ОПЫТОВЫЙ БАССЕЙН ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ
EXPERIMENTAL POOL FOR SIMULATION OF EMERGENCY OIL SPILLS UNDER ICE CONDITIONS

Изобретение относится к области экспериментальной техники для исследования гидродинамических процессов растекания нефти в ледовых условиях и может быть использовано при создании малообъемных опытовых бассейнов для изучения и анализа динамики распространения нефтяного разлива в замерзающих акваториях и водотоках.
При проведении таких исследований крайне важным является обеспечение равномерной и однородной скорости движения жидкости по всему сечению зоны измерений, имитирующего реальное течение поверхностного слоя воды моделируемой акватории или водотока.
Известен ледовый опытовый бассейн длиной 35 м, шириной 6 м и глубиной 1,8 м, в котором при проведении экспериментов Ship Research Institute министерства транспорта Японии по исследованию распространения нефти под ледяными образованиями движение жидкости в подленной зоне моделировалось буксировкой искусственного ледяного поля с постоянной скоростью в стоячей воде [Ликвидация аварийных разливов нефти в ледовых морях / Под общ. ред. Мансурова. М., 2004. С 105 - 108].
Проведение моделирования аварийных разливов нефти в ледовых условиях в таком бассейне в обращенном движении имеет ограниченную возможность моделирования скорости потока воды, трудоемко, требует значительных временных и финансовых затрат на производство и транспортировку искусственного ледяного поля большого размера, а также затрат на очистку бассейна от остатков нефти после проведения испытаний перед следующим экспериментом.
Известен ледовый опытовый бассейн большого объема, оборудованный многофункциональной тележкой [Денисов В.И., Дмитриев Д.С., Карулин Е.Б., Кравченко А.К., Коваль М.Г., Кильдеев Р.И., Сазонов К.Е., Симонов Ю.А. Многофункциональная тележка ледового опытового бассейна. Патент РФ №2467910, МПК В63В 9/02, G01M 10/00, F25C 1/00; заявл. 2011.04.11; опубл. 2012.11.27.], позволяющей выполнять намораживание ледяного покрова при температуре атмосферы бассейна -25…-30°С, контроль его физико-механических свойств, моделирование различных ледяных образований, а также движение ледяного покрова по поверхности воды посредством многофункциональной тележки.
Проведение моделирования аварийных разливов нефти в ледовых условиях в таком бассейне в обращенном движении имеет ограниченную возможность моделирования скорости потока воды, требует значительных временных затрат на производство и транспортировку искусственного ледяного поля большого размера, а также затрат на очистку бассейна от остатков нефти после проведения испытаний перед следующим экспериментом.
Известен также аппарат для генерирования водного потока в плавательном бассейне [Юкура Ютака. Аппарат для генерирования водного потока в бассейне. Заявка Японии №2002161645, МПК Е04Н 4/00; заявл. 2000.11.27; опубл. 2002.06.04.] в котором поток жидкости в бассейне создается ее истечением из размещенных у стенки бассейна ниже его дна труб с отверстиями, снабженными конусными насадками с наклоном ко дну бассейна около 45°, и выравнивается горизонтальными струевыпрямителями обтекаемой формы, расположенными у дна бассейна, а отвод жидкости осуществляется через перфорированные плиты на дне бассейна посредством установленных на противоположном конце плавательного бассейна аналогичных труб без насадок.
Данное изобретение позволяет проводить моделирование аварийных разливов нефти в прямом движении потока жидкости в чаше бассейна большого объема, однако не обеспечивает однородности потока у поверхности воды, в том числе из-за возможного возникновения встречного течения, отраженного от стенки чаши, противоположной к месту установки аппарата для генерирования водного потока. Кроме того, бассейн, в котором предлагается реализация указанного аппарата для генерирования водного потока, не предназначен для проведения исследований по изучению гидродинамических процессов растекания нефти, тем более в ледовых условиях.
Известен также плавательный бассейн с искусственным течением [Гурьев Ю.В., Евсеев С.П. Плавательный бассейн с искусственным течением. Патент РФ №2304205, МПК Е04Н 4/12; заявл. 2006.01.24; опубл. 2007.08.10.], принятый за прототип, в котором задача обеспечения равномерности потока жидкости в объеме второй чаши бассейна, предназначенной для плавания, решается за счет поступления жидкости в первую часть чаши, имеющую сужение по ходу потока, из двух каналов оборота жидкости, имеющих плавную форуму, большой радиус скругления поворотов и большую площадь поперечных сечений в виде элемента овала, круга или эллипса, применения выполненной в виде решетки системы формирования потока в канале второй чаши, которая может быть установлена на границе двух чаш бассейна, установки там же волногасителя, применения диффузора для сглаживания завихрений, возникающих в жидкости на выходе из насоса, и водосборника в виде конфузора для снижения вероятности возникновения встречного течения жидкости.
