海流作用下海底管道溢油扩散实验研究

采用物理模型试验研究了海流作用下海底输油管道溢油扩散特性。水槽中的原油从管道的泄漏点溢出,并从海底扩散到海面。采用非接触式光学测量技术,设计了图像采集与数据分析系统,研究原油泄漏机理和特性。通过该系统获得了溢油的轨迹、速度和海面上升时间。从定性和定量两个角度分析了水流和溢油量对溢油行为的影响。之后给出了特征物理量对各种因素的敏感性研究。溢油在水下主要以不同粒径的散状颗粒的形式分布。原油的上升过程可分为三个阶段：饱满、分散和聚集阶段。溢油量是影响油粒子上升时间的主要因素。在油粒子的上升过程中,原油的垂直速度主要受溢油量的影响,横向速度则更依赖于水流速度。不同水流与溢油量下,横向溢油速度的偏差远大于海面上升时间和垂直溢油速度的偏差。该研究可为溢油应急预测系统提供理论参考。     

应用切割单元法对海底管道局部冲刷数值模拟

采用SIMPLEC算法的有限体积法,求解非定常流动的N-S方程,采用k-ω紊流模型,通过模拟均匀无粘性推移质的冲刷和淤积,得到海底管道由搁置在海床上的状态变为悬跨状态这一过程的管道周围局部海床冲刷情况,建立了海底管道局部冲刷的二维数值模型。海底管道从搁置在底床上到冲刷悬空的过程中,管道周围的空间产生了拓扑变化,这给采用贴体网格并在计算过程中进行网格重构的传统方法带来了很大困难,而采用切割单元法,把物体轮廓从静止的背景直角坐标结构化网格中切割出去,计算过程中不需要传统意义的网格重构过程。数值模型预测的海底管道周围局部冲刷结果与Mao的物理模型实验实测结果及Liang和Cheng等的数值模拟结果符合较好,验证了模型的准确性。     

海底石油管道溢油的生态风险及防范对策

与油轮事故相比,由海底输油管道泄漏造成的溢油风险并未被人重视。作者通过石油泄漏风险、生态危害、风险防范等几个方面论述了海底石油管道溢油的生态风险,以期为海洋石油开采、海底石油管线输运等海洋工程提供环境影响评价参考。在海底石油管道设计、运营等分析基础上,将海底石油管道泄漏风险来源归结为腐蚀、外力损伤、工程质量、海底水文泥沙地形地貌等方面。认为海底输油管道泄漏造成的生态风险包括:海洋生态结构失衡、景观生态价值下降、沿岸人类的健康风险等几方面。并就海底石油管道泄漏的风险提出了防范对策。     

渤海湾海底输油管道溢油风险评估分析

渤海湾海底输油管道分布广泛,文章重点从渤海湾海底地形地貌、沉积物类型、水动力条件、海底冲淤变化等自然环境因素的角度,半定量化计算研究区海底输油管道溢油风险评估指标,划分不同区域海底管道的溢油风险等级。并以埕岛油田一条海底输油管道为例,根据实际调查资料核实该海底输油管道状况,分析其溢油风险。     

有限高度海底流滑体冲击桩基的数值模拟

海底滑坡长距离流滑过程中,对桩基础的冲击会威胁上部结构的安全.用幂律流体表征流滑体的特性,在雷诺数为0.1～120范围内,采用有限体积法,在三维数值模型中模拟流滑体对桩基础的冲击.考虑流滑体自由表面和自重,推导了新的包含拖曳力项、承载力项和自重项的冲击力表达式,并分析了三项在对冲击力的影响,结果表明:流滑体高度与桩体直...     

基于IDDES方法的冲刷地形海底管道绕流数值模拟

近年来,海底管道对于近海油气工业中碳氢化合物的运输十分重要,预测海底管道周围水动力特征对于研究管道损坏机理具有重要意义。基于Spalart-Allmaras改进延迟分离涡模拟(improved detached eddy simulation,简称IDDES)湍流模型,利用开源OpenFOAM求解器计算单管冲刷过程中4个特征阶段管道周围水动力特征。在数值模拟中先计算了无圆管时均匀来流充分发展后的流场,依据该流场中进口流速分布设定有管道时的边界层及进口边界条件。通过将最终模拟结果与前人试验数据及数值模拟结果进行对比,表明了该模型计算结果相对于k-ε模型及LES模型更加贴合试验结果,验证了定义边界层方法的可靠性及IDDES模型在预测管道周围流场的适用性。模型计算结果显示,随着冲刷坑深度的逐渐增加,管道下游回流区会经历一个大幅缩减又逐渐扩大的过程,且逐渐关于圆管中心所在水平线对称;通过对不同冲刷阶段尾涡形态的分析表明,冲刷前期并没有涡脱产生,中期已经有产生涡脱的趋势,后期出现了明显的且较为稳定的涡脱。     

