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摘要：如今海上溢油事故已变得较为频繁，因此，海上溢油处理装置的优化设计显得日益重要。本文从数学模型、涉及软件等方面介绍了海上溢油处理装置进行数值模拟的方法；总结了围油栏、撇油器等溢油处理装置的相关数值模拟科研成果，为从事溢油回收处理装置优化设计研究的科研人员提供了参考依据。
关键词：溢油处理装置；围油栏；撇油器；数值模拟
0引言
近几年来，由于海上石油工业和海上油运业的飞速发展，海上溢油事故频繁发生。溢油对海洋生态环境影响很大。如2010年发生在美国墨西哥湾的深海地平线石油钻井平台爆炸事故，事故导致大量石油泄漏入海，给当地造成了巨大的经济损失和严重的生态环境灾难。再如2011年发生在我国渤海海域发生的蓬莱溢油事件，造成超过6200平方千米海水污染，是我国海洋资源开发以来发生的最严重的事故。因此，一旦发现海上事故造成溢油后，就必须根据现场实际情况采取及时有效的措施对溢油进行处理，降低和消除溢油造成的危害。
1海上溢油的处理技术
海上溢油的处理方法通常可分为物理法、化学法和生物法。
1.1物理法
是指将溢油从水面分离出来而不改变其存在形态的物理形态，如采用围油栏围困溢油、撇油器回收溢油、收油网回收水面上乳化溢油等方法。
1.2化学法
是指通过使用化学制剂使溢油聚集或分散，即通过改变溢油在海面上中存在形态来达到降低污染的目的。化学法适用于溢油油膜很薄的情况，处理溢油的化学制剂包括溢油聚油剂、分散剂、吸油剂和凝油剂等。
1.3生物法
是指利用生物分解作用清除海域溢油的方法。生物法溢油清除时间较长，见效慢，但是对环境的影响小，是一种利用前景广阔的方法。
2溢油处理装置优化方法
为了减少对溢油海域的进一步污染，选择物理法是清除海面溢油时最好的。尤其是在处理大面积海上溢油时，围油栏和撇油器两种溢油处理设备是溢油回收中应用最为广泛的。对围油栏和撇油器的优化设计大体有三种思路：
一是直接将溢油处理装置放置于实际海况中， 测量其能够回收溢油的自然条件（ 风速、波高和流速） 的最大标准。这种方法测试工作量大、费用高；二是在实验室中分别进行风、浪、流的测试，根据实验结果推算其性能。这一方法由于受到实验室条件限制， 往往只能对装置某一部分进行实验，并且因为实验室考虑到污染问题， 不可能投放溢油；三是应用数值模拟仿真的方法研究溢油处理装置。这一方法由于节省人工、物力及财力资源并且能够获得良好效果而被广泛应用于溢油处理装置的优化设计。
3海上溢油处理装置数值模拟
数值模拟的总体思路是是利用计算机绘图软件进行对溢油处理装置进行几何建模，然后将其导入计算流体动力学软件Fluent中的前处理器GAMBIT进行网格划分，然后确定计算模型，利用Fluent进行相关计算，最后得到仿真结果。具体的步骤概述如下所示：
3.1几何建模
利用计算机绘图软件如CAD或Solidworks，根据围油栏或者撇油器尺寸进行几何建模，CAD可进行二维几何建模，Solidworks可进行三维建模。如乔卫亮在对新型动态斜面式撇油器进行优化设计时，应用Solidworks软件对新型动态斜面式撇油器流道及集油箱进行了三维几何建模；戴瑞在船用内嵌式收油机流场数值模拟与结构优化中，利用CAD对内嵌式收油机内部的导流板进行了二维几何建模。
3.2导入Fluent进行网格划分
建立好几何模型后，将模型导入到Fluent软件的前处理器Gambit，进行区域剖分，形成符合CFD计算要求的网格形式。Gambit中网格划分方式主要有三种：自由网格划分、映射网格划分、体扫描划分，如表1所示：
3.3确立计算模型
3.3.1单相流模拟
根据流量和撇油器箱体的尺寸可以计算出撇油器箱体的流动区域内流体的流动状态，经过计算可以得知在进行溢油回收过程中，集油箱内部的流动为湍流流动状态，所以在选用计算模型时，应选择湍流计算模型，并需要对湍流模型进行数学描述。
湍流流场充满着尺度大小不同的漩涡，大的漩涡尺度可以与整个流场区域相当，而小的漩涡尺度往往只有流场尺度千分之一的数量级，流场中大小不同漩涡的不断产生和消失，相互之间强烈的掺混，使得湍流流场中的物理量表现出脉动性质，具有极强的不规则性和随机性。但无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和N—S方程在一般情况下仍适用于湍流的瞬时运动。在连续性方程和N—S方程基础上，人们不断引入新的算法，逐步发展成了多个湍流模型。
