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水下輸油管微孔溢油的實驗研究

文檔作者：臧曉剛1 張軍2 陳懷民2 盧盛燦1 文檔來源： 1.集美大學輪機工程學院 2.集美大學機械與能源工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月27日
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海 洋 技 術 學 報 第 35 卷
水下輸油管微孔溢油的實驗研究
臧曉剛1，張軍2*，陳懷民2，盧盛燦1
（1.集美大學輪機工程學院，福建廈門361021：2.集美大學機械與能源工程學院，福建廈門361021）
摘要：目前大部分溢油研究都是針對大孔徑泄漏進行的。文中對水下管道微孔(直徑小于5 mm
的孔)泄漏溢油進行了實驗研究，獲得了不同尺寸微孔泄漏與出流系數(shù)的關系、不同泄漏量時溢油
油滴上升至水面的時間以及泄漏產生的浮羽射流的形態(tài)。實驗結果表明，出流系數(shù)會隨著泄漏孔
孔徑的增大而變大，而泄漏量的增加則會明顯縮短溢油上浮至水面的時間，增大羽射流寬度。研
究對水下微孔泄漏的溢油擴散提供了實驗參考，為今后微孔溢油的相關研究打下基礎。
關鍵詞： 水下管道；微孔溢油；實驗研究
中圖分類號：TE832 文獻標志碼：A 文章編號：1003-2029(2016)02-0104-05
收稿日期：2015-12-15
基金項目：福建省自然科學基金資助項目（2014J01201）；福建省科技計劃資助項目（2014H6019）
作者簡介：臧曉剛（1991-），碩士研究生，主要從事海底油氣溢漏研究。E-mail：249167413@qq.com
通訊作者：張軍（1966-），博士，副教授，主要研究方向為多相流體流動、流體靜電霧化技術、海洋能利用、流體機械優(yōu)化等。
E-mail：bull0202@sina.com
隨著海上石油開采業(yè)的快速興起，水下溢油的
風險也隨之提高。水下溢油會對漁業(yè)、水產養(yǎng)殖業(yè)
以及海洋環(huán)境造成致命傷害。因此在海底輸油管道
泄漏方面開展一定的研究，為海底溢油的預防、溢
油應急處理以及環(huán)境損害評估提供參考是十分必
要的。從20 世紀70 年代起，國外已經開始對海洋
溢油問題進行系統(tǒng)研究。挪威Johansen 等[1]建立了
DEEPFLOW 水下溢油模型并在挪威附近海域利用
實地實驗對模型進行了驗證；美國克拉克森大學的
Yapa和Zheng 等人[2-3]在21 世紀初建立了一個比較
完善的溢油模型CDOG，該模型考慮到了溢油的擴
散、溶解以及卷吸的作用，能夠模擬溢油在海洋環(huán)
境中復雜的行為動態(tài)。近20多年，國內學者也開展
了海底溢油的相關研究。汪守東和沈永明[4]對Yapa
的CDOG 模型進行推廣，并在其基礎上考慮了溢油
的乳化作用；廖國祥[5]建立了水下油氣溢漏事故污
染物的輸移預測模型，該模型能夠模擬污染物在密
度分層、流速分層的真實情況下油氣輸移分離的動
態(tài)行為；王晶[6]對海底管線溢油在水中運移擴散過
程以及影響其擴散的主要因素進行研究，分析了各
種因素對所形成油滴尺寸的影響情況。上述研究均
是針對水下大流量泄漏而產生的溢油，對管道微孔
泄漏未必適用。微孔是指海底管道因腐蝕或焊接問
題而產生的孔徑小于5 mm 的溢油孔，微孔泄漏由
于泄漏量小，很難被發(fā)現(xiàn)，對環(huán)境的破壞具有長期
性的特點，因此不容忽視。鑒于此，本文對靜水箱中
輸油管的微孔溢油在水體中的擴散行為進行了實
驗研究。
1 實驗系統(tǒng)
實驗采用尺寸200 cm伊100 cm伊180 cm 的透明
亞克力材質水箱，在距離水箱底部30 cm 的位置安
裝管徑為42 mm 的透明PVC 圓管作為實驗段，
在實驗段中間位置的管道上方分別鉆取直徑為
2 mm，2.5 mm 以及3 mm 的微孔作為溢油孔，依靠
螺釘控制每個孔的開閉，孔兩側各布置一臺壓強傳
感器以及流量計。實驗段與油泵相連接，二者之間
安裝流量調節(jié)閥調節(jié)管路流量，通過油箱與實驗段
間的壓力調節(jié)閥調節(jié)實驗段壓強。實驗裝置示意圖
如圖1 所示。
第35 卷第2期
2016 年4 月
海洋技術學報
JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGY Vol. 35，No.2
Apr，2016
