CN108268751A - 水下溢油运动数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统 - Google Patents

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Abstract

水下溢油运动数值模拟方法和模拟系统，将溢油视为由一群不同大小的油粒子构成的油团，进行粒子定义，求取油粒子的运动速度、迁移位移和扩散位移来确定油粒子在t时刻的位置，进而确定溢油的扩散范围和浓度分布。水下溢油运动数值模拟方法通过追踪每一个油粒子的运动行为，来研究溢油在水下的运动特征和扩散范围，构建了“拉格朗日粒子追踪模型”，较现有的“拉格朗日积分模型”，其计算方法更符合水下溢油的运动机制，可更真实地再现水下溢油的运动特征，进一步提高水下溢油扩散范围及浓度分布计算的可靠性，并实现与现有水面溢油数值模拟技术的无缝对接。

Description

水下溢油运动数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统
技术领域
本发明涉及计算模拟技术领域，具体涉及一种水下溢油运动数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统。
背景技术
准确地掌握溢油在水环境中的时空分布，可为解决溢油污染问题提供精确的数据和可靠的指导。数值模拟技术是再现或预测溢油在水环境中的时空分布的重要方法，在溢油污染防治方面具有重要的应用价值。
水面溢油数值模拟技术已较为成熟，目前流行的“油粒子模型”能够较好地模拟溢油在水面的运动变化过程。水下溢油较水面溢油的运动变化过程更为复杂，溢油在初始动量的作用下喷射到密度较大的环境流体中，破碎成一群由不同大小的油滴组成的“粒子油团”，初期具有射流和羽流的运动特征，随后又表现为对流和扩散的运动特征；粒径大的油滴可较快上升到水面，粒径小的油滴上升速度较慢甚至会悬浮在水体中，油滴粒径分布是制约溢油运移和浓度分布的重要因素。溢油在水下复杂的运动机制无疑增大了数值模拟的技术难度。目前国内外普遍采用的水下溢油运动数值模拟方法为“拉格朗日积分模型”，通过将具有初始动量的浮射流看成是一系列互不干涉的移动单元来模拟溢油的迁移扩散过程。该方法在计算溢油初始阶段的整体运移趋势方面可取得较好效果，但由于采用了许多对称假设，且忽略了油滴粒径分布对溢油运动的影响作用，导致其在溢油扩散范围和浓度分布计算方面存在明显不足，计算误差会随着控制单元半径的增大而不断增大；并且该方法仅限于模拟溢油抵达水面之前的运动过程，不能直接与现有成熟的水面溢油数值模拟技术对接，实用性较差。
鉴于水下溢油具有“粒子”的运动特征，因此将溢油模拟成大量不同粒径的粒子组成的“油团”，构建水下溢油的“拉格朗日粒子追踪模型”，通过追踪每一个粒子的运动行为，来研究溢油在水下的运动特征和扩散范围；并且当油滴抵达水面后，该模型可直接与水面溢油的“油粒子模型”对接，实现对水下溢油行为与归宿的全程模拟。相对现有的“拉格朗日积分模型”，这种“拉格朗日粒子追踪模型”可更真实地再现水下溢油的运动特征，在溢油扩散范围和浓度分布计算方面具有更高的可靠性，并且可实现与现有水面溢油数值模拟技术的无缝对接，具有更好的实用性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中对水下溢油运动数值模拟误差大、精确性低、实用性较差的问题，提供一种可靠性高、精确度高、实用性好的水下溢油运动的数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统。
