A Preliminary Study for the Prediction of Leaking-Oil Amount from a Ruptured Tank

파손된 기름 탱크로부터의 유출양 산정을 위한 기초 연구

When an oil-spilling accident occurs at sea, it is of the primary importance to predict the amount of oil leakage for the swift response and decision-making. The simplest method of oil-leakage estimation is based on the hydrostatic pressure balance between oil inside the tank and seawater outside of leakage hole, that is the so-called Torricelli equilibrium relation. However, there exists discrepancy between the reality and the Torricelli relation, since the latter is obtained from the quasi-steady treatment of Bernoulli equation ignoring viscous friction. A preliminary experiment has been performed to find out the oil-leaking speed and shape. Soy-bean oil inside the inner tank was ejected into water of the outer tank through four different leakage holes to record the amount of oil leakage. Furthermore, a CFD (Computational Fluid Dynamics) method was utilized to simulate the experimental situation. The Wavier-Stokes equations were solved for two-density flow of oil and water. VOF method was employed to capture the shape of their interface. It is found that the oil-leaking speed varies due to the frictional resistance of the leakage hole passage dependent on its aspect ratio. The Torricelli factor relating the speed predicted by using the hydrostatic balance and the real leakage speed is assessed. For the present experimental setup, Torricelli factors were in the range of 35%~55% depending on the aspect ratio of leakage holes. On the other hand, CFD results predicted that Torricelli factor could be 52% regardless of the aspect ratio of the leakage holes, when the frictional resistance of leakage hole passage was neglected.

바다에서 발생하는 유조선 등으로부터의 기름 유출사고는 해양환경을 크게 훼손하는 재앙에 속한다. 이러한 사고에 효과적으로 대응하기 위해서는 사고의 초기에 기름의 유출양을 정확히 판단하여 그에 적절한 대응방법을 수립하는 것이 필요하다. 기름 유출양의 추정을 위해서 사용되는 가장 간단한 방법은 토리첼리의 평형관계식을 사용하는 것이다. 하지만 이러한 평형관계식은 관성력과 점성력이 무시되었기 때문에 실제의 현상과는 다소 거리가 있다. 본 논문에서는 탱크로부터의 기름 유출양 산정을 위한 기초적인 실험과 수치계산을 수행하였다. 소형 유리 수조에 상자모양의 아크릴 기름탱크를 설치하고 종횡비가 다른 사각형의 유출구를 빠져나가는 기름의 양과 모양을 계측하였다. 그리고 유한체적법과 VOF법 등의 CFD 기술을 활용하여 기름과 물의 유동을 수치 시뮬레이션 하였다. CFD 계산견과는 실험에서 계측된 값과 좋은 일치를 보였으며, 복잡한 해난사고에서의 유출양 산정을 위한 CFD 기술의 활용가능성을 확인할 수 있었다. 본 논문의 실험조건에서 기름의 유출속도는 유출구의 형상에 따라 결정되는 유출구 내부의 마찰력에 의해 달라지며, 토리첼리 평형관계식으로부터 얻어지는 유출속도의 35~55%임을 알 수 있었고, 만약 유출구의 두께를 무시하면 종횡비에 상관없이 52%로 일정하게 추정되었다.