doi:10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.019
實驗過程中先將油泵開啟，待油路系統(tǒng)充滿油
后，通過調節(jié)油路中的壓力調節(jié)閥并觀察計算機所
采集的壓力傳感器讀數(shù)將溢油孔處的壓強調節(jié)到
實驗所需值，待壓強穩(wěn)定后打開待測溢油孔處的螺
釘，同時操作計算機開始采集數(shù)據(jù)。溢油孔處的壓
強取溢油孔兩側壓強傳感器的平均值，泄漏流量通
過溢油孔前后兩臺流量計之間的差值確定。溢油圖
像由Sony ILCE-5100相機采集，相機錄像頻率為每
秒50 幀，相機直接與計算機相連并將圖像按幀輸
出，即可由水槽外壁的透明標尺按比例計算得出油
滴的上升距離、羽流的形態(tài)和到達水面所需時間。
實驗過程中保持溢油孔與水面間距離為60 cm，
溫度約為30 ℃，水槽內工質為水，實驗用油為0號柴
油，30 ℃下二者的密度、粘度等物性參數(shù)由表1給出。
2 實驗結果及分析
按照上述實驗配置，分別對2 mm，2.5 mm，
3 mm 3種溢油孔徑在不同泄漏量下的羽流形態(tài)、溢
油抵達水面的時間等進行分析，并討論了不同尺寸
微孔泄漏與出流系數(shù)的關系。
2.1 泄漏量對羽流形態(tài)的影響
圖2 為實驗過程中拍攝的不同泄漏量時油從
2.5 mm孔徑溢油孔泄漏所形成的羽射流形態(tài)圖片。
由圖2 可以看出，與大流量溢油情況下的油
柱射流不同，微孔溢油是以獨立油滴的形式進入
水體。由于微孔泄漏的溢油孔尺寸小，單位時間的
溢油量也非常小，因此溢油從孔中溢出后不會出
現(xiàn)大流量溢油情況下的油柱射流，而是直接進入
浮射羽流階段，即溢油從溢油孔泄漏后直接破碎
成細小的油滴，并在初始動量的推動下不斷擴散
開形成煙羽狀。
由實驗圖片可以看出，溢油量變大的同時，羽
流寬度隨之增加。這是因為溢油進入水體后，水油
之間形成了速度不連續(xù)的間斷面，在其后噴射出的
溢油的干擾下，間斷面失去穩(wěn)定而產生渦旋，渦旋
卷吸周圍流體進入羽流，同時不斷移動、變形、分
裂，并加劇紊動，從噴射口周邊開始沿程形成內外
自由紊動混合層[7]。在卷吸作用下，溢油帶動周圍流
體一起向前運動，這一過程中不斷有水進入到羽流
內部，進行質量和動量的交換。溢油與周圍流體發(fā)
生摻混的同時, 其射流區(qū)域不斷擴大，流量沿程增
加，所以隨著羽流的上浮，其寬度延程增大。隨著溢
油量的增大，溢油進入水體時的初速度也不斷增
加，溢油的初始動量也就越來越大，卷吸作用不斷
加劇，因此會將更多的水摻混進羽流中，所以溢油
1.實驗水箱2.油泵3.油箱4.流量調節(jié)閥5.壓力調節(jié)閥
6.流量計7.壓強傳感器8.泄漏孔
圖1 實驗配置簡圖
表1 30 ℃下實驗所用0 號柴油、水物性參數(shù)表
工質籽/kg窯m-3 滋/Pa窯s 滓/N窯m-1
0 號柴油815 0.004 26 0.032 8
水995 0.000 81 0.071 2
圖2 不同泄漏量時的羽射流形態(tài)
（a）Q=3.84×10-6 m3/s （b）Q=7.49×10-6 m3/s
（c）Q=1.01×10-5 m3/s （d）Q=1.48×10-5 m3/s
第 2 期 臧曉剛，等：水下輸油管微孔溢油的實驗研究 105
海 洋 技 術 學 報 第 35 卷
量變大的同時，羽流寬度隨之變寬。
從實驗圖片中可以明顯看出，當泄漏量為
3.84伊10-6 m3/s 時，油滴尺寸較大，油滴顆粒分明；當
泄漏量增大為7.49伊10-6 m3/s時油滴尺寸明顯變小，
但油滴顆粒依然比較分散；泄漏量繼續(xù)增大至
1.01伊10-5 m3/s 時油滴尺寸繼續(xù)變小，此時羽射流中
心已經開始略有霧化，難以區(qū)分單個油滴，但羽射
流外側油滴顆粒依然可以憑肉眼辨別；當泄漏量增
大至1.48伊10-5 m3/s時油滴直徑變得十分細小，此時
羽射流已接近霧化，憑肉眼難以分辨單個油滴。由
此不難看出，在同一孔口直徑下，隨著流量的增加，
油滴的直徑不斷地減小。油滴破碎的過程實際上是
羽射流動能與油滴表面能相互作用的過程。隨著泄
漏量的增加，羽射流所具有的動能越來越大，油滴
在克服表面張力做功的過程中將動能轉化為表面
能，羽射流的動能越大，轉化后油滴所具有的表面
能也就越多，而油滴的表面能與其面積成正比，因
此油滴會在動能轉化為表面能的過程中不斷破碎
成更細小的油滴以增大其表面積，所以泄漏量增大
的同時，油滴的直徑會不斷減小。
圖3 為溢油量為8.64伊10-6 m3/s 時泄漏孔孔徑d
分別為3 mm，2.5 mm和2 mm時的溢油羽射流圖片。
