CN102855403A - 深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法 - Google Patents
深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102855403A CN102855403A CN2012103356199A CN201210335619A CN102855403A CN 102855403 A CN102855403 A CN 102855403A CN 2012103356199 A CN2012103356199 A CN 2012103356199A CN 201210335619 A CN201210335619 A CN 201210335619A CN 102855403 A CN102855403 A CN 102855403A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- omega
- oil
- oil spilling
- sea
- track
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
本发明公开了一种深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,所采用的方法是:设置海面、溢油及其环境参数,并计算溢油中所含油粒子总数;根据海洋环境参数和海浪的色散关系,计算海面的频谱,并对海面的频谱转换为波数谱;根据Longuet-Higgins海浪模型,计算海面的铅直位移和水质点的速度;根据拉格朗日法和漂移过程,计算溢油轨迹;最后,根据经验模型,计算溢油在归宿时刻的蒸发量、分散量、溶解量、含水量、密度及粘度。本发明是通过JONSWAP经验海浪谱来体现风场对水质点运动的影响,因此具有较高的运算效率,可用于深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,属于海洋污染分析及防治技术领域。
背景技术
在海洋中,蕴含着丰富的油气资源、水产资源及药物资源等。海面溢油一旦发生,就会在海面上形成油膜。油膜不仅会阻碍大气与海水之间的氧气交换,减少阳光进入海水,同时也会附着在海洋生物的表面上,从而导致海洋生物因缺氧而死亡。海洋溢油污染具有影响海域范围广、持续时间长、对海洋生物和生态环境破坏大的特点。
关于海面溢油轨迹的数值模拟方法,主要有对流扩散方程法和油粒子模型法两种。由于前者在模拟长时间的溢油运动时,可能会产生数值扩散,因此其模拟的溢油轨迹与实际结果偏差较大。而油粒子模型在模拟溢油轨迹时分为两步,第一步是考虑在初期阶段,溢油在自身重力、表面张力及惯性力作用下的扩展过程;第二步是油粒子的漂移过程,这是模拟溢油轨迹的核心。在深水环境下,油粒子在表面波浪的作用下产生漂移运动。因此,水质点的运动是深水环境下模拟溢油轨迹的关键,而风场是影响水质点运动的关键因素之一。
在空气和水的环境下,油粒子除了做漂移运动外,同时还发生着蒸发、乳化、溶解及分散等过程,这些会引起油污物理化学性质的变化,如成份、密度、粘度。这属于溢油归宿的问题,通常采用实验测定法或者经验模型法来计算。
发明内容
发明目的:为了克服现有海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法的不足,本发明提供了一种深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法。
技术方案:一种深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,包括以下步骤:
1.设置海面、溢油及其环境参数,并计算溢油中所含油粒子总数;
溢油的参数为{t0,tend,To,ρo,μo,Vo,do,},其中,t0为模拟溢油的初始时间,tend为模拟结束时间,To为溢油的温度,ρo为溢油的密度,μo为溢油的粘度,Vo为溢油的体积,do为油粒子的直径;海面参数为其中,U为海面上10m处的风速,为风区长度;水的参数{ρw,μw},其中,ρw为水的密度,μw为水的粘度;
2.根据海洋环境参数和海浪的色散关系,计算海面的频谱S(ω),并对海面的频谱转换为波数谱S(km,kn);
海面波数进行网格离散化处理(km,kn),km为海面在x方向上的波数,m=0,1,2,...,M-1,即在x方向上海面波数离散化M个点;kn为海面在y方向上的波数,n=0,1,2,...,N-1,即在y方向上海面波数离散化N个点,其中,L1为海面在x方向的长度,L2为海面在y方向的长度;
计算每个网格点上的海浪波数 和角频率 则海面的波数谱
3.根据Longuet-Higgins海浪模型,计算海面的铅直位移和水质点的速度,分别记为η和{u,v,w};
根据Longuet-Higgins海浪模型,深水海面在z方向上的铅直位移 其中, t为时间,φmn为[-π,π]均匀分布的相位噪声,Δkx为x方向上相邻波数之差,Δky为y方向上相邻波数之差;则深水海面上水质点在{x,y,z}方向上的速度{u,v,w}为,
4.根据拉格朗日法和漂移过程,计算溢油轨迹;
(2).令式(a)中的 求得第l个油粒子在时刻的速度为则第l个油粒子在时刻的位置为 其中,R为[0,1]均匀分布的随机数,Δt为时间步长,Kx为溢油在x方向上的扩散系数,Ky为溢油在y方向上的扩散系数,Kz为溢油在z方向上的扩散系数,若l<L,则l=l+1,并重复该步骤;
5.根据经验模型,计算溢油在归宿时刻的的蒸发量、分散量、溶解量、含水量、密度及粘度;
溢油扩展后的面积 其中,t′为扩展时间;计算溢油在tend时刻的蒸发量 其中,T0为Fev=0时溢油初始沸点的温度,TG为溢油沸点曲线的梯度;分散量 其中,τ为油水界面张力;溶解量 其中,υ为衰减常数,Kd溶解常数,S0纯水中油的溶解量;乳化过程后油的含水量 密度 粘度
