水下溢油数值模拟研究

基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立了一个水下溢油数值模型。该溢油模型由两个子模型组成:羽流动力模型和对流扩散模型,其中羽流动力模型用以模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段;对流扩散模型用以模拟溢油的对流扩散阶段。通过数值实验,结合实验室水槽实验和水下溢油现场实验的观测资料进行模型验证。实验结果表明,模拟结果与观测资料一致性较好,从而验证了本文溢油模型的合理性和准确性;羽流动力模型为对流扩散模型提供源,海流、海水的垂向密度结构和油滴的直径分布是影响溢油在对流扩散阶段运动和分布的主要因素。     

层结环境中热液羽流物质输运范围的模拟计算

深海热液羽流系统对研究海底岩石圈和海洋之间的热量与物质输运及深海生物活动等科学问题具有重要意义。文章对温度层结环境中的二维轴对称热液羽流进行了数值模拟。计算结果表明,热液羽流上升过程中温度不断降低,浮力减小,在层结作用下达到最大上升高度。羽流垂向速度在羽流中心区域呈柱状分布,随着高度的增加速度值逐渐减少。计算得到的羽流最大上升高度和底部羽流半径与经典的MTT理论结果进行了对比,两者基本一致。而后随着时间增加,热液羽流顶部开始横向输运形成蘑菇状。示踪物浓度反映的羽流半径在高度0~50m保持不变,50m以上区域羽流最大半径随时间越来越大,在1.39h时不到30m,发展到100h后羽流半径达到150m。     

近岸水域中污染羽流的运动及访问频率场模型

本文研究了由污水排海工程污水扩散器排放污水形成的污染羽流在近岸水域中的运动及访问频率场模型。在对Churchill羽流运动模拟法改进的基础上,提出了羽流分片模拟法。本方法利用质量守恒原理给出了其变化关系,并采用连续释放质点追踪法计算羽流的运动路径。考虑到非保守性物质的衰减,给出了相应的计算羽流宽度的公式。对大连市黑石礁污水排海工程方案A污染羽流(以大肠杆菌作为污染指标物)访问频率场的计算表明:访问频率场对于污水排海工程环境影响预测评价和最优排污点的选择具有十分重要的意义。     

溢油应急预报业务系统研制

本项目采用"油粒子"模型,通过改进模型中垂向运动模拟方法,考虑海流、海浪、浮力以及湍流对溢油的垂向分布作用,将溢油数值预报模型同三维海流预报系统、海面风场预报系统相衔接,实现了三维溢油漂移扩散运动     

水下爆炸物羽流跟踪与定位技术仿真研究

利用主装药的化学痕迹特性,应对水下爆炸物跟踪与定位技术需求,建立了仿真模型,完成模拟 UUV 在水中环境对化学羽流追踪及源头定位的过程。所建模型可以通过更改流场信息、羽状物扩散条件等方式,形成不同形式的化学羽流,模拟出不同环境下的化学羽流运动特性。通过水中仿真实验,验证 UUV 采用追踪方法对不同环境下的化学羽流追踪和定位的有效性。     

水下管道微孔溢油扩散特性及油滴尺寸分布

对水下油管微孔泄漏进行了有关数值模拟及实验研究。首先采用计算流体动力学(CFD)方法对微孔泄漏后的油气两相混合物的运动特性进行了数值模拟,模拟结果表明随着含气率的增大,溢油在海表面横向扩散范围逐渐增大,且其变化接近线性分布;泄漏速度对溢油羽射流形态影响较大,随着泄漏速度的增大,水下溢油羽射流的截面宽度逐渐增大,油滴上升速度较快,且油滴直径不断减小;其次,对泄漏后的油滴尺寸进行了实验测试,实验结果表明泄漏量对油滴尺寸大小有较大的影响,随着泄漏量的增大,油滴获得了更大的出流速度,形成更多更小的油滴,当泄漏量增大到一定程度时油滴逐渐趋于雾化。     