海底埋设高温管道隆起屈曲数值模拟研究

高温是引发海底管道整体屈曲失效的主要因素,而海床上存在的局部隆起使得高温埋设管道更加容易发生隆起屈曲。这里重点研究海底埋设高温管道发生隆起屈曲的临界温度载荷及其影响因素,提出了一种简化的数值模拟分析模型,同已有的相关实验结果比较表明,本方法可以较好地近似计算高温管道的隆起屈曲。基于本方法开展的参数分析,得到了管道覆土高度、混凝土配重层厚度、海床不平整对海底高温管道发生隆起屈曲的影响趋势。     

南海深水井喷溢油输移扩散的数值模拟研究

文章以假设发生在南海北部深水油气勘探开发海域的1 279 m深水井喷溢油事故为例,采用深海溢油输移扩散模型,以2020年冬季(1月)和夏季(7月)三维流场和海面风场为主要环境动力,数值模拟研究未实施和实施海底消油剂处理情景下的溢油在海洋环境中的输移扩散全过程。模拟结果显示：不同深度的海流对溢油输移轨迹有着显著的影响;深水环境中,流速较小,井喷形成的浮射流能够向上输移较长距离;随着水深变浅,流速增强,流向多变,水中不同粒径的油滴以摇摆或螺旋轨迹向上浮升;在表层海流和冬季或夏季盛行风的共同作用下,海面油膜主要往下风向方向漂移扩散;实施海底消油剂处理措施后,水中油滴扩散范围较未处理时的更大,其中微小粒径油滴将在深水环境中长时间悬浮输移。结果可为今后南海深海溢油输移扩散规律的深入研究提供参考。     

渤海海上溢油漂移扩散数值模拟研究

近几年渤海海上溢油突发事件频发,对海洋环境造成严重的污染。本文将业务化气象数值模型(Weather Research and Forecast model,WRF)、海流数值模型(Regional Ocean Model System,ROMS)的数值预报结果作为海洋环境驱动场,采用"油粒子"的海上溢油漂移扩散数值模拟方法,对在渤海发生的溢油扩散行为进行模拟预测。本文针对渤海溢油事件,设计敏感试验,研究不同风、流系数和网格分辨率对溢油扩散模拟结果的影响,获得适合于渤海的溢油数值模型参数,提高溢油漂移扩散预报的准确度,为海洋溢油应急处置和防灾减灾提供技术支持。     

基于风险的海底管道安全评估方法研究

海底管道系统技术复杂、安全性要求高、环境多变,从设计阶段开始一直到生产运行的全过程,始终存在各种风险。考虑到海底管道的这一特点,风险评估方法应该既要考虑理论分析又要重视工程经验的多方面、多层次的综合性评估方法。论文从分析海底管道失效因素入手,重点研究了海底管道风险评估的流程及风险等级的划分方法,为海底管道完整性管理提供了一种实用的评估方法,同时结合工程实例对一运行中的海底管道进行了风险评估。     

基于MIKE SA模型的厦门西港海域溢油影响的数值模拟研究

基于MIKE SA溢油模块,以燃料油为油种,建立了厦门西港海域溢油模型,模拟静风、主导风向（东北东风）和不利风向（西南风）3种风场条件下,一个潮周期内涨急、高潮、落急和低潮4个时段发生10 t溢油后油膜的漂移路径和影响范围.结果显示,发生在厦门西港海域的溢油在海面的漂移过程主要受潮流和风的影响,其中潮流起着主导作用.不同风向条件下,24 h内油膜的影响范围不同,静风条件下溢油浓度超一类（或二类,≥0.05 mg/dm3）、超三类（≥0.30 mg/dm3）和超四类（≥0.50 mg/dm3）的总影响面积分别为31.33、19.63和11.74 km2;主导风向条件下溢油浓度超一类（或二类）、超三类和超四类的总影响面积分别为99.62、69.01和8.99 km2;不利风向溢油浓度超一类（或二类）、超三类和超四类的总影响面积分别为8.38、5.05和2.10 km2.该预测结果可给出溢油事故发生后的影响范围、影响程度和影响敏感目标的时间,可为溢油事故应急决策的制定及溢油损害评估提供科学决策和支持,提升厦门海域环境风险管理应急能力建设.     