Данное изобретение позволяет проводить моделирование аварийных разливов нефти в прямом движении потока жидкости в чаше бассейна в широком диапазоне изменения скоростей потока со значительной его однородностью в центральной части чаши по оси движения жидкости. Однако недостатком прототипа является то обстоятельство, что при его реализации, особенно в бассейнах малого объема, достаточно сложно добиться однородности скорости движения потока по всему поперечному сечению бассейна из-за его трения о стенки чаши бассейна по ходу движения потока. Кроме того изобретение, принятое за прототип, не предназначено для проведения исследований по изучению гидродинамических процессов растекания нефти в ледовых условиях, связанных с очисткой чаши и гидрокоммуникаций бассейна от остатков нефти, а также подразумевающее наличие ледовых образований и поддержание низких температур жидкости.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию малообъемного опытового бассейна для изучения и анализа динамики распространения нефтяного разлива в замерзающих акваториях и водотоках, позволяющего проводить моделирование аварийных разливов нефти в ледовых условиях в прямом потоке жидкости в широком диапазоне скоростей и температур.
Технический результат заключается в повышении качества модельных экспериментов за счет обеспечения равномерной и однородной скорости движения потока по всему сечению зоны измерений в широком диапазоне исследуемых скоростей и температур, а также снижении экономических, временных и трудозатрат на подготовку бассейна к воспроизведению исследований.
Технический результат достигается тем, что вода в чашу бассейна малого объема подается насосом по гибким шлангам, позволяющих создать большой радиус скругления поворотов, через струевыпрямитель и диффузор с перфорированной насадкой, а отводится через оборудованный перфорированной насадкой конфузор, за которым расположен сорбционный фильтр для улавливания нефти, при этом стенки бассейна перед проведением экспериментов покрываются самоклеящейся пленкой малой шероховатости.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками (фиг. 1-7), где на фиг. 1 представлен вид опытового бассейна в плане, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1, на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1, на фиг. 5 - схема нанесения самоклеящейся пленки на стенки чаши, на фиг. 6 - емкость для воды, на фиг. 7 - схема установки модельного льда и перфорированной трубы для подачи нефти.
Опытовый бассейн содержит прямоугольную в плане чашу 1, заполненную водой из емкости 2, кран запорный 3, насос водяной для создания течения 4, кран запорный 5, шланг гибкий напорный 6, кран запорный 7, струевыпрямитель 8, диффузор 9 с насадкой 10, пленку самоклеящуюся 11, трубу перфорированную для подачи нефти 12, водопровод 13, кран запорный 14, держатель 15 для льда 16, конфузор 17 с насадкой 18, фильтр сорбционный нефтяной 19, кран запорный 20, шланг отводящий гибкий 21, кран запорный 22 и 23, насос перистальтический нефтяной 24, нефтепровод 25, емкость для нефти 26, запорный кран 27, установленные на дне камеры 28, 30 и кран сливной 29 (фиг. 1, 2).
Профиль дна чаши выполнен усеченным к краям (фиг. 2), а перечное сечение чаши в объеме, заполняемом жидкостью по уровню 31 (фиг. 2), выполнено в виде элемента овала (фиг. 3, 4).
Насадки диффузора и конфузора выполнены прямоугольными в плане и перфорированы (фиг. 3, 4).
На продольные стенки чаши 1 нанесена самоклеящаяся пленка малой шероховатости 11 (фиг. 1-4) шириной, равной  высоты чаши бассейна (фиг. 5)
Кроме того, для приготовления соляного раствора, имитирующего морскую воду, емкость 1 может быть оборудована мешалкой винтовой 32 с электродвигателем 33, установленной на основании 34 (фиг. 6).
Перфорированная труба для подачи нефти 12 устанавливается от насадки диффузора 9 на расстоянии 1/5 длины бассейна, а держатель льда - на  длины бассейна, при этом нижняя плоскость модельного льда 16 совпадает с поверхностью налитой в чашу бассейна воды (фиг. 7).
Предлагаемый опытовый бассейн используется следующим образом.
