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水下管道水平泄漏羽流动力学研究

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摘要

1.1 论文背景及研究意义

1.1.1 溢油事故对海洋生态系统的危害

1.1.2 海底管道泄漏事故统计

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文的主要工作及研究方案

1.3.1 论文主要工作

1.3.2 研究方案及技术路线

第2章 数值模拟理论基础

2.1 气液两相流动特性基础理论

2.1.1 两相流基本概念

2.1.2 两相流研究方法

2.1.3 气液两相流基本守恒方程

2.2 浮力射流理论基础

2.2.1 射流基本方程

2.2.2 射流气体扩散机理

2.3 水中油滴的受力分析

2.4 灵敏度分析方法

2.4.1 局部灵敏度分析方法

2.4.2 全局灵敏度分析方法

第3章 水下管道水平泄漏实验研究

3.1 实验系统装置及实验原理

3.1.1 实验设备及装置

3.1.2 实验系统

3.2 水平泄漏过程分析

3.3 不同管道内压力下的泄漏形态分析

3.3.1 不同管道内压力下的泄漏量分析

3.3.2 不同管道内压力下油滴到达水面的时间

3.4 不同泄漏孔径下水平泄漏羽流形态

3.4.1 不同泄漏孔径下泄漏量

3.4.2 不同泄漏孔径下油滴尺寸分析

3.5 孔径佛汝德数对水平泄漏羽流形态影响的分析

3.5.1 孔径佛汝德数对溢油到达水面的时间的影响

3.5.2 孔径佛汝德数对泄漏流量的影响

3.6 本章小结

第4章 水下管道水平泄漏数值模拟

4.1 水平泄漏模拟基本假设及基本参数

4.1.1 水下管道水平方向泄漏的基本假设

4.1.2 模拟时所采用的主要参数

4.2 水平泄漏运动形态仿真分析

4.2.1 海流及管道内压力对水平泄漏的影响

4.2.2 油滴尺寸及泄漏孔径对水平泄漏过程的影响

4.2.3 含气率对水平泄漏过程的影响分析

4.3 本章小结

第5章 实验与数值模拟结果对比及灵敏度分析

5.1 实验与数值模拟结果对比分析

5.2 数值模拟结果灵敏度分析

5.3 本章小结

6.1 结论

6.2 后期研究及展望

致谢

参考文献

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摘要

海底石油管道被称为油田的生命线,随着海底石油资源开采和石油长距离运输不断增多,因管道泄漏而发生的溢油事故也逐年增多,这些溢油事故不但存在较大的安全隐患,而且对海洋环境造成不可估量的破坏。因此,为了给溢油事故的应急响应提供重要信息,对溢油在水中扩散特性的研究极为重要。基于此,本文对水下管道水平泄漏的溢油运动进行实验及数值模拟。论文主要工作如下:
  首先,在水箱内进行了水下管道的泄漏实验,分析了泄漏孔径及管内压力对羽流运动的影响。实验结果表明:管道内压力及泄漏孔径对泄漏流量及所形成油滴的直径有重要影响。在一定的雷诺数及压力下,泄漏孔径越大,油滴的尺寸也越大,且泄漏流量也越大。此外,随着管道内压力及孔径佛汝德数的增大,油液到达水面的时间增长,泄漏流量也随之增大。
  其次,采用商业软件FLUENT对单相油及油气两相流体的水平泄漏进行了数值模拟。考虑海流流速、油滴的尺寸、含气率等因素的影响,详细分析了单相流体及油气两相流体的运动特点,数值计算结果表明:对于单相流体泄漏,除了管道内压力之外,海流流速、油滴尺寸都是影响溢油上升到水面时间的重要因素。海流流速越大,溢油上升到水面的时间越长;油滴尺寸越大,溢油上升的速度也越快。对于油气两相流体泄漏,随着含气率增高,羽流紊流程度逐渐提高,卷吸作用增强,溢油上升到水面的时间缩短。
  最后,对实验结果与模拟结果进行了对比分析,结果表明:实验模拟的羽流运动形态与数值模拟的羽流运动形态基本一致,数值模拟更好地弥补了由于实验条件限制而没有考虑的因素。在以上研究基础上对数值模拟结果进行灵敏度分析,分析结果为泄漏事故采取应急措施提供一定依据。

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