有益效果:与现有技术相比,本发明所提供的深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,通过JONSWAP经验海浪谱来体现风场对水质点运动的影响。采用JONSWAP经验海浪谱和Longuet-Higgins海浪模型,计算深水环境下海面的铅直位移和水质点的速度,具有较高的运算效率;根据拉格朗日法和经验模型,计算溢油轨迹及其归宿。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1为本发明的流程图。如图1所示,深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,包括以下步骤:
1.设置海面、溢油及其环境参数,并计算溢油中所含油粒子总数;
溢油的参数为{t0,tend,To,ρo,μo,Vo,do,},其中,t0为模拟溢油的初始时间,tend为模拟结束时间,To为溢油的温度,ρo为溢油的密度,μo为溢油的粘度,Vo为溢油的体积,do为油粒子的直径;海面参数为其中,U为海面上10m处的风速,为风区长度;水的参数为{ρw,μw},其中,ρw为水的密度,μw为水的粘度;
2.根据海洋环境参数和海浪的色散关系,计算海面的频谱S(ω),并对海面的频谱转换为波数谱S(km,kn);
海面波数进行网格离散化处理(km,kn),km为海面在x方向上的波数,m=0,1,2,...,M-1,即在x方向上海面波数离散化M个点;kn为海面在y方向上的波数,n=0,1,2,...,N-1,即在y方向上海面波数离散化N个点,其中,L1为海面在x方向的长度,L2为海面在y方向的长度;
计算每个网格点上的海浪波数 和角频率 则海面的波数谱
3.根据Longuet-Higgins海浪模型,计算海面的铅直位移和水质点的速度,分别记为η和{u,v,w};
根据Longuet-Higgins海浪模型,深水海面在z方向上的铅直位移 其中, t为时间,φmn为[-π,π]均匀分布的相位噪声,Δkx为x方向上相邻波数之差,Δky为y方向上相邻波数之差;则深水海面上水质点在{x,y,z}方向上的速度{u,v,w}为,
4.根据拉格朗日法和漂移过程,计算溢油轨迹;
(2).令式(a)中的 求得第l个油粒子在时刻的速度为则第l个油粒子在时刻的位置为其中,R为[0,1]均匀分布的随机数,Δt为时间步长,Kx为溢油在x方向上的扩散系数,Ky为溢油在y方向上的扩散系数,Kz为溢油在z方向上的扩散系数,若l<L,则l=l+1,并重复该步骤;
5.根据经验模型,计算溢油在归宿时刻的的蒸发量、分散量、溶解量、含水量、密度及粘度;
溢油扩展后的面积 其中,t′为扩展时间;计算溢油在tend时刻的蒸发量 其中,T0为Fev=0时溢油初始沸点的温度,TG为溢油沸点曲线的梯度;分散量 其中,τ为油水界面张力;溶解量 其中,υ为衰减常数,Kd溶解常数,S0纯水中油的溶解量;乳化过程后油的含水量 密度 粘度
Claims (6)
1.一种深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,其特征在于,包含以下步骤:
步骤1:设置海面、溢油及其环境参数,并计算溢油中所含油粒子总数;
步骤2:根据海洋环境参数和海浪的色散关系,计算海面的频谱S(ω),并对海面的频谱转换为波数谱S(km,kn);
步骤3:根据Longuet-Higgins海浪模型,计算海面的铅直位移和水质点的速度,分别记为η和{u,v,w};
步骤4:根据拉格朗日法和漂移过程,计算溢油轨迹;
步骤5:根据经验模型,计算溢油在归宿时刻的的蒸发量、分散量、溶解量、含水量、密度及粘度。
4.根据权利要求1所述的深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,其特征在于,步骤3按如下过程进行:
根据Longuet-Higgins海浪模型,深水海面在z方向上的铅直位移 其中, t为时间,φmn为[-π,π]均匀分布的相位噪声,Δkx为x方向上相邻波数之差,Δky为y方向上相邻波数之差;则深水海面上水质点在{x,y,z}方向上的速度{u,v,w}为,
6.根据权利要求1所述的深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法,其特征在于,步骤5按如下过程进行:
溢油扩展后的面积 其中,t′为扩展时间;计算溢油在tend时刻的蒸发量 其中,T0为Fev=0时溢油初始沸点的温度,TG为溢油沸点曲线的梯度;分散量 其中,τ为油水界面张力;溶解量 其中,υ为衰减常数,Kd溶解常数,S0纯水中油的溶解量;乳化过程后油的含水量 密度 粘度
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210335619.9A CN102855403B (zh) | 2012-09-11 | 2012-09-11 | 深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210335619.9A CN102855403B (zh) | 2012-09-11 | 2012-09-11 | 深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102855403A true CN102855403A (zh) | 2013-01-02 |
CN102855403B CN102855403B (zh) | 2015-07-15 |
Family
ID=47401986
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201210335619.9A Expired - Fee Related CN102855403B (zh) | 2012-09-11 | 2012-09-11 | 深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN102855403B (zh) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103941290A (zh) * | 2013-01-22 | 2014-07-23 | 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 | 一种海底电缆运动轨迹模拟方法及系统 |