Exchange flow of oil and sea-water in a ruptured submarine pipeline

The rupture of a submarine oil pipeline starts various mechanisms leading to an oil spill. Among these mechanisms the leakage of oil driven by the difference in specific gravities of oil and sea-water is difficult to estimate. A simple mathematical model has been developed and laboratory experiments have been carried out to obtain an insight into the density-driven exchange flow and to determine the leak rate. The mathematical model is predictive and takes account of the effects of friction, inclination of the pipeline, and inertia of the fluid. The experiments were done in a horizontal model pipeline. Theoretical and experimental results are in satisfactory agreement.     

水下溢油数值模拟研究

基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立了一个水下溢油数值模型。该溢油模型由两个子模型组成:羽流动力模型和对流扩散模型,其中羽流动力模型用以模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段;对流扩散模型用以模拟溢油的对流扩散阶段。通过数值实验,结合实验室水槽实验和水下溢油现场实验的观测资料进行模型验证。实验结果表明,模拟结果与观测资料一致性较好,从而验证了本文溢油模型的合理性和准确性;羽流动力模型为对流扩散模型提供源,海流、海水的垂向密度结构和油滴的直径分布是影响溢油在对流扩散阶段运动和分布的主要因素。     

海洋溢油溯源数值模拟方法的研究进展

海洋溢油溯源数值模拟可以为海上溢油事故的应急处置提供技术支撑,同时对确定溢油事故的泄漏源和责任方也具有重要的指导意义。本文概述了海洋溢油溯源数值模拟方法的最新研究成果,总结分析了包括对流扩散过程的逆运算、受体模式、粒子追踪模式和垂向溯源方法等在内的四类数值模拟方法的基础理论和研究进展。同时,归纳了三种常用的溢油溯源数值模拟结果分析方法,并给出了每种方法的优缺点及其对应的适用条件。在分析海洋溢油溯源数值模拟方法应用现状的基础上,初步探讨面临的挑战。这对全面理解溢油溯源数值模拟方法的理论和应用提供了重要参考,并可为相关工作和后续数值模拟方法的改进奠定基础。     

波浪式拖管法铺设海底管道力学性能研究

海底管道铺设是海洋油气资源开发的重要环节,传统的拖管法不能很好地适应海洋深度和复杂环境的变化。针对 Acergy公司在Girassol项目中提出的一种波浪式拖管方法,对其应用于2.0 km 长海底管道铺设进行分析。首先,结合深水海洋环境特征,采用集中质量法建立管道拖航数值模型,并介绍管道、拖缆和浮筒力学计算及水动力荷载计算方法;其次,基于非线性有限元OrcaFlex软件对拖管过程建模,以模拟实际项目拖管过程;然后,通过对比相同条件下的单波式和双波式两种拖管方式,探讨管道和拖缆的动态力学性能变化;最后,针对不同浮重比、拖航速度、拖缆长度和悬垂角、海流流速和流向角等因素展开敏感性分析。结果表明：波浪式拖管法可以有效地降低施工时对拖缆的张力需求,但也会因此增加管道局部弯矩和应力响应;相对于单波式拖管,双波式拖管在缓解由于拖航速度等变化而产生的管道局部损伤效应上更有优势,并能较好地适应不同水深环境;复杂的海流工况对拖航时管道的力学性能影响十分显著,施工前应选择合适的铺设窗口期以防止管道产生损伤。     

往复流作用下海底管道局部冲刷机制数值模拟

基于开源的计算流体力学模式REEF3D,建立了海底管道局部冲刷水槽数值模型,在验证单向流实验结果的基础上,进一步对往复流作用下的海底管道局部冲刷机制进行了研究,并作对比分析。研究表明,总体上往复流对管道所在海床的局部冲刷规模比单向流弱。当流向改变后,原先下游的堆积区转变成上游,优先受到冲刷,并填充到管道下方的冲刷坑,同时使水流在管道下方的作用减弱。这种回填过程使短周期下的往复流作用需要更长的冲淤平衡时间。在回填与冲刷的共同作用下,上下游的冲刷坑坡度会因流向变化而变化。