多种海况下的水下溢油数值模拟

论文摘要

石油是人们生产、生活中不可缺少的能源,随着石油工业的发展,海上油田的开发和工业技术的发展,海上石油运输日益繁忙,海底管道在石油生产运输全过程中发挥着不可替代的重要作用。但同时在这一过程中也不可避免的伴随着船舶交通事故,沉船溢油;海底管道损坏破裂,石油溢出的危险。石油泄漏不仅浪费资源,同时对海洋环境造成严重危害,因此应建立相应的溢油行为和归宿的预测方法,为溢油清理回收提供及时准确的信息。近20年来,人们发展了多种模型来预测溢油的行为与归宿,但基本上都是针对海面溢油的情况,水下溢油模型大多以研究静水条件下的水下溢油为主,没有过多考虑海况的变化,也不能有效地应用到工程实践中。本文针对上述不足提出了一种新的水下预测方法,该方法不仅可以很好的模拟石油在水下溢出的整个过程,还可以预测出每一时刻溢油在水下的迁移扩散轨迹,同时精确计算出相应的溢油量以及污染范围,使得预测结果更加准确。本文以FLUENT软件为计算平台,采用基于压力解法中的PISO算法对问题进行求解,非线性自由表面边界条件采用VOF方法,利用FLUENT的UDF定义初始、边界条件,并通过Tecplot软件将计算结果可视化。研究了影响水下溢油行为的主要因素,除了溢油本身的性质外,操作压力、海流、波浪、风生流等海洋环境条件对溢油污染范围和区域位置起决定性作用。在相同海况下,操作压力越大,溢油到达海面的位置距溢油口的水平距离越近,溢油在水下拉伸、扩展范围越小;水流速度越快,溢油在水下扩展范围就越大,当水流速足够大时,溢油将在海底附近漂流较长距离。选取Airy线性波作为海浪的代表,波动越强烈溢油水下离散范围越大,污染范围就越大。当海面有大风时,海面附近溢油扩展、漂流较猛烈,越不利于溢油的围控清除。讨论分析了溢油对海底、海洋环境生态的不利影响,为水下溢油围控清除提供有力的技术支持,为今后改进水下溢油模型打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景及研究意义
• 1.2 本领域研究现状
• 1.2.1 海面溢油的行为和归宿
• 1.2.2 水下溢油在水体中的运动研究
• 1.3 论文工作的主要内容
• 第2章 数值模拟方法基础
• 2.1 自由界面跟踪方法简介
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 有限差分法
• 2.2.2 有限元法
• 2.2.3 有限体积法
• 2.2.4 边界元法
• 2.3 海水运动的数学模型
• 2.4 水下溢油的数值模拟方法
• 2.5 FLUENT模拟水下溢油的可行性验证
• 第3章 海流作用下水下溢油计算结果及分析
• 3.1 数学模型
• 3.2 计算结果分析
• 3.2.1 溢油过程模拟
• 3.2.2 不同溢油操作压力对比
• 3.2.3 不同水流速度下对比
• 3.3 本章小结
• 第4章 海水波动作用下水下溢油计算结果及分析
• 4.1 波浪的数值模拟
• 4.2 数学模型
• 4.3 模拟计算结果分析
• 4.3.1 溢油过程模拟
• 4.3.2 不同溢油操作压力对比
• 4.3.3 不同波长条件下溢油模拟结果对比
• 4.3.4 波流作用下溢油计算结果对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 风作用下水下溢油计算及结果分析
• 5.1 数学模型
• 5.2 模拟结果分析
• 5.2.1 溢油过程模拟
• 5.2.2 不同风速下计算结果对比
• 5.3 本章小结
• 结论
• 主要结论
• 工作展望
• 参考文献
• 附录A 海流作用时 FLUENT求解信息
• 附录B 波浪作用时 FLUENT求解信息
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历