Опытовый бассейн располагают в комнате (не показана), оборудованной кондиционером для поддержания требуемой по условиям испытаний температуры воздуха. Перед проведением испытаний емкость 2, оборудованную терморегулятором термодатчиком (не показаны) для обеспечения необходимого по условиям испытаний теплового баланса, наполняют пресной водой или соляным раствором, имитирующим морскую воду, приготовленным в емкости 2 посредством винтовой мешалки 32 с электродвигателем 33, закрепленным на раме основания 34 (фиг. 6). Для снижения коэффициента трения и сокращения затрат на очистку чаши бассейна от остатков нефти после проведения испытаний на продольные стенки чаши 1 наносят самоклеящуюся пленку малой шероховатости 11 шириной, равной  высоты чаши бассейна (фиг 5). Затем чашу бассейна наполняют водой или соляным раствором из емкости 2 самотеком через водопровод 13, подключенный к донной части емкости 2, при открытом кране 14 и закрытых кранах 3 и 27 до максимального уровня 31, отмеченного на продольных стенках чаши 1 (фиг. 2, 5), и закрывают кран 14. После чего на держатель 15 устанавливают модельный лед 16 (фиг. 2), полученный замораживанием пресной или соленой воды в специальной форме (не показана), в соответствии со схемой установки модельного льда (фиг. 7).
При проведении исследования гидродинамических процессов растекания нефти на открытой воде в ледовых условиях открывают краны 3, 5, 7, 20 и 27 и запускают насос 4 (фиг. 1). Жидкость из емкости 2 насосом 4 по подводному гибкому шлангу 6 поступает в струевыпрямитель 8 и диффузор 9 (фиг. 1, 2), и, проходя через перфорированную насадку диффузора 10 (фиг. 1, 2, 3), проходит чашу 1 бассейна, после чего через конфузор 18 с перфорированной насадкой 17 (фиг. 1, 2, 4) и гибкий отводящий шланг 21 отводится из чаши в емкость 1 (фиг. 1). После фиксации датчиками скорости потока (на рисунках не показаны) установившейся в чаше 1 скорости движения жидкости, необходимой по условиям испытаний, на поверхность жидкости через перфорированную трубу 12 при открытом кране 22 и закрытом кране 23 по нефтепроводу 25 перистальтическим насосом 24 с расходомером (на рисунке не показан) из емкости для нефти 26 (фиг. 1), оборудованной терморегулятором и термодатчиком (на рисунках не показаны), подается открытым истечением нефть требуемого объема необходимой по условиям испытаний температуры. После чего перфорированная туба 12 отсекается от нефтепровода 25 закрытием крана 22 (фиг. 1). Процесс растекания нефти фиксируется камерами 28 и 30 (фиг. 2), установленными на дне чаши 1 и подключенными для записи изображения к персональному компьютеру (не показан). Вода, загрязненная нефтью, через конфузор 18 поступает в фильтр 19, где очищается от нефти сорбентом, и по отводящему гибкому шлангу 21 подается в емкость 2.
При проведении исследования гидродинамических процессов растекания нефти в подледной зоне до начала испытаний на поверхность модельного льда 16, контактирующую с водой, при закрытом кране 22 нефтепровода 25 посредством U-образной трубки (не показана), соединенной шлангом с открытым краном 23 нефтепровода 25, перистальтическим насосом 24 с расходомером (не показан) из емкости для нефти 26 (фиг. 1), оборудованной терморегулятором и термодатчиком (не показаны), подается нефть требуемого объема необходимой по условиям испытаний температуры. После чего U-образной трубку извлекают из чаши 1 бассейна, кран 14 закрывают, открывают краны 3, 27 и, начиная испытания, запускают насос 4 (фиг. 1). Жидкость из емкости 2 насосом 4 по подводному гибкому шлангу 6 поступает в струевыпрямитель 8 и диффузор 9 (фиг. 1, 2), и, проходя через перфорированную насадку диффузора 10 (фиг. 1, 2, 3), проходит чашу 1 бассейна, уносит частицы нефти из подледной зоны модельного льда 16, после чего через конфузор 18 с перфорированной насадкой 17 (фиг. 1, 2, 4) поступает в фильтр 19, где очищается от нефти сорбентом и по отводящему гибкому шлангу 21 подается в емкость 2 (фиг. 1). Процесс растекания нефти в подледной зоне фиксируется камерой 30 (фиг. 2), установленной на дне чаши 1 и подключенной для записи изображения к персональному компьютеру (не показан).
После окончания исследований насос 4 останавливают, краны 5, 7, 20 и 27 закрывают, воду из чаши 1 спускают через кран 29, снимают модельный лед 16 с держателя 15. Для очистки чаши и гидрокоммуникаций бассейна от остатков нефти снимают с продольных стенок чаши 1 самоклеящуюся пленку 11, удаляют сорбент из фильтра 19, снимают и промывают растворителем гибкий отводящий рукав 21.
Практическая реализация заявленного технического решения промышленной сложности не представляет, что позволяет делать вывод о соответствии этого решения условию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемый опытовый бассейн малого объема обеспечит повышение качества модельных экспериментов за счет обеспечения равномерной и однородной скорости движения потока по всему сечению зоны измерений в широком исследуемых скоростей и температур, а также позволит снизить экономические, временные и трудозатраты на подготовку бассейна к воспроизведению исследований, что выгодно отличает этот бассейн от прототипа.