波浪破碎过程对油滴垂直混合的作用研究

摘要

海上溢油可以被多种过程所分散,其中波浪破碎是溢油入水的最直接最主要原因。油粒子在波浪破碎搅拌作用下以微滴的形式进入水体内部,以便于油水进一步混合,同时入水油滴在浮力的作用下可浮出水面。当油雷诺数很大时,湍流脉动压力是使油滴破碎的机制,当雷诺数很小时,粘性剪切代替湍流压力成为油滴破碎的主要机制。所以油滴形成、粒径分布和动力学过程的定量表达是本文研究的中心问题。
　　本文基于Yuan et al.(2009)破碎波统计量的理论模型,利用量纲分析和相似性定理,导出单位海表单位时间油滴的卷入体积公式,在此基础上,建立了波浪破碎形成的油滴总数与油滴半径、表面张力的关系,湍流能量耗散率间的关系。最终导得随油径变化的油径数目函数N的理论表达式,与观测结果符合较好。本文改进了Tkalich and Chan(2002)的油滴动力模型,利用破碎参数(破碎能量损耗率和卷入深度)统计形式更符合实际海况。最后,本文采用球坐标系下MASNUM海浪模式,波浪破碎统计模型以及改进了的T&C(2002)油滴动力模型对渤海曹妃甸海域2006年的溢油事故进行了模拟实验,探讨了影响海表残油量分数和水体中油滴卷入量分数的主要因素,并用Envisat ASAR观测数据对模型进行了验证,得到了令人满意的结果。
　　本项研究将理论研究和实际工作结合起来,可在海洋溢油的应急响应和评估中起到一定的指导作用。

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第1章 绪论

1.1选题意义

1.2国内外研究进展

1.3本文工作及创新点

1.4论文结构

第2章 破碎波对溢油影响所需海浪数值模式

2.1球坐标系下MASNUM海浪数值模式

2.2MASNUM波浪破碎模型概述

2.2.1波浪破碎模型的建立

2.2.2破碎海浪统计量

第3章 油滴在破碎波作用下的混合过程与分布

3.1溢油分散过程数值模型

3.1.1入水过程模型

3.1.2上浮过程模型

3.1.3油滴动力方程

3.2溢油蒸发模型

3.2.1经典模型介绍

3.2.2模型中参数的改进

3.3油滴垂直混合模型参数的敏感性分析

3.3.1油的密度、粘度敏感性试验

3.3.2表面张力系数、湍流能量耗散率敏感性试验

3.3.3破碎能量耗散率、卷入能量率系数敏感性试验

3.3.4波陡、卷入深度敏感性试验

3.4油径谱模型

3.4.1油径谱与卷入率的关系的推导

3.4.2油径谱的推导

3.4.3油径谱的应用

第4章 溢油垂直混合过程数值试验

4.1渤海曹妃甸海域溢油事故数值试验

4.1.1卫星观测资料

4.1.2波浪参数及破碎参数模拟

4.1.3渤海湾曹妃甸附近海域溢油残油量数值试验

4.2试验结论

第5章 总结与展望

5.1本文主要结论

5.2存在的问题与未来工作展望

参考文献

致谢