通過實驗觀測發(fā)現(xiàn)，孔口大小對油滴尺寸有較
大影響。從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，對于一定流量的油通
過泄漏孔進入水體的這一過程來說，隨著孔口直徑
的增加，油滴的直徑顯著增大。由文獻[7]可知，表面
張力與孔口直徑成正比，在相同泄漏量的情況下，
隨著孔口直徑的增加，油滴所受的表面張力也逐漸
增大，而表面張力是液滴在孔口處所受的主要阻
力，油滴只有產生足夠大的浮力來抵消這一阻力才
能脫離孔口，而浮力又與油滴的尺寸成正比，因此
油滴會在孔口處不斷積累直至體積足夠大以產生
相應的浮力抵消表面張力的束縛。所以隨著泄漏孔
孔徑的增大，油滴尺寸也會增大。
2.2 泄漏點處壓差與泄漏量的關系
泄漏點處液體泄漏量可以用伯努利方程計算
得出。計算過程中可以將微孔溢油看做小孔泄流的
過程，忽略掉小孔不規(guī)則處，將其簡化成圓柱體，其
長度等于管壁厚度，則小孔出流量可用下式計算：
Q=滋仔d2
4 2△p
籽oil
（1）
式中：Q 為每秒溢油的體積；滋為出流系數(shù)，其
值隨工況的不同而變化，通常由實驗測得；d 為溢油
孔直徑；△p 為孔內外壓強差，其中孔內壓強可由壓
力傳感器測得，孔外壓強可根據(jù)水面高度求出；籽oil
為管內油密度。
圖4 是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，利用計算機軟件擬合求
得的3種不同孔徑下壓差與泄漏量的關系情況。經
計算求得當溢油孔孔徑分別為2.0 mm，2.5 mm 和
3.0 mm時，出流系數(shù)滋分別為0.73，0.76和0.82。
圖3 相同泄漏量下不同孔徑的泄漏形態(tài)對比
（a）d=3 mm （b）d=2.5 mm （c）d=2 mm
圖4 不同孔徑下管內外壓差對泄漏量的影響
d=2.0 mm時壓差與泄漏量的關系
駐P/Pa
駐P/Pa
駐P/Pa
d=2.5 mm時壓差與泄漏量的關系
d=3.0 mm時壓差與泄漏量的關系
滋=0.73
滋=0.76
滋=0.82
106
可以看出，出流系數(shù)滋會隨著孔徑的增大而增
大。對于粘性流體而言，其他條件不變的情況下，邊
界層厚度一定，孔口面積越大，邊界層所占的權重
也就越小，邊界層所引起的能量損失占總能量損失
的比重也就越來越小，因此出流系數(shù)會隨著泄漏孔
孔徑的增大而增大。
2.3 不同泄漏量下油滴上浮到達水面時間
實驗過程由安裝在溢油孔正前方的Sony
ILCE-5100數(shù)碼攝像機拍攝，相機直接與計算機相
連并將錄像按幀輸出，由此計算得出各孔徑在不同
泄漏量下首粒油滴到達水面所需時間。由于相機錄
像頻率為每秒50 幀，即每隔0.02 s 采集一幀圖像，
而溢油上浮至水面所需時間以秒計量，因此由此方
法測得溢油上浮至水面的時間精度較高，對結果的
影響較小，所測得時間值準確度較高。最終得出各
孔徑在不同泄漏量下首粒油滴到達水面所需時間
如圖5 所示。由實驗結果可知，在孔徑不變的情況
下，隨著溢油孔單位時間溢油量的增加，首粒油滴
到達水面的時間有明顯縮短的趨勢；在泄漏量相同
的情況下，泄漏孔孔徑增加，溢油上浮至水面的時
間縮短。
在微孔泄漏過程中，溢油的動量變化情況大致
可以分成兩個階段。第一階段，溢油在泄漏源的壓
力作用下進入水體中并立即破碎成為細小的油滴,
它們在初始動量和水體浮力共同作用下形成浮射
流并處于主動輸移狀態(tài)，這一階段的總動量以其初
始動量為主，稱為浮射流階段；浮升至一定高度的
油滴在失去初始射流動量后, 則只在浮力的作用下
在垂直方向向上遷移，這一過程屬于第二階段，稱
為羽流階段，此時油滴所具有的總動量以浮力所產
生的動量為主。由于本實驗溢油孔與水面之間的距
離較短，油滴群進入羽流階段時已經接近水面，因
此在溢油上升的過程中浮射流階段對油滴上升至
水面所需的時間影響較大，羽流階段對其影響較
小，也就是說初始動量的大小對油滴上浮至水面所
需時間的長短起到了決定性作用。單位時間內的泄
漏量越大，溢油上浮至水面所需的時間就越短，這
是因為在浮射流階段，泄漏量的增大導致了溢油整
體的初始動量增加，因此溢油在泄漏點處的初始速
度也較大，在上浮距離一定的條件下，初始速度越
大，油滴上浮至水面所需時間也就越短。
由前述可知，在泄漏量相同的情況下，泄漏孔
孔徑越大，所產生的油滴尺寸也就越大，而油滴所
受浮力大小與油滴的體積直接相關，因此油滴的尺
寸增大會明顯導致其所受浮力增大，而浮力越大，
其上升時的加速度也就越大，距離一定，上升時間
必然縮短。因此溢油孔孔徑增大，溢油上浮至水面
所需的時間會明顯縮短。
3 結論
對本文實驗研究進行分析，可得以下結論：
