水下井喷油气混合物多相浮射流研究

A significant proportion of crude oil released from underwater blowouts is maintained below water surface, which is closely related to the dynamic process of the multiphase buoyant jet containing oil droplets and gas bubbles as dispersed phases in deep-sea environment. This project aims to get better understanding on the characteristics of oil-gas-water multiphase buoyant jets and the motion of dispersed oil droplets and gas bubbles within the buoyant jet, and further to develop a model to accurately predict the behavior of each components of crude oil released from underwater blowouts. The characteristics of a multiphase buoyant jet and the effect of vertical density stratification and horizontal cross flow on it will be studied by an Eularian-Lagrangian multiphase flow numerical model and laboratory experiments. And an underwater oil spill tracking model based on the Lagrangian particle tracking method will be developed and further added to a three-dimensional ocean dynamic model to reproduce the Deepwater Horizon oil spill. The research project is expected to result in a better understanding of underwater oil spill processes and an advanced and effective model for simulation of the underwater oil spill, which will be helpful to estimate the influence of pollution and to find effective measures for oil cleanup in underwater blowout accidences.

水下井喷事故中大量的泄漏物滞留在水体中，研究泄漏物形成的油气多相浮射流特征，对认识和评估滞留在水体中的溢油的规模和分布具有重要的科学价值。本项目旨在通过对油气多相浮射流内部结构及其中物质的运移扩散规律的研究，优化已有的基于粒子追踪方法的水下溢油模拟模型，以达到准确模拟水下溢油污染物运移与分布的目的。研究内容包括：油气多相浮射流内部结构及其变化规律，以及其中油滴和气泡在垂向密度分层、水平横流作用下的分离特性；水下溢油泄漏物追踪方法和深海溢油模拟系统的构建。采用精细数值模拟和实验室试验方法研究多相浮射流特征，采用理论分析和实际问题模拟分析方法优化和完善深海溢油模拟系统。研究成果包括给出复杂油气水下浮射流的内部结构和物质运移扩散规律，形成水下石油泄露物不同组分水下运移分布规律的预测模型。成果预期可用以预测深海水下溢油污染立体影响范围,为水下溢油事故的污染评估和应急处置提供科学依据。

海底油气的开采伴随着水下溢油的风险。水下井喷溢油主要表现为油气混合物形成的复杂多相浮射流，研究其特征对认识和评估滞留在水体中的溢油规模和分布具有重要的科学价值。本项目在实验室多相浮射流观测、多相流精细数值模拟和实际尺度的水下溢油模拟系统等方面开展了研究。.在实验观测方面，搭建了一套同时获得油气水三相运动信息的多相浮射流实验装置和观测方法。采用激光诱导荧光技术获得连续相（水体）的流场，采用LED红光阵列作为背光光源获得离散相（油滴、气泡）的阴影图像以观测离散相的形态和运动。针对油滴气泡阴影图像开发了两种先进的图像处理方法，较好地解决了气泡油滴识别、气泡图像重叠和形状复杂的问题。实验装置和观测方法适用于研究油气多相浮射流的内部结构及其输移扩散规律，对相关的多相流实验观测也有一定参考意义。.在多相流精细数值模拟方面，采用了大涡模拟和Euler-Euler多相流方法，在开源程序库OpenFOAM已有的多相模块基础上对相间作用力、温度和浓度的对流扩散等进行了修改完善并构建数值模型，分析了均匀水体、密度分层水体环境中的多相浮射流运动特征，讨论了不同泄露油气比例情况下多相浮射流的结构。另外，本项目基于SPH方法的基本思想提出了一个稳定性好的算法，并构建了用以分析多相流动问题的数值模型，为油气多相流的细观模拟分析开发了新工具。.在实际水下溢油模拟方面，开展了海洋水动力模拟模型研究，并在此基础上完善了基于拉格朗日粒子追踪的海底溢油模拟方法，形成了适用于深水密度分层情况的水下溢油追踪模型，并将模型应用到2010年墨西哥湾溢油事故中，模拟结果较好地捕捉到了由于浮射流的剥离和水平扩展而产生的污染物水下滞留层，水面油膜分布也与实际观测结果比较吻合。.本项目通过对油气多相浮射流内部结构及其中物质的运移扩散规律的研究，优化已有的基于粒子追踪方法的水下溢油模拟模型，并将其应用于溢油事故的模拟，可为水下溢油事故的污染评估和应急处置提供科学依据。