应用雷诺平均思想的湍流模型优缺点对比如表2所示：
科研人员在撇油器流道优化设计中，广泛应用雷诺平均思想的RNG k-ε湍流模型和Realizablek-ε模型，例如王国有在对动态曲面式撇油器流道优化设计研究中利用了RNGk-ε模型；乔卫亮在对新型动态斜面式撇油器流场数值模拟与结构优化研究中同样采用了RNGk-ε模型；戴瑞在对船用内嵌式收油机的流场数值模拟与结构优化时，选用了Realizable k-s瑞流模型来进行模拟计算。以上三者均取得了足够的精度和良好的模拟效果。
3.3.2多相流模拟
现在已有一些数值计算方法用于计算多相流流动问题，主要应用有两种：欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。
（1）欧拉-拉格朗日方法
在欧拉-拉格朗日方法中，多相流由连续相和分散相组成。连续相代表连续流体介质，其运动方程是N-S方程，而分散相代表分散在连续相中的流体介质，其运动规律是在已计算得到的连续相流场的基础上，跟踪各离散粒子（颗粒、气泡或液滴）的运动而得到的。分散相和连续相之间可以有质量、动量和能量的交换。欧拉-拉格朗日方法的局限是分散相的体积组分不能太大。但它能较好的求解喷雾干燥、煤与液体燃料燃烧和一些粒子负载流动问题。 （2）欧拉-欧拉方法
在FLUENT中，共有三种欧拉-欧拉多相流模型，分别为混合物模型、欧拉模型及流体体积（VOF）模型。如表3所示：
其中VOF模型在溢油处理模拟仿真中应用广泛。VOF模型适用于两种或多种互不相融流体间界面的跟踪计算，不同的流体组分共用一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积分数。
例如魏芳利用流体体积分数法（ VOF） ，模拟计算传统围油栏的拦油性能， 分别成功地模拟出低黏度油类和高黏度油类在水流速度各自超过其临界值时发生的油滴夹带失效和累积失效并在此基础上改进了围油栏的外部结构，获得了良好的模拟效果。张政等人利用流体体积分数（VOF）法模拟计算了两种拦油失效的情形：低粘度的油类在水流速度超过某一临界值时发生了油滴夹带失效；粘度很大的油类在水流速度超过临界值时发生了临界累积失效。模拟结果在定性上与已有的实验结果相一致。
3.4边界条件确定和收敛判断
根据撇油器所选的计算模型，设置相应的初始条件和边界条件，并利用流体仿真软件FLUENT中的湍流模拟计算各模型内部流体的流动，得到模型计算收敛的结果。
3.5仿真结果分析
利用Fluent后处理功能，生成撇油器油水分离的过程中内部流场云图、线条图以及压力分布图、速度分布图等，可以对撇油器内部油水混合物流场分布情况进行直观的描述。并通过改变撇油器相关结构的尺寸，又可以获得不同的内部流场分析。选择最优的结构型式，从而达到对撇油器进行优化的目的。
4结论
机械溢油回收技术是一门复杂的技术，它涉及到机械设计、流体分析、流场模拟等方面。但其优化设计可以通过计算机绘图软件CAD或Solidworks几何建模，导入Fluent软件选择适当计算模型对其内部流场进行数值模拟，获得内部流场的数据和图形分析，从而为溢油回收装置的优化设计提供基本依据，同时可以节省大量的人力物力，因此具有广泛的应用前景。
参考文献
[1]魏芳.围油栏性能优化的数值模拟[J].交通环保，2007：39-44.
[2]李长海.曲面式集油器内部流道结构的优化研究[D].大连市：大连海事大学，2013.
[3]张政.应用VOF方法对水流中拦油栅拦油失效进行数值模拟尝试[J].环境科学学报，1999，19（6）：650-609.
[4]乔卫亮.新型动态斜面式撇油器流场数值模拟与结构优化研究[D].大连市：大连海事大学，2012.06.
[5]于桂峰.基于Fluent 典型结构围油栏适用条件数值实验[J].大连海事大学学报，2010，36（12）：117-120.
[6]张国艳.磁流体油污海水分离回收装置中流动过程的数值模拟[D].北京市：中国科学院研究生院，2006.05.
[7]陈海泉.斜板间油水两相分层流动分析[J].大连海事大学学报，2008，34（4）： 140-142.
[8]戴瑞.船用内嵌式收油机流场数值模拟与结构优化[D].大连市：大连海事大学，2013.