为了实现以上目的，本发明提供如下技术内容：
水下溢油运动数值模拟方法，将溢油视为由一群粒径不同的油粒子组构成的油团，每个油粒子组由大量粒径相同的油粒子构成，油粒子数量与该油粒子组的粒径有关。通过追踪每一个油粒子的运动行为，来研究溢油在水下的运动特征和扩散范围，所述模拟方法包括以下步骤：
S1：油粒子的定义：
其中，Pi,j为第i个粒子组内第j个油粒子的特征体积，Fi,j为该油粒子附加体积参数，Di为该粒子组内的油粒子粒径，fi,j为该油粒子所占溢油总体积的百分比，P0为溢油的总体积，N为不同粒径的油粒子组数，n为该粒子组内油粒子总数。
S2：求取油粒子的运动速度
其中，m为油粒子质量，为水体流速，ρ为油粒子密度，ρα为水体密度，为垂直方向的单位矢量，Cd为拖曳力系数，D为油粒子的粒径，Vc'为流体速度在油粒子轨迹线上的投影。
S3：求取油粒子沿方向的迁移位移
其中，t0是初始时间，Δt为时间步长，为油粒子的运动速度，是时间t的函数。
S4：求取油粒子在垂直于方向上的扩散位移
其中，R为[-1，1]之间的均匀分布随机数，Ka为湍扩散系数，Δt为时间步长。
S5：求取油粒子的实际位移及t时刻的位置
其中，t0是初始时间，为油粒子初始位置，为油粒子经过一个时间步长Δt后的实际位移，为经过一个时间步长Δt后运移到的新位置。
S6：计算溢油的扩散范围和浓度分布：
根据t时刻所有油粒子的空间位置统计分析出t时刻溢油分布区域的位置及大小，确定出溢油分布区域的外包络范围及纵断面和横断面的外包络线，获得溢油的扩散范围数据；进而通过计算水体内每个网格单元内溢油的含量，获得溢油在水体内的浓度分布数据。
每个计算网格单元内的溢油浓度计算公式如下：
其中，C为网格单元内的溢油浓度,mi,j为位于该网格单元内的油粒子质量，ρ为油粒子密度，Pi,j为位于该网格单元内的油粒子特征体积，fi,j为该油粒子所占溢油总体积的百分比，P0为溢油的总体积,K为位于该网格单元内的油粒子组数，k为该粒子组内的油粒子总数，ΔL为网格单元体积。
水下溢油行为模拟系统，包括参数输入模块、水下溢油运动模拟模块、水面溢油运动模拟模块和系统数据库。水下溢油运动模拟模块为系统的核心部分，在油粒子抵达水面后与水面溢油运动模拟模块对接，根据输入的溢油源强数据，对溢油在水下和水面的运动行为进行全程模拟，求取溢油在水环境中的行为归宿、污染范围和污染程度；系统数据库用于提供系统运行所需的基础数据和存储计算结果。
参数输入模块：用于输入溢油参数和环境参数，所述溢油参数包括但不限于溢油总体积和油粒子密度，所述环境参数包括但不限于水体流速、水体密度和风速；
水下溢油运动模拟模块，以水下溢油“拉格朗日粒子追踪模型”为计算方法，对溢油在水下的运动进行模拟；包括油粒子定义处理单元、油粒子运动速度计算单元、油粒子迁移位移计算单元、油粒子扩散位移计算单元、油粒子实时位置计算单元、溢油水下扩散范围及浓度分布计算单元；
水面溢油运动模拟模块：用于对溢油在水面的运动进行模拟；
系统数据库：用于提供系统运行所需的基础数据和存储溢油模拟计算结果；
所述油粒子定义处理单元：用以根据溢油参数将溢油划分为不同粒径的油粒子，并计算出油粒子进入水体的初始速度。
所述油粒子运动速度计算单元：用以根据油粒子的粒径、油粒子密度、溢油总体积以及水体流速、水体密度，计算各个油粒子的运动速度。
油粒子迁移位移计算单元：用以根据油粒子的运动速度，计算油粒子沿运动速度方向的迁移位移。
油粒子扩散位移计算单元：用以根据油粒子的随机扩散特性，计算油粒子在垂直运动速度方向上的扩散位移。
油粒子实时位置计算单元：用以根据油粒子的迁移位移和扩散位移，计算油粒子的实际位移及该时刻的空间位置。
