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基于CFD的海洋平台油气泄露扩散仿真研究

王丽华  
【摘要】:本文综合阐述了国内外气体泄漏扩散的CFD数值模拟研究现状和CFD的基本原理,总结了气体扩散研究的基本方法,创新性地提出了基于CFD的海洋平台油气泄漏仿真技术路线,对海洋平台的油气泄漏扩散的运动规律和重要影响因素进行了仿真研究。 结合危险性气体泄漏扩散的特点和海洋平台复杂的海上作业环境,本文研究的重要影响因素包括海域风速和风向、泄漏角度和平台布局。通过对渤海湾最新风况的分析确定海域风向和风速的初始值。泄漏角度和泄漏速度根据实际情况进行分类。根据海洋平台布局基础确定平台布局种类,并建立相关模型。运用CFD商业软件FLUENT6.3模拟不同变量组合下的油气泄漏场景。 本文采用控制变量法分析模拟结果。模拟结果种类包括速度云图、组分危险区域、压力云图、油气迹线图。在渤海湾环境条件下,通过C3H8和C4H10的爆炸危险区域的提取,总结出各组合下四大区的危险面积量化表。全面系统地研究了海洋平台油气泄漏的扩散规律。 分析结果表明:海域风速和风向、泄漏方向、平台布局会很大程度上影响泄漏油气的扩散规律。 平台布局的影响研究表明: C3H8的危险区域比C4H10的危险区域小很多,但两区域的边缘形状类似。危险区域面积由小到大时的平台布局依次为倒S型、一字型、口字型、L型。总结出倒S型布局为最佳布局。 海域风速的影响研究表明: (1)在一定海域风速范围内,随着风速的增加,危险区域扩大,即大风速利于泄漏油气的扩散。四大区的面积量化图表显示,生活区、动力区和储存区的危险面积比例存在不同的反常分界点,其余随着风速的增加而减小;而生活区虽然也存在反常分界点,但是其余随着风速的增加而增大。 (2)速度变化主要在储存区。随着海域风速的增加,泄漏场的速度最大值呈减小趋势。 (3)压力变化主要在生产区。随着风速的增加,压力最大值减小,反常分界点在海域风速5.7m/s;压力最小值的绝对值增大,反常分界点在海域风速3.6m/s。 海域风向的影响研究表明: (1)随着海域风向逆时针旋转,总危险区域面积扩大。动力区的两组分危险面积占总危险面积的比例上升,其余三区比例下降。 (2)速度变化主要在生产区。在定海域风速的条件下,海域风向对场速度影响不大。 (3)压力变化主要在生产区和动力区。在定海域风速的条件下,海域风向变化对泄漏场的压力最大值影响不大,主要影响场低压的分布。 泄漏方向的影响研究表明: (1) C3H8:随着泄漏角度增大,0°到30°时,危险面积逐渐增大;30°到60°时,总危险面积逐渐减小;60°到90°时,总危险面积逐渐增大。趋势变化的角度间隔为30°。C4H10:随着泄漏角度增大,危险面积呈先增加后减小的趋势,分界点在泄漏方向30°。 (2)泄漏方向为60°、75°、90°时,速度分布相似,压力分布相似。压力最大值和速度最大值的变化趋势相同。通过对海洋平台油气泄漏扩散的重要影响因素研究,制定更加符合实际的海洋油气泄漏事故应急预案。 希望本文研究能为海洋平台油气泄漏研究提供参考价值,为应急响应预案的制定提供依据,为提高国家油气勘探行业的安全性做出贡献。


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