摘 要

石油天然气的水路运输在勘探工程、港口建设中是一个重要的组成部分，水路运输系统的完善及功能的正常运行极其重要，保护石油水上运输的安全性和稳定性是水运工作的重中之重，尤其是对泄露问题的处理，对溢油事故的发生进行预防预测以及设计应对方案是对溢油扩散事故进行安全保障的重要环节。随着日益增长的生活水平如今多环保的要求也逐渐提高，多次的海上溢油事故造成了极大的环境问题，预防溢油扩散成为当今的热点问题。为了有效地处理这类问题，本文利用可能发生的问题以及真实参数设置相应的条件，对计算流体力学理论（CFD）应用到工程上，结合溢油事故的产生及周围环境以及影响因素，对其扩散进行研究计算，结合实际情况总结出扩散时的特征、规模和区域范围，设计出预防方案和当溢油事故发生后的补救措施是其伤害降到最低。

本文通过近场扩散的方面来研究溢油扩散，从局部到整体获取溢油扩散的相关信息进行较为全面的分析。其中建立了CFD模型进行近场的数值模拟研究，模拟石油粒子在扩散的过程获得扩散流动的信息，以浓度云图及速度矢量等的形式将仿真数据体现出来：水流速度不变的情况下，随着射流的初速增加，水域横流对扩散过程的影响逐渐减弱，并在浓度区域的分布上发生极大的变化，高浓度区域随着流动的深入向水流的下游发生偏移，速度矢量随之发生改变，在漏孔偏下游的区域会形成漩涡，中心几乎无油粒子分布，形成流速速度几乎为0的空洞区域。

关键词：溢油扩散；流动特性；流域；油粒子；横流；射流

Abstract

The water transportation of oil and natural gas is an important part in exploration engineering and port construction. The improvement of the water transportation system and the normal operation of its functions are extremely important. Protecting the safety and stability of the oil and water transportation is the most important work of the water transportation, especially the handling of the leakage, the prevention and prediction of the occurrence of the oil spill accident and the design of the response plan are as follows: It is an important link to ensure the safety of oil spill diffusion accident. With the increasing living standard and the increasing requirement of environmental protection, many oil spills at sea have caused great environmental problems, and the prevention of oil spills has become a hot issue. In order to deal with these problems effectively, this paper uses the possible problems and real parameters to set the corresponding conditions, applies the theory of computational fluid dynamics (CFD) to the engineering, combines the occurrence of oil spill accidents, the surrounding environment and the influencing factors, studies and calculates its diffusion, summarizes the characteristics, scale and regional scope of diffusion, and designs the pre diffusion The prevention plan and the remedial measures after the oil spill accident are to minimize the damage.

In this paper, the near-field diffusion is used to study the oil spill diffusion, and the relevant information of oil spill diffusion is obtained from the local to the whole for a more comprehensive analysis. The CFD model is established to simulate the near-field numerical simulation. The information of diffusion flow is obtained by simulating the diffusion process of petroleum particles. The simulation data are reflected in the form of concentration cloud chart and velocity vector, etc. under the condition of constant flow velocity, with the increase of initial velocity of jet, the influence of cross flow of water area on diffusion process is gradually weakened, and occurs in the distribution of concentration area Great change, the high concentration area will shift to the downstream of the water flow with the depth of the flow, and the velocity vector will change accordingly. In the area downstream of the leakage hole, there will be a vortex,

with almost no oil particles in the center, forming a cavity area with a velocity of almost 0.

Key Words：Oil spill diffusion; flow characteristics; basin; oil particles; crossflow; jet

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2溢油扩散事故的预防预测手段及发展现状 1

1.2 国内外的研究现状分析 2

1.2.1国外研究现状分析 2

1.2.2国内发展状况 2

1.3本文的主要研究目的和内容 4

1.3.1研究目标 4

1.3.2研究内容 4

第二章 近场溢油扩散数学模型 5

2.1 守恒方程 5

2.2 输送方程 6

2.3 湍流模型 7

2.2 求解策略 7

第三章 近场溢油扩散的运动特性 7

3.1 物理模型 7

3.1.1 计算流域及网格划分 7

3.2 网格的合理性检验 8

3.3 仿真参数及模拟验证 9

3.3.1 仿真参数及边界条件 9

3.3.2 模型合理性验证 11

第四章 近场溢油扩散的运动特性 13

4.1 流域横向水流速度及溢油初始速度的影响 13

4.2 水油速度变化下的浓度分布 13

4.2.1 溢油在漏孔纵向的浓度分布 13

4.2.2 溢油在漏孔横向的浓度分布 23

4.3 水油速度变化下的速度矢量 30

4.3.1 溢油在漏孔纵向的速度矢量 31

4.3.2 溢油在漏孔横向的速度矢量 39

4.4 溢油在漏孔面浓度的定量分析 46

4.4.1 纵面上的油浓度分析 47

4.4.2 横面上的油浓度分析 49

第五章 总结 53

参考文献 54

致谢 55

绪论

1.1研究背景及意义

由于新兴产业的起步以及极速成果的完善，近些年来，人们对物质资源的需求不断扩大，对海洋资源的开拓不断加重，水上运输成为了生活中不可或缺的运输手段。与此同时，越来越多的海上钻井平台出现，在促进经济增长的同时，也增加了溢油事故的风险。溢油事故会给海域的生态环境造成极多的消极影响：大量泄露出的原油会覆盖在海面上，导致在这片海域氧含量急剧下降，影响海域的生产发展；浮油会在风力和潮汐的影响下会蔓延到海岸，破坏养殖业等各种生产发展，污染旅游海滩，造成极大的经济和环境损失；烃类物质聚集和长时间的积累，也会危害人和牲畜的健康，使生存环境变得恶劣^[1]。开始到完全消除影响结束所需要的周期相当长，只要事故发生，就应在第一时间作出反应检测到，并根据事故发生前的预测采取相应的应对方法来尽量降低相关的影响和后续的危害^[2]。

溢油从裂孔中垂直射出然后在水中扩散并游离在表面，在水面上的油粒子和杂质沉淀粒子会长时间的存在会影响生态^[3]，进入水域的氧气和光线会受到阻碍作用干扰植物的代谢，造成连锁效应会使动物也受到生存危机，破坏海洋环境和发展条件^[4]。在水域范围内溢油会被潮汐、风浪、海岸线地理条件等多方面的动力因素影响^[5]。