基于Lagrange追踪的海上溢油预报模型研究

论文摘要

海上溢油事故的频繁发生,引起了人们对海上溢油的普遍关注和大量研究,为了减小溢油事故对海洋环境造成的影响,对海上溢油行为和归宿预报模型的研究就显得尤为重要。海上石油通常使用海底石油管线或油轮运输,两者均存在很大风险。鉴于此,本文根据前人研究工作的总结和本课题研究的需要,对近海水动力和溢油模型进行了系统的文献综述。在此基础上,以N-S方程和紊流扩散为主要理论、以Lagrange追踪法和Lagrange积分法为主要求解方法,分别建立了海底管线溢油预报模型和二维、三维海面溢油迁移转化预报模型,研究的主要内容包括:在算子分裂法的基础上,将SOWMAC和Crank-Nicolson有限元两种高精度分裂格式推广应用于污染物三维对流扩散方程,同时对经典ADI格式的对流项做了改进,改进后的格式的对流项对空间具有四阶精度,而经典ADI格式对空间只有二阶精度,并对两种典型的浓度场进行了数值模拟,且将这三种高精度格式的计算结果与解析解以及其它传统差分格式的计算结果进行了对比。针对海底管线溢油事故,建立了海底管线溢油预报模型以模拟分析水下溢油的上升和扩散过程。模型采用Lagrange积分法,不仅考虑了溢油的对流扩散过程,还考虑其化学转化过程,如溶解和乳化。此外,模型还考虑了由于剪力和对流作用引起的卷吸过程,且将数值模拟结果与实验值进行了对比。水动力学模型分别使用普林斯顿海洋模式（POM）和非结构有限体积模式（FVCOM）,对大连湾、渤海和日本博多湾的潮流场进行了数值模拟,并对模拟结果进行了验证。针对油轮溢油事故,建立了二维和三维海面溢油行为和归宿预报模型。模型基于“油粒子”概念,采用Lagrange追踪法模拟海面溢油的迁移、扩散和转化。在此方法中,油膜可用大量的小油滴表示,对每个油滴都规定随时间而变化的坐标系。在每个时间段,首先油滴随当地的时均流速和脉动流速而移动,表示紊动脉动的分量同随机理论得到的扩散系数有关,然后再考虑其挥发、溶解、乳化、沉降和附着在岸边等过程。二维溢油模型基于的环境动力有风场和潮流场,使用了各向同性和各向异性两种紊动扩散公式,并对两种公式的模拟结果进行了比较。在三维溢油模型中增加了油滴的垂向紊动扩散和水平运动的二阶Stokes波导净输移,其基于的环境动力有风场、潮流场和波浪。模拟分析了在风、潮流和波浪作用下发生在1990年6月渤海海峡溢油事故中油膜的迁移、扩散和转化过程,并将模拟结果与观测值进行了对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 水动力学模型研究进展
• 1.2.2 溢油模型研究进展
• 1.3 本文的主要工作
• 2 污染物对流扩散方程的高精度格式
• 2.1 模型建立
• 2.1.1 基本方程
• 2.1.2 模型求解
• 2.2 格式应用及验证
• 2.3 本章小结
• 3 海底管线溢油模型及其数值模拟
• 3.1 模型建立
• 3.1.1 基本方程
• 3.1.2 模型求解
• 3.2 模型应用及验证
• 3.3 本章小结
• 4 近海二维水动力和海面溢油模型及其数值模拟
• 4.1 二维水动力模型建立
• 4.1.1 基本方程
• 4.1.2 定解条件
• 4.1.3 模型求解
• 4.2 二维海面溢油预报模型建立
• 4.2.1 环境动力子模块
• 4.2.2 模型的研究与实现
• 4.3 模型应用及验证
• 4.3.1 水动力模型的应用及验证
• 4.3.2 溢油模型的应用及验证
• 4.4 本章小结
• 5 近海三维水动力和海面溢油模型及其数值模拟
• 5.1 三维水动力模型建立
• 5.1.1 笛卡儿坐标系下的基本方程
• 5.1.2 σ坐标系下的基本方程
• 5.1.3 定解条件
• 5.1.4 模型求解
• 5.2 三维海面溢油预报模型建立
• 5.2.1 环境动力子模块
• 5.2.2 模型的研究与实现
• 5.3 模型应用及验证
• 5.3.1 水动力模型的应用及验证
• 5.3.2 溢油模型的应用及验证
• 5.4 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