海底管道水下气体扩散FLUENT仿真分析.pdf

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1、第3l卷第3期海洋技术V01．31．No．31Q!兰笙!旦Q璺垦垒堕!垦堡望堕Q垦Q鱼!皇P!垫!兰海底管道水下气体扩散FLUENT仿真分析景海泳，余建星，杜尊峰，周清基，郝晓楠，龚凡明(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要：海底管道气体扩散到自由表面的半径及泉涌高度是进行水下气体泄漏风险分析的关筻因素。利用FLUENT软件中的VOF模型和DPM模型耦合方式。对海底管道气体竖向扩散进行了仿真。模拟了水气两相交界面的行为．研究了气泡粒子扩散过程，分析了气泡粒子的扩散半径及轴向位移。讨论了不

2、同泄漏速率对水下气体上升时间及水气两相交界面中泉涌高度的影响。通过模型中的水气两相交界面中采涌高度和上升时间与实验结果的比较，验证了模型在一定条件下的正确性。关键词：水下气体扩散；FLUENT；采涌高度；多相中图分类号：TE58文献标志码：B文章编号：1003-2029(2012)03-0082—04伴随着经济全球化的进程、陆上资源的锐减及海洋技术的进一步发展，人们对海洋资源开采利用逐步扩大，随着工程量的增多，各种事故也不断的发生。近年来，由于海底油气泄漏扩散所带来的经济损失越来越多，如2011年6月渤海湾蓬莱19

3、—3油田作业区B平台、c平台先后发生两起漏油事故所造成的经济损失达数亿元。海底管道气体扩散对现役平台的操作安全性、资产完整性及第三方安全都构成了威胁，因此人们逐渐开始关注海底管道气体泄漏后扩散的风险评估与风险控制【I】。气体在自由水面上的扩散半径和泉涌高度是评价气体泄漏后在自由表面扩散范围的重要参数，是进行水下气体扩散风险评估和风险控制分析的关键因素。因此准确获得气体扩散半径及泉涌高度是整个分析流程的关键环节。Mc—Dougalll2l，Fannelop&Sjoenl3I和Milgramsj等建立了气泡羽流模型，并

4、通过大量的实验研究得出了气泡扩散半径的经验公式。基于欧拉一欧拉方法的VOF(流体体积函数VolumeofFluid)模型和基于欧拉—拉格朗日方法的DPM(离散相模型DiscretePhaseModel)模型是FLUENT中求解多相流问题的典型模型。将VOF模型和DPM模型耦合起来。一方面解决了水一气两欧拉相在自由表面上相互作用行为；另一方面能够模拟泄漏的气体羽流。根据仿真模型模拟出的水下气体扩散半径和泉涌高度，可用于风险评估和风险控制的初步研究，并结合实验数据对气泡羽流泉涌高度进行了对比校核。1理论模型水下油气扩散

5、已成为海洋油气工业相当严峻的问题。海底井喷，管道破裂泄漏制约了海洋工程发展。由于气体的密度比海水小。在浅水的条件下，通常会上升到水面，并浮出水面扩散到空气中。图l显示了气体泄漏后扩散路径。大量的实验研究已经证明羽流尖角大致在180，但是绝大多数的气体处在羽流尖角12．60以内[51。泄漏率及上升时间对扩散半径的影响相对较小，主要是对浮出水面的速率产生影响。因此，通常认定自由表面气泡流的扩散半径为：∥=tan(12．6。／2)-．／／"(1)式中：尺‘为气泡扩散到自由水面的半径(m)；日为水深(m)。墙收稿日期：20

6、12—04—23基金项目：国家科技重大专项资助项(2008ZX05026-005，2008ZX05026—006)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项111(51021004)；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目作者简介：景海泳(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为海底管道分析、工程风险评估与控制等。Email：haiyongjing@126．corn图3泉滴高度髓时间变化图图4气泡轴向位移ij洋技术第3l卷图5气泡环向位移由图3可知，该模型中在气泡泄漏扩散68内，自由表面问相互作用

7、并不明显，在交界面处出现带状的两相掺杂的区域，随着气泡的扩散，自由表面以下的水体在泄漏中心区域向上凸起，经历一段时间后该凸起的高度回落到一定的稳定位置上。该现象与气泡生成过程中气泡脱离水面的过程保持一致。图4和图5显示了气泡粒子上升过程中位移与时间的关系。通过图4可知，部分气泡粒子上升的高度达到了设定水深的时间段与图3中自由表面泉涌高度达到较稳定的时间基本吻合。图5显示了气泡的最大环向位移为4．23rn附近，大量的气泡集中在2．84m以下，通过与式(1)经验公式求得2．75m相比，仿真结果比较准确。图6显示了泄漏率

8、与扩散半径的关系，随着泄漏率增大，扩散半径逐渐增大，但数值在计算扩散半径的经验公式值附近波动。通过实验．能够验证模型的准确性与否。在6mx9mx7m的水池中进行实验模拟，水池中填满水。气体分别以50队、100Us、450Us的释放速率从水池底部释放。入口由带有快速行动活塞的释放阀组成，能够按照要求垂直注入气体，达；，一◆一◆厂／j'、／T0o．1O．203O