溢油水下扩散范围及浓度分布计算单元：用以根据油粒子的实时位置，计算该时刻溢油的扩散范围和浓度分布，并将计算结果输出到系统数据库中存储。
水面溢油运动模拟模块，以现有较为成熟的水面溢油“油粒子模型”为计算方法，包括油粒子迁移位移计算单元、油粒子扩散位移计算单元、油粒子实时位置计算单元、油粒子挥发计算单元、溢油水面扩散面积及油膜厚度分布计算单元。
油粒子迁移位移计算单元：用以根据水体流速、水面风速等，计算油粒子在水面的迁移位移。
油粒子扩散位移计算单元：用以根据油粒子的随机扩散特性，计算油粒子在水面的扩散位移。
油粒子实时位置计算单元：用以根据油粒子的迁移位移和扩散位移，计算油粒子在水面的实际位移和该时刻的空间位置。
油粒子挥发计算单元：用以根据溢油油种、水面风况、水温、气温及前一时刻的扩散面积等计算油粒子的挥发量和残油量。
溢油水面扩散面积及油膜厚度分布计算单元：用以根据油粒子的实时位置和残油量，计算该时刻溢油的扩散面积和油膜厚度分布，并将计算结果存储到数据库中。
系统数据库，用于提供系统运行所需的基础数据和存储溢油模拟计算结果。包括环境流场数据、水面风况、溢油时空分布数据。
所述油粒子位于水下时，采用水下溢油运动模拟模块进行油粒子运动模拟计算，油粒子到达水面后，采用水面溢油运动模拟模块进行油粒子运动模拟计算。
本发明的有益效果为：
水下溢油运动数值模拟方法，是将溢油模拟为大量不同粒径的油滴组成的“粒子油团”，构建了“拉格朗日粒子追踪模型”，较现有的“拉格朗日积分模型”，其计算方法更符合水下溢油的运动机制，可更真实地再现水下溢油的运动特征，进一步提高水下溢油扩散范围及浓度分布计算的可靠性，并实现与现有水面溢油数值模拟技术的无缝对接。
水下溢油行为模拟系统，以水下溢油“拉格朗日粒子追踪模型”为核心，直接与现有的水面溢油“油粒子模型”对接，实现对溢油在水下和水面的运动行为的全程模拟，为解决水下溢油污染问题提供更为精确的数据和可靠的指导。
附图说明
图1为“拉格朗日粒子追踪模型”的油粒子粒径分布示意图；
图2为“拉格朗日粒子追踪模型”的油粒子位移计算示意图；
图3为水下溢油模拟流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种水下溢油运动数值模拟方法，对水下溢油的迁移扩散过程进行模拟分析，求取溢油在水下的扩散范围和浓度分布的精确数据。
水下溢油运动数值模拟方法，通过构建水下溢油的“拉格朗日粒子追踪模型”，把溢油模拟为大量不同大小的粒子(油滴)组成的“油团”，通过追踪每一个粒子的运动行为，来研究溢油在水下的运动特征和扩散范围，具体方法如下。
S1：油粒子的定义。
溢油在初始动量的作用下喷射到密度较大的环境流体中，破碎成一群由不同大小的油滴组成的“粒子油团”。将溢油视为由一群粒径不同的油粒子组构成的油团，每个油粒子组由大量粒径相同的油粒子构成，油粒子数量与该油粒子组的粒径有关。所有油粒子近似视为均匀的球体，每一个粒子表征一定数量的溢油，并用特征体积参数的方法来实现对油粒子特性的模拟。油滴粒径决定其最终上浮速率，粒径大的油滴可较快上升到水面，粒径小的油滴上升速度较慢甚至会悬浮在水体中，不同粒径的油滴具有不同的运动特征。考虑到粒径分布的重要性，“拉格朗日粒子追踪模型”中的油粒子粒径分布采用Yapa等人的研究成果(该成果与Deepspill实验观测结果基本一致)，将所有油粒子分成N个不同粒径的粒子组，不同粒径的粒子组所占溢油总体积的百分比是不同的，油粒子粒径分布如图1所示。油粒子的体积参数定义为：
