三维溢油数值模式研究及其在近海的应用

发布时间：2020-06-08 07:21

【摘要】：溢油事故会对海洋环境造成严重破坏,为了全面了解评估溢油过程,人们对模拟溢油轨迹和归宿的溢油模型开发已经做了大量工作。本文简要介绍了海上石油污染的现状及其危害,并对近海水动力学和海上石油的行为与归宿数值模型的基本理论与发展现状做了详细的综述。在此理论基础上,建立了三维海面溢油迁移转化预报模型。 近海溢油行为受风、波浪和潮流等环境动力因素影响,因此首先要精确模拟出这些动力因素。为了精确描述近岸复杂流场,本文使用三维水动力模型POM和第三代近海波浪模式SWAN模拟了近海波流耦合作用下的三维水流。首先引入Mellor以线性波理论推导的垂向三维辐射应力公式,讨论了辐射应力在不同水深情况下的垂向变化规律,结果表明辐射应力主要集中在自由面附近。将三维辐射应力加入到三维水动力模型中去,研究了近岸波浪破碎引起的增水和底层离岸流现象。计算结果和实验资料相吻合的结果表明,考虑三维垂向三维辐射应力的水流模型能够对近海水动力现象进行准确的模拟。 溢油在海上经历着漂移、扩散、扩展、垂向离散、蒸发、乳化、溶解等及其相互作用的复杂过程,这些过程可以简略地概括为输运和风化过程。最近的海洋观测显示海上物体漂移轨迹具有用普通布朗运动无法描述的分形结构,油膜在海水表层运动也有加速扩散的趋势。因此,在模拟扩散过程时,利用分数布朗运动模型来描述油膜的超扩散现象。数值实验表明,当Hurst指数取0.75时,可以取得较好模拟结果。 在证实了粒子跟踪模型和浓度模型的等价性后,本文提出了粒子跟踪-浓度混合模型来模拟溢油过程。油以油粒子的形式从源强处排放,当油膜厚度或者油滴浓度低于临界值时,油粒子转为所处网格上的浓度。油粒子消失后,以欧拉-拉格朗日模型来计算浓度。为了获得三维溢油模式,利用Langeven方程描述油粒子在垂向的运动。结果表明,浮力和垂向湍流强度是油滴垂向运动的重要因素。将输运模型和风化模型相结合来预测溢油表层运动,油滴的垂向分布,水体中油浓度以及油组分之间的平衡。用此模型模拟大连附近海域“阿提哥”号油轮溢油事故,数值模拟结果和卫星观测数据吻合良好。
【图文】：

2.2溢油模型研究进展对于进入水体的油，只有充分了解其在水体中的动力学和非动力学过程，才能合理地模拟其轨迹和归宿，其过程如图1.2所示[06]。海上油的轨迹和归宿的物理化学性质和环境条件所决定。后者是依赖于地点和时间，而前者基本依赖于原油的化学性质。

算内模态方程。一次外模态时间步长后，外模态 (2.22)一 (2.24)方程中等号右边的各项由内模态新计算的结果代替，开始下一个外模态计算。在以后的计算中式 (2.22)一 (2.24)中的对流和辐射项将由内模态计算结果提供。图2.1为内外模态交替计算示意图，ET为水位，UTB、VTB分别为上一时刻的垂向平均流速，，UTF、VTF分别为下一时刻的垂向平均流速，DTE为内模时间步长，DTI为外模时间步长。l广，}布，?丁气l川l…l}川B日4盯VT1亨U丁厂Vl「厂eodback___--------一丁一母一----一‘n
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X55

【引证文献】

相关期刊论文 前1条

1 王琰;程林;陈奇良;袁燕;孙杨;;考虑蒸发、溶解和生物降解效应的油粒子模型[J];科学技术与工程;2014年09期

相关硕士学位论文 前2条

1 顾恩慧;海上溢油行为与归宿的数值模拟[D];浙江大学;2013年

2 张楠;海洋溢油运动轨迹预测模型的研究与应用[D];大连海事大学;2014年

本文编号：2702735