Strømning og spredning av gass i vann og overgang vann til luft

Transkript

1 Strømning og spredning av gass i vann og overgang vann til luft Seniorforsker Øistein Johansen SINTEF Marin miljøteknologi 1

2 Undervannsutblåsning av gass og olje Noen viktige teoretiske og eksperimentelle studier: Generelt Fanneløp og Sjøen, 198 Hydrodynamics of underwater blowouts Milgram and Burgess, 1984 Measurements of surface flowabove round bubble plumes Bettelini and Fanneløp, 1993 Underwater plume from an instantaneously started source Friedl and Fanneløp, 2 Bubble plumes and their interaction with the water surface SINTEF Rye, 1994 Model for calculation of underwater blowout plume Rye and Brandvik, 1997 Verification of subsurface oil spill models Johansen, 2 DeepBlow a Lagrangian plume model for deep water blowouts Johansen, Rye and Cooper, 23 DeepSpill Field study of a simulated oil and gas blowout in deep water 2

3 Undervannsutblåsning av gass og olje Faktorer som virker inn på plumens utvikling Utslippsrate (kg gass/sekund) Tetthet av gassen (kg/sm 3 ) Utslippsdyp Utløpsåpning (diameter) og utløpets retning (vertikalt, horisontalt) Strøm i omgivelsene Vertikal variasjon i sjøtemperatur og saltholdighet (lagdeling) Oppstigende oljedråper Medrevet vann Gass til atmosfæren Oppstigende søyle av gass, vann og dispergerte oljedråper Utstrømning av olje og gass 3

4 Undervannsutblåsning av gass og olje Viktige mekanismer Gassutslipp under vann gir opphav til en oppdriftsplum Plumens stigehastighet er vesentlig større enn stigehastigheten av enkeltbobler Plumen består for en stor del av vann som rives med av den oppstigende boblesøylen Det medrevne vannet setter opp en radiell utstrømning nær overflaten, mens gassen strømmer ut i lufta Oppdriften i plumen kan tapes ved at bobler separerer fra plumen (sterk strøm), eller ved at gassen løses i vann (dypt vann) Utslipp av gass og olje på 84 m dyp (DeepSpilljuni 2) 4

5 Undervannsutblåsning av gass og olje Utstrømning i overflata n Den radielle utstrømningen av medrevet vann medfører at olje spres over et større område (tynt oljeflak) n Gassen kommer til overflata innenfor et begrenset område (kokesonen) Utslipp av olje og trykkluft fra 1 m dyp 5

6 Undervannsutblåsning av gass og olje Tap av oppdrift Gassbobler og oljedråper kan separere fra plumen i sterk strøm Plumen kan miste mye av oppdriften og bli innlagret (lagdelte vannmasser) Løsning av gass i vann kan også medføre tap av oppdrift og innlagring av plumen Utslipp på dypt vann, markert lagdeling På dypt vann kan oppdriften fra gassen i teorien tapes ved at gassen danner hydrat. Feltforsøk på dypt vann tyder på at dette ikke vil skje i praksis 6

7 Eksempel: Utslipp av gass fra 3 m dyp Oppstigning av plum 5 kg/s fra 3 m dyp Distanse nedstrøms, m 1 kg/s fra 3 m dyp Distanse nedstrøms, m u = 5 cm/s u = 1 cm/s u = 15 cm/s 5 u = 2 cm/s Depth, m 15 2 Dyp, m 1 15 u = 5 cm/s u = 1 cm/s u = 15 cm/s u = 2 cm/s

8 Ekstremt tilfelle: Rørbrudd på 1 m dyp Oppstigning av plum med horisontalt og vertikalt utslip kg/s fra 1 m (Statpipe) Distanse nedstrøms, m Hastighet, m/s Horisontalt utslipp, vertikalhastighet aksialhastighet Vertikalt utslipp Dyp, m 6 8 Dybde, m

9 Eksempel: 5 kg/s gass fra 3 m dyp Utstrømning ved overflaten Strømlinjer for medrevet vann og gass Dybde, m Radiell distanse, m Radiell distanse, m % 5 % 7 % 8 % 9 % 95 % 4 % 5 8 % 1 9 % 3 % 7 95 % % 2 % 1 6 % 15 1 % 5 % 2.5 % 15 4 % 2 Dybde, m % 2 % 1 % 2.5 % 9

10 Eksempel: 5 kg/s gass fra 3 m dyp Vertikal senterhastighet på plumen og radiell hastighet i overflata Stigehastighet, m/s Dybde, m 15 2 Hastighet, m/s Radiell distanse, m 1

11 Eksempel: Variasjon i utslippsrate og utslippsdyp Overordnede resultater: 7 m 1 m 3 m 5 kg/s 5 kg/s 5 kg/s 1 kg/s 5 kg/s 5 kg/s Stigetid, sekunder Midlere hastighet, m/s Plume radius, m Radius kokesone, m Volumandel gass 6 % 19 % 1 % 1 % 1 % 4 % 11

12 Undervannsutblåsning av olje og gass Oppsummering Innlagring av plumen kan forekomme ved moderate utslipp på store dyp med lagdelte vannmasser og sterk strøm Ved store utslippsrater og moderate utslippsdyp har lagdeling og strøm liten betydning for plumens utvikling Oppstigende gassbobleplumer kan medføre sterk radiell strømning i overflaten Den radielle utstrømningen vil innvirke på utstrømning av gass til luft Radius av kokesonen kan bli betydelig større enn plumens radius nær overflaten Den oppstrømmende gassen vil få en radiell bevegelse (rives med av overflatestrømmen) Forståelsen av dette er viktig for å definere startbetingelsen for spredning av gass i luft 12