[9]王国有.动态曲面式撇油器流道优化设计研究[D].大连市：大连海事大学，2007.
作者简介：刘欢，男（汉），山东省聊城市，硕士研究生，研究方向：船舶防污染
关键词：溢油处理装置；围油栏；撇油器；数值模拟
0引言
近几年来，由于海上石油工业和海上油运业的飞速发展，海上溢油事故频繁发生。溢油对海洋生态环境影响很大。如2010年发生在美国墨西哥湾的深海地平线石油钻井平台爆炸事故，事故导致大量石油泄漏入海，给当地造成了巨大的经济损失和严重的生态环境灾难。再如2011年发生在我国渤海海域发生的蓬莱溢油事件，造成超过6200平方千米海水污染，是我国海洋资源开发以来发生的最严重的事故。因此，一旦发现海上事故造成溢油后，就必须根据现场实际情况采取及时有效的措施对溢油进行处理，降低和消除溢油造成的危害。
1海上溢油的处理技术
海上溢油的处理方法通常可分为物理法、化学法和生物法。
1.1物理法
是指将溢油从水面分离出来而不改变其存在形态的物理形态，如采用围油栏围困溢油、撇油器回收溢油、收油网回收水面上乳化溢油等方法。
1.2化学法
是指通过使用化学制剂使溢油聚集或分散，即通过改变溢油在海面上中存在形态来达到降低污染的目的。化学法适用于溢油油膜很薄的情况，处理溢油的化学制剂包括溢油聚油剂、分散剂、吸油剂和凝油剂等。
1.3生物法
是指利用生物分解作用清除海域溢油的方法。生物法溢油清除时间较长，见效慢，但是对环境的影响小，是一种利用前景广阔的方法。
2溢油处理装置优化方法
为了减少对溢油海域的进一步污染，选择物理法是清除海面溢油时最好的。尤其是在处理大面积海上溢油时，围油栏和撇油器两种溢油处理设备是溢油回收中应用最为广泛的。对围油栏和撇油器的优化设计大体有三种思路：
一是直接将溢油处理装置放置于实际海况中， 测量其能够回收溢油的自然条件（ 风速、波高和流速） 的最大标准。这种方法测试工作量大、费用高；二是在实验室中分别进行风、浪、流的测试，根据实验结果推算其性能。这一方法由于受到实验室条件限制， 往往只能对装置某一部分进行实验，并且因为实验室考虑到污染问题， 不可能投放溢油；三是应用数值模拟仿真的方法研究溢油处理装置。这一方法由于节省人工、物力及财力资源并且能够获得良好效果而被广泛应用于溢油处理装置的优化设计。
3海上溢油处理装置数值模拟
数值模拟的总体思路是是利用计算机绘图软件进行对溢油处理装置进行几何建模，然后将其导入计算流体动力学软件Fluent中的前处理器GAMBIT进行网格划分，然后确定计算模型，利用Fluent进行相关计算，最后得到仿真结果。具体的步骤概述如下所示：
3.1几何建模
利用计算机绘图软件如CAD或Solidworks，根据围油栏或者撇油器尺寸进行几何建模，CAD可进行二维几何建模，Solidworks可进行三维建模。如乔卫亮在对新型动态斜面式撇油器进行优化设计时，应用Solidworks软件对新型动态斜面式撇油器流道及集油箱进行了三维几何建模；戴瑞在船用内嵌式收油机流场数值模拟与结构优化中，利用CAD对内嵌式收油机内部的导流板进行了二维几何建模。
3.2导入Fluent进行网格划分
建立好几何模型后，将模型导入到Fluent软件的前处理器Gambit，进行区域剖分，形成符合CFD计算要求的网格形式。Gambit中网格划分方式主要有三种：自由网格划分、映射网格划分、体扫描划分，如表1所示：
3.3确立计算模型
3.3.1单相流模拟
根据流量和撇油器箱体的尺寸可以计算出撇油器箱体的流动区域内流体的流动状态，经过计算可以得知在进行溢油回收过程中，集油箱内部的流动为湍流流动状态，所以在选用计算模型时，应选择湍流计算模型，并需要对湍流模型进行数学描述。
湍流流场充满着尺度大小不同的漩涡，大的漩涡尺度可以与整个流场区域相当，而小的漩涡尺度往往只有流场尺度千分之一的数量级，流场中大小不同漩涡的不断产生和消失，相互之间强烈的掺混，使得湍流流场中的物理量表现出脉动性质，具有极强的不规则性和随机性。但无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和N—S方程在一般情况下仍适用于湍流的瞬时运动。在连续性方程和N—S方程基础上，人们不断引入新的算法，逐步发展成了多个湍流模型。
应用雷诺平均思想的湍流模型优缺点对比如表2所示：