（1）當溢油過程屬于微孔泄漏時，溢油不會形
成連續(xù)的油柱，而是以油滴的形式進入水體。相同
溢油孔徑的情況下，單位時間內的泄漏量越大，所
形成的羽流寬度越寬，產生的油滴越細小；而泄漏
量相同時，溢油孔尺寸越大，油滴直徑也就越大。
（2）通過實驗所得數(shù)據(jù)，借助計算機進行擬
合，發(fā)現(xiàn)微孔泄漏的出流系數(shù)會隨著溢油孔尺寸的
增大而增大。
（3）單位時間溢油的泄漏量對油滴上浮至水
面的時間影響較大，單位時間內溢油量越大，油滴
上浮至水面所需的時間越短。相同泄漏量下，泄漏
孔孔徑越大，油滴上浮至水面所需的時間也越短。
由于實驗條件有限，本文只探討了淺水區(qū)域輸
油管路微孔溢油的擴散特性。深海溢油過程由于會
產生大量水合物，而生成水合物這一過程對溢油的
擴散過程又有較大影響，因此本實驗結論只適用于
淺水區(qū)域輸油管路微孔溢油情況。針對深水區(qū)微孔
溢油的擴散特性情況有待做進一步研究。
圖5 不同泄露量下油滴到達水面的時間
d=2.0 mm d=2.5 mm d=3.0 mm
Q/m3·s-1
第 2 期 臧曉剛，等：水下輸油管微孔溢油的實驗研究 107
海 洋 技 術 學 報 第 35 卷
參考文獻：
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Experimental Study on Oil Spill through Micropores in Underwater Pipeline
ZANG Xiao-gang1, ZHANG Jun2, CHEN Huai-min2, LU Sheng-can1
1. School of Marine Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian Province, China;
2. College of Mechanical and Energy Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian Province, China
Abstract：At present, most researches on oil spill are targeted at large amount of leakage through large apertures.
In this paper, an experiment on microporous (diameter less than 5 mm) underwater oil spill is carried out to
reveal the relationship between different sizes of micropores and flow coefficients, and the time that oil droplets
with different amounts of leakage spend to rise to the water surface. This paper also shows the form of floating
plume jets of different leakages. Experimental results show that the flow coefficient will increase while the
microporous diameter becomes larger. The increase of the amount of leakage will significantly shorten the time
that oil spend to rise to water surface, and increases the plume width. This paper provides an experimental
reference for the diffusion of oil spill through micropores in the water, and lays a solid foundation for future
research on microporous oil spill. Key words：underwater pipeline; microporous oil spill; experimental study
108

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