引言

海洋石油开发及运输伴随着原油泄漏污染问题，给环境和社会带来了极大影响[1-3].为此，对于污染区域的治理显得非常重要，为防污染区域随海浪作用或海洋风作用飘移，导致污染治理目标区域遗失，可采取海上浮油跟踪定位浮标定位污染区域[4-6]，这种装置由卫星定位发射装置和油污吸附承载装置两大部分组成（图1）.卫星定位发射装置安装在油污吸附承载装置中，为保证发射信号强度，同时降低浮标承受的风载荷，发射装置微露水面；承载装置的主要作用部分是一种高性能的吸油材料[7-9]，其主要原材料为羽毛，对各种黏度油污具有强烈的吸附能力，吸油比达到1:18～1:20，吸附后不易离析，并有良好的耐海水腐蚀能力；次要材料为羽毛固结材料，确保在海洋波浪和海洋风作用下，吸油材料不会分散.承载装置采用大小圆圈相套外形设计，两圆圈之间利用双层高强度丝网夹持并固定吸油材料，可以确保在海洋风和波浪的双重作用下总体形态不会发生变化，吸附的原油可以较好地保存在吸附材料中，从而使装置与油污保持性质类似.

图1　浮标示意图Fig.1 Ocean buoys

在发生海上漏油事件后，可以将海上浮油跟踪定位浮标投放到污染（漏油）区域，承载装置中的吸油材料吸附到海面原油上后，在吸附力作用下会将浮标“锁定”在油污面上，使得浮标与污染区域一起移动，其后根据卫星定位发射装置的定位作用就可以锁定污染区域飘移轨迹，实现溢油跟踪目标，以便后续的石油回收和环境清理.

在海洋风作用下，特别是恶劣海况条件时，若要保证定位浮标与污染区域同步运动，则需要浮标中吸油材料具备足够的承载能力，在不考虑吸油材料的抗分散能力下，吸油材料受力基本条件应该满足能够抵抗海洋风产生的风载荷[10-12]，即要求吸油材料与海面原油之间的黏附力高于吸油材料承受的风载.此外，由于定位浮标随船携带，使用保存必须灵活方便，且不能占用太大空间，因此在满足能够抵抗飓风产生风载的条件下，希望浮标的直径越小越好，故要求对吸油材料的直径进行优化设计.

本文拟通过室内实验，首先对吸油材料与原油之间的黏附力随吸油材料直径的变化关系进行研究，并且分析黏附力的组成部分，研究其主要作用力，在此基础上可以对吸油材料的材质进行优选；其次，对吸油材料受到的风载荷随其直径以及风速变化的规律进行研究，以期将变化规律扩展至海洋风达到的风速条件下；最后结合黏附力必须要高于风载荷的原则，在考虑恶劣海况条件下，对吸油材料的直径进行优化设计.

1　吸油材料受力分析

吸油材料直接接触的介质包括原油和空气，空气的流通反映到材料上即风载，原油的流动作用于材料即黏附力，风载荷将吸油材料推离其附着区域，而黏附力则起到固定作用.黏附力为各向同性，水平方向与垂直方向受力等同；风载荷为水平方向的力，将两者均考虑为水平方向的力时，可以不考虑受力方向，因此文中所涉及到的力均为标量.

1.1　风载荷

风载荷是风压与受力面积的乘积，油污吸附承载装置为圆盘形，所受风载面积与风向没有关联，受力面积是一定的，风载荷只和风压相关.风压计算式[13-14]如式（1）

在1个大气压、15?C和干燥的条件下，γ＝0.0kN/m3，重力加速度取值为9.8m/s2，代入式（1）得到风压公式

式中，γ为空气单位体积的重力，g为重力加速度，va为风速，P的单位为kN/m2.

1.2　黏附力

吸油材料与原油之间存在相互作用力，包括分子间作用力、液体表面张力和剪切黏性力，黏附力是这3种力的综合作用[15].其中分子间作用力是油分子与材料分子之间的相互作用，液体表面张力主要指吸油材料受到的源于油膜的液体表面张力，剪切黏性力是原油流动导致吸油材料受到的摩擦和压差作用力.由空气引起的材料表面黏附力主要来源于毛细力，毛细力的大小与水膜厚度、相对湿度以及水膜自由能有关[16-18]，考虑到实验在常规室内环境下进行，由空气相对湿度引起的黏附力很小，在文中不考虑空气引起的吸油材料表面黏附力.

（1）分子间作用力

分子间作用力分为吸引力和排斥力[19]，吸引力分为van der Waals力、Casimir力、排空力、疏水相互作用等，排斥力分为双电层力、溶剂化力、空间位型排斥力等；其中van der Waals力包括取向力、诱导力和色散力[20].分子间作用力在宏观层面上无法通过计算公式直接计算得到，本文通过材料受力平衡计算分子间作用力，具体过程见2.2节.

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