线,海面的油膜迅速向下游扩散。本文的简化处理将保留海流而忽略海浪。

图 2.1 浅水水下溢油事故溢油输移扩散示意图

从油滴的角度分析考察溢油整体的水下输移扩散行为所建立的模型是以浮射流和羽流的研究为基础的，前文已经解释过水下的输移扩散过程是难以有效观测的，因此相关的研究需要借助于实验模拟和数值模拟。在溢油发生后一段相对较短的时间内，油滴的初始动量虽然很大，但是在本课题的设置中还并不足以形成射流，原因是海水浮力的作用至始至终都无法被忽略，因此这段时间内的油滴会集中形成浮射流。又因为这段时间比较短暂，所以浮射流的高度很有限，基本上局限在海床附近。沿途的海水将会吸收溢油大量的动量，浮射流形成的涡流也会因为夹带海水而产生密度差，导致浮射流逐步转化成羽流，使得浮力成为油滴在水下输移扩散过程中的主导力量。这时候海水并不会停止对油滴的作用，羽流和浮射流一样会卷吸大量的海水，使得自身的动量进一步消耗，由于油滴的体积分数越来越低，更多的油滴将会向中心线周围展开，羽流上升的半径必然会越来越大，最终形成一个倒锥体，如图 2.1 所示。

2.1 基本控制方程

海底输油管道溢油的输移扩散过程即是溢油在海水中的流动过程，根据流体力学的基本理论，此过程应遵循流体流动的基本控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。由于本课题不考虑温度和内能的变化，所以无需单独研究能量方程。这部分的内容主要参考文献^[14]。

2.1.1 连续性方程

本课题将海水和石油都视为不可压缩的连续性流体，并且假定两者之间不发生反应，即不存在相的变化，两者之间也不发生相对滑移。本课题采用的研究流体运动的欧拉方法是在空间固定点或空间固定控制体内考察流体运动的，而质量守恒定律是对流体系统才普遍成立，显然质量守恒方程同样满足在控制体内采用欧拉方法考察流体运动，只不过表达形式有所变化。这里将省略推导过程，直接给出二维微分形式流体运动的连续性方程：

（2-4）

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：