随着陆上资源日渐枯竭,人们将目光转移到了海洋,在不断加大力度对海上油气田进行开发的过程中,海底管路发挥了重要作用。但海底管路通常会由于海水侵蚀破损产生油气泄漏,从而对环境造成威胁。因此,准确了解溢油在海底的输运特性可以降低溢油回收难度,提高溢油清理效率,具有重要的意义。基于上述原因,本文对水下管道的单相油泄漏及油气混合泄漏的扩散特性进行了实验及模拟研究,主要工作如下:(1)对水下油管的单相泄漏进行了实验研究,实验结果表明泄漏孔大小对所形成油滴的尺寸有较大影响。在一定范围内,泄漏孔孔径越大,油滴尺寸也越大。对现有油滴尺寸估算公式进行验证,结果表明现有公式仅适用于油滴雷诺数较小的情况,对油滴雷诺数较大的情况并不适用。根据实验数据进行拟合,获得了不同泄漏孔的出流系数,实验结果表明出流系数随着孔径的增大而增大,并从边界层和小孔出流的角度对此进行解释。实验结果还表明,泄漏量对溢油上浮至水面的时间、羽射流初始夹角、羽射流宽度等都有显著影响:随着泄漏量的增大,溢油上浮至水面的时间明显缩短,羽射流的初始夹角和羽射流宽度均有不同程度的增加。此外,对垂直向下溢油的羽流动力学特性进行实验研究,并与向上溢油进行对比。(2)对单相油泄漏后的扩散特性进行了数值模拟,详细分析了不同时刻溢油在水体中的输移扩散状态,同时利用模拟得到的速度分布对卷吸过程进行了分析。(3)在上述基础上,考虑海流,对水下两相油气扩散特性进行了数值模拟,获得了相应的速度分布及压力分布。模拟结果表明,在压差的影响下,溢油会向海流来流方向运动,形成短时的“逆流”;同时对比结果表明,油气混合物在竖直方向的分速度并不受海流速度所影响,但海流速度对污染物的扩散范围、浮射流倾斜角度以及卷吸强度有较大的影响。海流速度越大,污染物上浮至水面时的横向扩散距离越远,浮射流与水平方向的夹角越小,油气混合物卷吸环境水体的程度越剧烈。(4)对不同含气率的油气混合物在海流作用下的扩散特性进行数值模拟,模拟结果表明,油气混合泄漏过程中,含气率对泄漏物的输运也有较大影响:含气率越大,溢油在竖直方向上升的速度越快,其在水下受到海流作用的时间也就越短,所以扩散范围相对较小;含气率越大,油滴越细小,油滴之间越分散,浮射流与水平方向夹角越大;含气率越大,受扰动的环境流体就越多,卷吸过程也就越剧烈。