基于FLUENT的破舱船舶溢油的数值模拟

论文摘要

随着世界经济的不断发展,海上活动船舶数量的迅速增加,船舶溢油污染的形势日趋严峻,成为破坏海洋生态系统、危害海洋环境的主要海洋污染源之一。由于海洋溢油事件具有不受人为控制的突发性,加上海洋具有流动性的特点以及油轮吨位趋于大型化,因此溢油具有性质复杂、危害严重、应急处置困难等特性。一旦发生溢油事故,必须采取积极的行动措施,启动应急预案,将溢油对海洋环境的影响降低至最小。而溢油量的确定、溢油轨迹的预测是应急行动的前提,因此,需要一种根据破舱船舶油品泄漏原理能够动态计算破舱船舶油品泄漏行为的预测模型,并在此基础上开发实用的泄漏控制原理,从溢油“防止”和“控制”两个方面同时着眼,以期全面减少海上溢油风险及其造成的危害。本文采用非结构混合网格,FLUENT软件中的VOF模型、Segregated、以及压力速度耦合的PISO算法来模拟三维条件下的具有自由液面的、不互溶的、油-水-气三相不可压缩非定常流动。数值计算中涉及的控制方程有流体的连续性方程、动量方程（Navier-Stokes方程）。利用该数值模拟方法研究船舶碰撞后船舶破损处附近油水气三相流体流动,可以从细观上观察泄漏特征,有助于研究不同阶段的泄漏机理,能直观的给出油-气、水-气、油-水两相间自由界面的位置,并充分考虑在实际过程中,油品泄漏中油水置换阶段的泄漏行为,为实验研究提供有益的补充。对比FLUENT软件计算结果和实验结果,FLUENT软件计算结果与实验结果基本相同,证明用本文的计算方法得到的数值模拟计算结果在定性上是符合实际的,具有可行性。同时能从定量上研究破损处溢油速度及溢油量的大小、研究不同因素（破孔面积、油面和海面高度差、油品种类）对该破损处溢油速度、溢油时间及溢油量大小的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究意义及内容
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文工作
• 第2章 流体力学基础知识
• 2.1 FLUENT软件介绍和应用
• 2.1.1 FLUENT现状
• 2.1.2 程序的结构
• 2.1.3 FLUENT基本功能
• 2.1.4 FLUENT解决问题的步骤
• 2.1.5 FLUENT的数值求解方法
• 2.1.6 边界条件的确定
• 2.1.7 GAMBIT软件介绍
• 2.2 流体的性质
• 2.2.1 惯性
• 2.2.2 压缩性
• 2.2.3 粘性
• 2.2.4 表面张力
• 2.2.5 定常流动与非定常流动
• 2.2.6 层流与湍流
• 2.3 流体流动的基本控制方程
• 2.3.1 流体运动描述的方法
• 2.3.2 拉格朗日描述与欧拉描述的关系
• 2.3.3 质量守恒方程
• 2.3.4 动量守恒方程
• 2.3.5 能量守恒方程
• 2.4 CFD模型的数值计算算法
• 2.4.1 交错网格
• 2.4.2 SIMPLE算法
• 2.4.3 SIMPLER算法
• 2.4.4. SIMPLEC算法
• 2.4.5. PISO算法
• 2.4.6. SIMPLE系列算法的比较
• 2.5 多相自由界面计算模型
• 2.5.1 拉格朗日网格法（LGM）
• 2.5.2 刚盖假定法
• 2.5.3 界面标高法（SHM）
• 2.5.4 示踪粒子法（MAC）
• 2.5.5 VOF方法及原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 溢油模型的建立及边界条件设置
• 3.1 溢油模型介绍
• 3.2 过程描述与模型假设
• 3.2.1 过程描述
• 3.2.2 模型假设
• 3.3 溢油模型的建立
• 3.4 边界条件设置
• 3.5 本章小结
• 第4章 溢油过程的数值模拟
• 4.1 模拟计算结果与分析
• 4.2 与实验结果比较分析
• 4.3 密度不同时溢油的比较分析
• 4.4 破孔大小不同时溢油的比较分析
• 4.5 油面和海面高度差不同时溢油的比较分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目