CN104215619A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-17 | 中国海洋大学 | 一种海底溢油行为归宿的实验模拟装置 |
CN104346529A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-02-11 | 中国水利水电科学研究院 | 一种社会水循环排水过程数值模拟方法 |
CN105606788A (zh) * | 2016-01-05 | 2016-05-25 | 山东交通学院 | 基于iot+gis的海洋溢油污染场景实时构建系统 |
CN107807069A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-16 | 中国石油大学(华东) | 一种海面溢油的自适应跟踪控制方法及其系统 |
CN107992708A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-05-04 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种基于拉格朗日法的钉螺随漂浮物迁移轨迹计算方法 |
CN108268751A (zh) * | 2018-01-26 | 2018-07-10 | 国家海洋局第海洋研究所 | 水下溢油运动数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101923649A (zh) * | 2010-06-22 | 2010-12-22 | 中国海洋大学 | 一种基于荧光光谱的溢油种类识别方法 |
CN102156817A (zh) * | 2011-04-11 | 2011-08-17 | 国家海洋信息中心 | 海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法 |
CN102508946A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-06-20 | 江苏科技大学 | 有限水深下溢油海面的仿真方法 |
-
2012
- 2012-09-11 CN CN201210335619.9A patent/CN102855403B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101923649A (zh) * | 2010-06-22 | 2010-12-22 | 中国海洋大学 | 一种基于荧光光谱的溢油种类识别方法 |
CN102156817A (zh) * | 2011-04-11 | 2011-08-17 | 国家海洋信息中心 | 海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法 |
CN102508946A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-06-20 | 江苏科技大学 | 有限水深下溢油海面的仿真方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
李筠 等: "基于溢油轨迹和归宿模型的钦州湾溢油风险研究", 《交通节能与环保》 * |
窦振兴 等: "海上溢油动态预测应急系统", 《中国海洋平台》 * |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103941290A (zh) * | 2013-01-22 | 2014-07-23 | 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 | 一种海底电缆运动轨迹模拟方法及系统 |
CN103941290B (zh) * | 2013-01-22 | 2017-04-05 | 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 | 一种海底电缆运动轨迹模拟方法及系统 |
CN104215619A (zh) * | 2014-09-23 | 2014-12-17 | 中国海洋大学 | 一种海底溢油行为归宿的实验模拟装置 |
CN104346529A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-02-11 | 中国水利水电科学研究院 | 一种社会水循环排水过程数值模拟方法 |
CN104346529B (zh) * | 2014-10-27 | 2017-12-05 | 中国水利水电科学研究院 | 一种社会水循环排水过程数值模拟方法 |
CN105606788A (zh) * | 2016-01-05 | 2016-05-25 | 山东交通学院 | 基于iot+gis的海洋溢油污染场景实时构建系统 |
CN107807069A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-03-16 | 中国石油大学(华东) | 一种海面溢油的自适应跟踪控制方法及其系统 |
CN107992708A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-05-04 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种基于拉格朗日法的钉螺随漂浮物迁移轨迹计算方法 |
CN107992708B (zh) * | 2017-12-27 | 2021-07-23 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种基于拉格朗日法的钉螺随漂浮物迁移轨迹计算方法 |
CN108268751A (zh) * | 2018-01-26 | 2018-07-10 | 国家海洋局第海洋研究所 | 水下溢油运动数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102855403B (zh) | 2015-07-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102855403B (zh) | 深水环境下海面溢油轨迹及其归宿的数值模拟方法 | |