其中，Pi,j为第i个粒子组内第j个油粒子的特征体积，Fi,j为该油粒子附加体积参数，Di为该粒子组内的油粒子粒径，fi,j为该油粒子所占溢油总体积的百分比，P0为溢油的总体积，N为不同粒径的油粒子组数，n为该粒子组内油粒子总数。每个油粒子组中，油粒子总数会存在差异，即对于每个油粒子组，n值会不同。
S2：求取油粒子的运动速度
具有初始动量的油粒子进入水体后，在浮力、水体阻力的共同作用下其速度不断减小。水平方向上，油粒子速度逐渐降至与水体流速一致；垂直方向上，随着油粒子速度的降低，其受到的水体阻力不断减小，当减小至等于浮力时，粒子将开始在垂直方向上做匀速运动，直至升至水面。
油粒子速度的计算通过动量守恒方程求得。溢油进入水体后，对单一油粒子来说，其在环境水体中的运动满足如下动量守恒：
其中，第一项是由于水体流速引起的动量变化，m为油粒子质量，为水体流速；
第二项是由于浮力作用引起的动量变化，ρ为油粒子密度(即溢油的密度)，ρα为水体密度(即溢油发生水域水体的密度)，为垂直方向的单位矢量；
第三项是水体拖曳力作用引起的动量变化，拖曳力与油粒子密度ρ和直径D、相对水体的流速以及拖曳力系数Cd有关(拖拽力系数与流体类型有关)，Vc'为水体流速Vc在油粒子轨迹线上的投影。
油粒子在水中的运动过程具有拉格朗日特征，其实际位移可分解为沿方向的迁移位移和垂直于方向的扩散位移油粒子位移的计算如图2所示。
S3：求取油粒子沿方向的迁移位移
油粒子在Δt时段内的迁移位移可表达为：
其中，t0是初始时间，Δt为时间步长，为油粒子的运动速度，是时间t的函数。
S4：求取油粒子在垂直于方向上的扩散位移
油粒子在水体中的扩散过程属随机运动，在Δt时段内的扩散位移可用下式表达：
其中，R为[-1，1]之间的均匀分布随机数，Ka为湍扩散系数，Δt为时间步长。
S5：求取油粒子的实际位移及t时刻的位置
基于以上求得的油粒子在Δt时段内的迁移位移和扩散位移求取油粒子在Δt时段内的实际位移及t时刻的位置计算公式如下：
其中，t0是初始时间，为油粒子初始位置，为油粒子经过一个时间步长Δt后的实际位移，为经过一个时间步长Δt后运移到的新位置。
S6：计算溢油的扩散范围和浓度分布。
根据所有油粒子的空间位置，溢油的扩散范围和浓度分布计算方法如下：
根据t时刻所有油粒子的空间位置统计分析出t时刻溢油分布区域的位置及大小，确定出溢油分布区域的外包络范围及纵断面和横断面的外包络线，获得溢油的扩散范围数据；进而通过计算水体内每个单位网格单元内溢油的含量，获得溢油在水体内的浓度分布数据(注：该浓度并非指溶解于水中的油类浓度，而是指位于单位水体内的溢油质量)，其中单位网格单元为一个定义的空间范围的大小。
其中，每个计算网格单元内的溢油浓度计算公式如下：
其中，C为网格单元内的溢油浓度,mi,j为位于该网格单元内的油粒子质量，ρ为油粒子密度，Pi,j为第i个粒子组内第j个油粒子的特征体积，fi,j为该油粒子所占溢油总体积的百分比，P0为溢油的总体积,K为位于该网格单元内的油粒子组数，k为该粒子组内的油粒子总数，ΔL为网格单元体积。
对于扩散范围和浓度分布模拟计算的具体实现，可以采用MATLAB仿真软件进行油粒子扩散模型的仿真统计分析，确定t时刻所有油粒子的位置，根据所有油粒子的位置，仿真模拟油粒子范围的包络线，进而获得油粒子的扩散范围。
求取的溢油扩散范围和浓度分布数据可以反应出溢油对水体污染的范围及程度。
至此，完成整个水下溢油运动的数值模拟过程。
本发明进一步提供了一种水下溢油行为模拟系统，用于对溢油自水下泄漏后在水下及上升至水面后的运动行为进行全程模拟，求取溢油的行为归宿、污染范围和污染程度，为水下溢油污染防治提供精确的数据和可靠的指导。