科研人员在撇油器流道优化设计中，广泛应用雷诺平均思想的RNG k-ε湍流模型和Realizablek-ε模型，例如王国有在对动态曲面式撇油器流道优化设计研究中利用了RNGk-ε模型；乔卫亮在对新型动态斜面式撇油器流场数值模拟与结构优化研究中同样采用了RNGk-ε模型；戴瑞在对船用内嵌式收油机的流场数值模拟与结构优化时，选用了Realizable k-s瑞流模型来进行模拟计算。以上三者均取得了足够的精度和良好的模拟效果。
3.3.2多相流模拟
现在已有一些数值计算方法用于计算多相流流动问题，主要应用有两种：欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。
（1）欧拉-拉格朗日方法
在欧拉-拉格朗日方法中，多相流由连续相和分散相组成。连续相代表连续流体介质，其运动方程是N-S方程，而分散相代表分散在连续相中的流体介质，其运动规律是在已计算得到的连续相流场的基础上，跟踪各离散粒子（颗粒、气泡或液滴）的运动而得到的。分散相和连续相之间可以有质量、动量和能量的交换。欧拉-拉格朗日方法的局限是分散相的体积组分不能太大。但它能较好的求解喷雾干燥、煤与液体燃料燃烧和一些粒子负载流动问题。 （2）欧拉-欧拉方法
在FLUENT中，共有三种欧拉-欧拉多相流模型，分别为混合物模型、欧拉模型及流体体积（VOF）模型。如表3所示：
其中VOF模型在溢油处理模拟仿真中应用广泛。VOF模型适用于两种或多种互不相融流体间界面的跟踪计算，不同的流体组分共用一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积分数。
例如魏芳利用流体体积分数法（ VOF） ，模拟计算传统围油栏的拦油性能， 分别成功地模拟出低黏度油类和高黏度油类在水流速度各自超过其临界值时发生的油滴夹带失效和累积失效并在此基础上改进了围油栏的外部结构，获得了良好的模拟效果。张政等人利用流体体积分数（VOF）法模拟计算了两种拦油失效的情形：低粘度的油类在水流速度超过某一临界值时发生了油滴夹带失效；粘度很大的油类在水流速度超过临界值时发生了临界累积失效。模拟结果在定性上与已有的实验结果相一致。
3.4边界条件确定和收敛判断
根据撇油器所选的计算模型，设置相应的初始条件和边界条件，并利用流体仿真软件FLUENT中的湍流模拟计算各模型内部流体的流动，得到模型计算收敛的结果。
3.5仿真结果分析
利用Fluent后处理功能，生成撇油器油水分离的过程中内部流场云图、线条图以及压力分布图、速度分布图等，可以对撇油器内部油水混合物流场分布情况进行直观的描述。并通过改变撇油器相关结构的尺寸，又可以获得不同的内部流场分析。选择最优的结构型式，从而达到对撇油器进行优化的目的。
4结论
机械溢油回收技术是一门复杂的技术，它涉及到机械设计、流体分析、流场模拟等方面。但其优化设计可以通过计算机绘图软件CAD或Solidworks几何建模，导入Fluent软件选择适当计算模型对其内部流场进行数值模拟，获得内部流场的数据和图形分析，从而为溢油回收装置的优化设计提供基本依据，同时可以节省大量的人力物力，因此具有广泛的应用前景。
参考文献
[1]魏芳.围油栏性能优化的数值模拟[J].交通环保，2007：39-44.
[2]李长海.曲面式集油器内部流道结构的优化研究[D].大连市：大连海事大学，2013.
[3]张政.应用VOF方法对水流中拦油栅拦油失效进行数值模拟尝试[J].环境科学学报，1999，19（6）：650-609.
[4]乔卫亮.新型动态斜面式撇油器流场数值模拟与结构优化研究[D].大连市：大连海事大学，2012.06.
[5]于桂峰.基于Fluent 典型结构围油栏适用条件数值实验[J].大连海事大学学报，2010，36（12）：117-120.
[6]张国艳.磁流体油污海水分离回收装置中流动过程的数值模拟[D].北京市：中国科学院研究生院，2006.05.
[7]陈海泉.斜板间油水两相分层流动分析[J].大连海事大学学报，2008，34（4）： 140-142.
[8]戴瑞.船用内嵌式收油机流场数值模拟与结构优化[D].大连市：大连海事大学，2013.
[9]王国有.动态曲面式撇油器流道优化设计研究[D].大连市：大连海事大学，2007.
作者简介：刘欢，男（汉），山东省聊城市，硕士研究生，研究方向：船舶防污染