Mattiazzo | State of the art and perspectives of wave energy in the Mediterranean sea: Backstage of ISWEC | |
Butterfield et al. | Engineering challenges for floating offshore wind turbines | |
CN102156817B (zh) | 海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法 | |
Dinh et al. | Offshore wind energy: technology opportunities and challenges | |
Sheng et al. | Experimental studies of a floating cylindrical OWC WEC | |
Soomere et al. | On dispersion properties of surface motions in the Gulf of Finland | |
Ning et al. | Modelling and optimization of wave energy converters | |
Li et al. | Development and validation of an aero-hydro simulation code for offshore floating wind turbine | |
Sergiienko | Three-tether wave energy converter: hydrodynamic modelling, performance assessment and control | |
Meng et al. | Dynamic response of 6MW spar type floating offshore wind turbine by experiment and numerical analyses | |
Pozzi | Numerical modeling and experimental testing of a pendulum wave energy converter (PeWEC) | |
Dizon et al. | Modular horizontal pendulum wave energy converter: Exploring feasibility to power ocean observation applications in the US pacific northwest | |
Peng et al. | Experimental investigation of a triple pontoon wave energy converter and breakwater hybrid system | |
Bae | Coupled dynamic analysis of multiple unit floating offshore wind turbine | |
Ahmed et al. | Spatial structure of internal Poincaré waves in Lake Michigan | |
Hulsbergen et al. | Dynamic tidal power for Korea | |
Sun et al. | Simulated and experimental investigation of a floating-array-buoys wave energy converter with single-point mooring | |
Wang et al. | Motion characteristics and aero-elastic responses of floating offshore wind turbine under coupling action of waves and winds | |
Murai et al. | A study on an experiment of behavior of a SPAR type offshore wind turbine considering rotation of wind turbine blades | |
Azam et al. | A self-stabilizing point absorber wave energy converter with a top-shaped buoy and non-linear power take-off for oceanographic applications | |
Faizal et al. | Potential of wave power as source of electricity in Malaysia | |
Hill | Interactions between channel topography and hydrokinetic turbines: sediment transport, turbine performance, and wake characteristics | |
Thies et al. | Novel mooring design options for high-intensity typhoon conditions-an investigation for wave energy in China | |
Chen et al. | Study on the influences of coastline changes in hydrodynamic force and tidal prism of Tianjin offshore area |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150715 Termination date: 20190911 |