海上溢油跟踪定位浮标参数分析及技术优化研究-论文.pdf

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1、第43卷第4期船海工程Vo1．43No．42014年8月SHIP&0CEANENGINEERINGAug．2014DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2014．04．024海上溢油跟踪定位浮标参数分析及技术优化研究杨瑞，刘寅东，顾群。王云强(1．交通运输部水运科学研究院，北京100088；2．大连海事大学，辽宁大连116026)摘要：为提高溢油浮标跟踪海上溢油油膜的精度，基于溢油浮标跟踪油膜的水动力学机理，对溢油浮标的尺寸、重量、海域位置等参数进行分析及优化，研究表明，可以根据浮标应用地理位置、海况及溢油油

2、膜本身的性质，有针对性地选择最优的浮标设计参数，以提高溢油跟踪预测的准确性。关键词：溢油浮标；溢油跟踪；风系数；CFD中图分类号：U698．7文献标志码：A文章编号：1671．7953(2014)04-0101-04对溢油进行监视和跟踪，准确掌握溢油运动l，。——距海面10m处风速，为风系数，通的位置、速度和方向是妥善处理溢油事故的前提，常经由海上实测的方式获得。通常采用的方法是漂流浮标跟踪油膜。国内外关1．2等效风速于溢油模型的研究已经开展了多年。2004年国海面附近的风受海面的摩擦作用，风速的铅家863项目成果“小型多参数海

3、洋环境监测浮直方向上的分布是不均匀的，这里采用等效风速标”在青岛近海海域进行海上布放和试验，标志的概念：对于受风高度为h的模型，受到的等效风着浮标的性能通过考验，但该浮标体积大，主要用速取迎风轮廓形心高度的风速_5]，其等效风速可于定点监测，不适用于海上溢油的漂移跟踪¨引。表示为如果能在此基础上，进一步对浮标风系数随浮标参数影响的变化规律进行系统的分析研究，就能Va_(1()丁(2)够根据不同水域的地理位置、海况、溢油油膜性质式中：Va——等效风速；等参数对适用的跟踪浮标参数进行定量分析，对——海面模型受风高度。溢油浮标的优化设

4、计及准确跟踪溢油都具有实际1．3海流速度意义。表层海流的速度是潮流速度和风生流的矢量l溢油浮标的水动力分析和，在垂直方向上，该速度是一个变量，本文采用表面流速代替作用在浮标上的海流流速，海流流1．1漂移模型速可表示为油膜在海面上漂移主要受到海面洋流和风力'，t：l，+0[1，10(3)的共同作用，溢油模型中溢油漂移速度可被定义式中：l，——表层海流的速度；为表层潮流速度和距海面10m处风速百分率的矢量和J，即——风生流系数6J，计算公式0为l，0=l，+∈l，10(1)：=——===(l4q)J式中：vo——溢油漂移速度；,／s

5、in0l，——表层潮流速度；式中：——海流纬度。1．4水动力平衡方程在表层海水中溢油浮标受到来自水面以上海收稿日期：2014—01—26风的作用力和水面以下海水的作用力的共同作修回日期：2014—02—18资助项目：国家科技支撑计划(2012BAC14B05)用。溢油浮标完全跟踪溢油油膜，是指溢油浮标第一作者简介：杨瑞(1979一)，男，硕士，副研究员与油膜相同速度运动，并且浮标达到受力平衡。研究方向：水上溢油应急技术研究及装备研发1．4．1海水对浮标的作用力E-mail：yangr@wti．ac．ca海水对溢油浮标的作用力可表

6、示为】01第4期船海_T程第43卷Fr=[(—)]A⋯C(5)2·1迎水面积、迎风面积和水面高度图l为球形浮标漂浮于水面式中：F⋯——海水对浮标的作用力；Pwat~r——海水的密度；f一A。——迎水面积；f／1一C——浮标的海水阻力系数。1．4．2风对浮标的作用力风对溢油浮标的作用力可表示为图1球形浮标示意1．F=i(i一t)0)A2C(6)2．2几何建模与网格划分厶采用Gambit软件建立各个浮标水上部分及式中：F——风对浮标的作用力；水下部分模型并进行网格划分。罔2、3为球形浮p——海面空气的密度；标水上部分和水下部分网格划

7、分。Uair——海面风速；A——迎风面积；C——浮标的空气阻力系数。其中，风速i的铅直分布可表示为Vair=。)()(7)}一I式巾：^——浮标水面以上高度。图2球形浮标水上部分网格划分显然等效相对风速的方向与风向相同。1．4．3浮标受力平衡当浮标匀速运动时，其受到的海水阻力与风推力平衡I，得P[(—a)10]A1CD=Pi(i一o)A2cD(8)因为<<1，进一步整理得到()t()丁2．3模型图计3球形浮标水下部分网格划分=算利用Fluent软件计算浮标水上部分和水下部令：()÷测溢油浮标的分的阻力系数。图4、5为球形浮标水上

8、部分和水下部分计算模型。平衡方程可简化为=(10)2溢油浮标风系数计算方法根据水动力平衡方程，空气和海水的密度可以根据温度(本文计算温度为l5oC)查出；迎水图4球形浮标水上部分计算模型面积A、迎风面积A和水面高度h根据可根据浮标的几何尺寸计算；浮标阻力系数C。