水下溢油行为模拟系统包括参数输入模块、水下溢油运动模拟模块、水面溢油运动模拟模块和系统数据库，如图3所示。水下溢油运动模拟模块为系统的关键部分，根据输入的溢油源强数据，对溢油在水下的运动行为进行模拟，求取溢油在水下的行为归宿、污染范围和污染程度；在油粒子抵达水面后，将与水面溢油运动模拟模块对接，对溢油在水面的运动行为进行模拟，求取溢油在水面的行为归宿、污染范围和污染程度；系统数据库用于提供系统运行所需的基础数据和存储计算结果。
参数输入模块：用于输入溢油参数和环境参数，所述溢油参数包括但不限于溢油总体积和油粒子密度，所述环境参数包括但不限于水体流速、水体密度和风速。
系统数据库，用于提供系统运行所需的基础数据和存储溢油模拟计算结果。例如，可以存储溢油参数和环境参数，参数输入模块输入后，调用系统数据库中的相关数据。
水下溢油运动模拟模块，以水下溢油“拉格朗日粒子追踪模型”为计算方法，以对溢油在水下和水面的运动进行模拟；包括油粒子定义处理单元、油粒子运动速度计算单元、油粒子迁移位移计算单元、油粒子扩散位移计算单元、油粒子实时位置计算单元、溢油水下扩散范围及浓度分布计算单元。
油粒子定义处理单元：用以根据溢油量(总体积)、油种(油粒子密度)、喷出速度等溢油源强参数将溢油划分为不同粒径的油粒子，并计算出油粒子进入水体的初始速度。溢油源强参数由系统界面输入。
油粒子运动速度计算单元：用以根据油粒子的粒径、油粒子密度、油粒子质量以及水体流速、水体密度等指标，计算各个油粒子的运动速度。其中，油粒子的粒径、油粒子密度、油粒子质量数据由油粒子定义处理单元提供，水体流速、密度等数据从系统数据库读取。
油粒子迁移位移计算单元：用以根据油粒子的运动速度，计算油粒子沿运动速度方向的迁移位移。
油粒子扩散位移计算单元：用以根据油粒子的随机扩散特性，计算油粒子在垂直运动速度方向上的扩散位移。
油粒子实时位置计算单元：用以根据油粒子的迁移位移和扩散位移，计算油粒子的实际位移及该时刻的空间位置。
溢油水下扩散范围及浓度分布计算单元：用以根据油粒子的实时位置，计算该时刻溢油的扩散范围和浓度分布，并将计算结果输出到数据库中存储。
水面溢油运动模拟模块，采用现有技术较为成熟的水面溢油“油粒子模型”为计算方法，包括油粒子迁移位移计算单元、油粒子扩散位移计算单元、油粒子实时位置计算单元、油粒子挥发计算单元、溢油水面扩散面积及油膜厚度分布计算单元。
油粒子迁移位移计算单元：用以根据水体流速、水面风速等，计算油粒子在水面的迁移位移。水体流速、水面风速数据从系统数据库读取。
油粒子扩散位移计算单元：用以根据油粒子的随机扩散特性，计算油粒子在水面的扩散位移。
油粒子实时位置计算单元：用以根据油粒子的迁移位移和扩散位移，计算油粒子在水面的实际位移和该时刻的空间位置。
油粒子挥发计算单元：用以根据溢油油种、水面风况、水温、气温及前一时刻的扩散面积等计算油粒子的挥发量和残油量。相关数据均从系统数据库读取。
溢油水面扩散面积及油膜厚度分布计算单元：用以根据油粒子的实时位置和残油量，计算该时刻溢油的扩散面积和油膜厚度分布，并将计算结果存储到数据库中。
油粒子位于水下时，采用水下溢油运动模拟模块进行油粒子运动模拟计算，油粒子到达水面后，采用水面溢油运动模拟模块进行油粒子运动模拟计算。进而可以实现溢油水下和水面迁移扩散的全过程模拟。

Claims (4)

1.水下溢油运动数值模拟方法，其特征在于，将溢油视为由一群不同大小的油粒子构成的油团，通过追踪每一个油粒子的运动行为，来研究溢油在水下的运动特征和扩散范围，所述模拟方法包括以下步骤：
S1：油粒子的定义：
