海上船舶溢油粒子化及适应性数值模拟研究

摘要

在经济全球化的发展趋势下，海上船舶石油运输需求量急速增长，运输船舶数量及吨位大大提高，船舶进出港口水域频率大为增加，从中不断暴露出高风险等特性。一旦船舶发生事故性溢油，如何进行准确的溢油预报并及时处理是国内外共同关注的问题。目前国内外学者在此方面都有较为深入的研究，本文是在此基础上，进一步研究海上船舶溢油预报技术，旨在为溢油应急反应提供科学参考依据。
　　 海上船舶溢油预报的快速性和准确性主要取决于环境动力要素的精确预报及溢油自身行为与归宿各过程的精确模拟，本文主要分析海上船舶溢油自身行为与归宿各过程的发展情况，并利用相关计算机软件建立相应的数值模拟模块。海上船舶发生事故性溢油后，溢油油膜行为与归宿过程较为复杂，本文通过查阅国内外的相关文献，在比对分析的基础上，研究并尽可能完善船舶溢油行为与归宿各过程。
　　 本文研究紧扣影响海上船舶溢油行为与归宿的三个因素，即溢油油品、溢油场景和海洋环境要素。文中首先对影响溢油各过程变化的三个因素进行分析，确定各变化过程需考虑的因素，进而建立相应的模块。本文在建立基于油粒子模型的溢油数值模拟时，逐一考虑的步骤如下：
　　 一、为了更加准确地反映油膜的物理、化学、生物过程，本文在油粒子模型初始化时考虑了船舶实时溢油量和溢油面积的确定方法。二、在溢油量确定的情况下，油粒子的尺寸谱能否接近真实的粒子是模拟的关键。本文建立的油粒子模型将油粒子的尺寸分为两类：①漂浮在海面的计算油粒子尺寸，按文中公式3-18和3-19确定；②入水油滴的尺寸根据实际观察结果确定，尺寸位于10-1000μm之间。
　　 三、确定模拟溢油量及油粒子数量后，根据模拟要求对每个计算油粒子赋予相应的计算参数。
　　 四、考虑各变化过程涉及的主要影响因素，建立油膜在海面上的水平迁移扩散及进入水体后的垂直扩散等变化过程的数值模拟模块，并分析各过程的相互影响因素，确定在模拟中各变化过程相互作用的参数传递方案。
　　 五、确定溢油模拟中的三个关键时间点、入水油滴尺寸以及Hurst指数。
　　 六、针对溢油行为与归宿模块的各过程，设计、建立和调试各过程模块来实现对整个溢油过程自身变化的数值模拟，最后通过各过程的适应性模拟确保整个溢油模块的稳定、可靠，为实现典型海域实时精确的溢油预报奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景、目的和意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1船舶溢油行为与归宿研究现状

1.2.2油粒子模型的研究及运用现状

1.2.3基于油粒子模型的研究空白

1.3本文研究的主要内容

第2章船舶溢油油品、场景及海洋环境要素分析

2.1船舶溢油油品分析

2.1.1海上船舶溢油油品简介

2.1.2船舶溢油油品物理化学性质分析

2.2船舶溢油场景分析

2.3海洋环境要素分析

2.3.1海洋环境动力要素分析

2.3.2海洋环境非动力要素分析

2.4对溢油行为与归宿的影响分析

2.4.1油品对行为与归宿的影响分析

2.4.2海洋环境要素对行为与归宿的影响分析

2.4.3溢油场景对行为与归宿的影响分析

2.5小结

第3章油粒子模型初始化及主要过程模块化研究

3.1油粒子模型初始化

3.1.1溢油量及溢油扩展计算方法简介

3.1.2船舶实时溢油量及溢油面积的确定

3.1.3油粒子数的确定

3.1.4油粒子附加参数的确定

3.2油粒子行为与归宿各主要过程模块化研究

3.2.1扩展过程模块化

3.2.2漂移扩散过程模块化

3.2.3蒸发、乳化过程模块化

3.2.4溶解过程模块化

3.2.5分散过程模块化

3.2.6沉降吸附过程模块化

3.2.7岸上吸附过程模块化

3.2.8光解、生物降解模型构建

3.3小结

第4章海上船舶溢油各主要过程适应性数值模拟

4.1.海上溢油预报中三个关键时间点计算

4.2模拟油滴尺寸及HURST指数的确定

4.2.1模拟油滴尺寸的确定

4.2.2 HURST指数的确定

4.3溢油初始化适应性数值模拟

4.3.1初始化各动力要素数据的设定

4.3.2初始化程序流程图设计

4.3.3初始化数值模拟结果

4.4油粒子行为与归宿适应性数值模拟

4.4.1程序流程图设计

4.4.2漂移扩散数值模拟结果

4.4.3其他变化过程数值模拟结果

第5章总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研情况