其中，Pi,j为第i个粒子组内第j个油粒子的特征体积，Fi,j为该油粒子附加体积参数，Di为该粒子组内的油粒子粒径，fi,j为该油粒子所占溢油总体积的百分比，P0为溢油的总体积，N为不同粒径的油粒子组数，n为该粒子组内油粒子总数；
S2：求取油粒子的运动速度
其中，m为油粒子质量，为水体流速，ρ为油粒子密度，ρα为水体密度，为垂直方向的单位矢量，Cd为拖曳力系数，D为油粒子的粒径，V′c为水体速度在油粒子轨迹线上的投影；
S3：求取油粒子沿方向的迁移位移
其中，t0是初始时间，Δt为时间步长，为油粒子的运动速度，是时间t的函数；
S4：求取油粒子在垂直于方向上的扩散位移
其中，R为[-1，1]之间的均匀分布随机数，Ka为湍扩散系数，Δt为时间步长；
S5：求取油粒子的实际位移及t时刻的位置
其中，t0是初始时间，为油粒子初始位置，为油粒子经过一个时间步长Δt后的实际位移，为经过一个时间步长Δt后运移到的新位置；
S6：计算溢油的扩散范围和浓度分布。
2.如权利要求1所述的水下溢油运动数值模拟方法，其特征在于，计算溢油的扩散范围和浓度分布的方法为：根据t时刻所有油粒子的空间位置确定出溢油分布区域的外包络范围及纵断面和横断面的外包络线，获得溢油的扩散范围数据；通过计算水体内每个网格单元内溢油的含量，获得溢油在水体内的浓度分布数据；
每个计算网格单元内的溢油浓度计算公式如下：
其中，C为网格单元内的溢油浓度,mi,j为位于该网格单元内的油粒子质量，ρ为油粒子密度，Pi,j为位于该网格单元内的油粒子特征体积，fi,j为该油粒子所占溢油总体积的百分比，P0为溢油的总体积,K为位于该网格单元内的油粒子组数，k为该粒子组内的油粒子总数，ΔL为网格单元体积。
3.水下溢油行为模拟系统，其特征在于：包括参数输入模块、水下溢油运动模拟模块、水面溢油运动模拟模块和系统数据库；
参数输入模块：用于输入溢油参数和环境参数，所述溢油参数包括但不限于溢油总体积和油粒子密度，所述环境参数包括但不限于水体流速、水体密度和风速；
水下溢油运动模拟模块：用于对溢油在水下的运动进行模拟；包括油粒子定义处理单元、油粒子运动速度计算单元、油粒子迁移位移计算单元、油粒子扩散位移计算单元、油粒子实时位置计算单元、溢油水下扩散范围及浓度分布计算单元；
系统数据库：用于提供系统运行所需的基础数据和存储溢油模拟计算结果；
所述油粒子定义处理单元：用以根据溢油参数将溢油划分为不同粒径的油粒子，并计算出油粒子进入水体的初始速度；
所述油粒子运动速度计算单元：用以根据油粒子的粒径、油粒子密度、溢油总体积以及水体流速、水体密度，计算各个油粒子的运动速度；
所述油粒子迁移位移计算单元：用以根据油粒子的运动速度，计算油粒子沿运动速度方向的迁移位移；
所述油粒子扩散位移计算单元：用以根据油粒子的随机扩散特性，计算油粒子在垂直运动速度方向上的扩散位移；
所述油粒子实时位置计算单元：用以根据油粒子的迁移位移和扩散位移，计算油粒子的实际位移及该时刻的空间位置；
所述溢油水下扩散范围及浓度分布计算单元：用以根据油粒子的实时位置，计算该时刻溢油的扩散范围和浓度分布，并将计算结果输出到系统数据库存储。
4.水下溢油行为模拟系统，其特征在于：进一步包括用于对溢油水面运动进行模拟的水面溢油运动模拟模块，采用水面溢油油粒子模型计算方法，包括：油粒子迁移位移计算单元、油粒子扩散位移计算单元、油粒子实时位置计算单元、油粒子挥发计算单元、和溢油水面扩散面积及油膜厚度分布计算单元；所述油粒子位于水下时，采用水下溢油运动模拟模块进行油粒子运动模拟计算，油粒子到达水面后，采用水面溢油运动模拟模块进行油粒子运动模拟计算。
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