2010 年夏季大连溢油事件期间北黄海漂流浮标移动轨迹的数值模拟

采用双层单向嵌套的普林斯顿大学海洋模式(POM)对2010年夏季大连溢油事件期间北黄海释放的表层漂流浮标的移动轨迹进行了数值模拟,模拟结果与实测轨迹基本吻合,模拟的表层流速纬向和经向分量与观测数据的相关系数在两观测点分别达到了0.6548,0.3659和0.4836,0.3961,均明显大于95%置信区间下的显著性临界值0.1946,但是模拟的浮标移动速度明显慢于观测。模拟出的速度时间序列在变化趋势上与实测吻合良好,但是流速数值相对于观测整体上偏小。该数值模拟系统能够较准确地模拟出2010年大连溢油事件期间北黄海的流场及漂流浮标的运动趋势,为北黄海的环境预警、灾害评估等相关研究提供有益的参考。     

利用旋转平台模拟双河口羽流相互作用的研究

本文通过旋转平台实验室实验的方法,探讨了双河口情况下两个羽流将如何发生相互作用。在研究中,提出了一种新颖的技术对河口羽流的各切面流场进行测量,来获得河口羽流多个平面的速度场及涡度场,并基于此模拟了双河口羽流系统的准三维结构。通过对不同入流速度下的双河口羽流流场演变过程和内部结构进行了一系列对比研究,以期揭示上游河流的入流如何影响下游河口涡旋的形成及在羽流相互作用情形下各个羽流的演变。实验结果表明:随着上游入流流量的增加,上游羽流形成的沿岸流对下游河口涡旋沿岸迁移的促进和离岸输运的抑制作用将更加显著。特别是在上游入流流量等于或大于下游入流流量的情况下,下游羽流河口涡旋的体积增长明显较单一河口情况放缓。在上游入流流量较大的情况下,下游原有河口涡旋被推向更下游位置,在远离河口的位置形成另一个河口涡旋。在垂直方向上,我们可以观察到高上游入流流量条件下的下游河口涡旋的深度较小,更有利于形成三层流体的情况。本研究对多河口近海流域的营养盐及污染物的输运情况等社会和生态问题的研究有着重要的意义。     

水下输油管微孔溢油的实验研究

目前大部分溢油研究都是针对大孔径泄漏进行的。文中对水下管道微孔(直径小于5 mm的孔)泄漏溢油进行了实验研究,获得了不同尺寸微孔泄漏与出流系数的关系、不同泄漏量时溢油油滴上升至水面的时间以及泄漏产生的浮羽射流的形态。实验结果表明,出流系数会随着泄漏孔孔径的增大而变大,而泄漏量的增加则会明显缩短溢油上浮至水面的时间,增大羽射流宽度。研究对水下微孔泄漏的溢油扩散提供了实验参考,为今后微孔溢油的相关研究打下基础。     

蒙特卡罗方法在海洋溢油扩展预测中的应用研究

用大量质点的运动近似海洋溢油的运动,把整个溢油看成有大量的体积很小的油块微元组成,即将溢油分为大量的质点,这些质点进行彼此独立的运动,每一质点代表一定的油量,油膜的迁移、扩展看作质点群的迁移、扩展。溢油的扩散看作质点群在湍流作用下进行的拉格朗日运动。油的蒸发、乳化等风化过程采用质点质量损失来表征,油膜的厚度分布通过一定面积内的质点数及其质量计算出。海洋溢油后,在波浪的搅动作用下,一部分溢油以乳化油和溶解态形式被带入水体中［４］,一旦进入水中,质点被看成大量的油滴,在水中进行三维运动,垂直方向运动是在浮力和湍…     

海上溢油油膜厚度浮标结构设计研究

介绍了海上溢油油膜浮标的采样池和整体结构设计,综合考虑浮标的重量、浮力和压力等因素,分析了浮标在水中的静态特性和结构强度,最终研制了符合结构设计要求的油膜浮标,通过实验证明其可靠性及密封性能良好。     

威海张家埠新港溢油事故时空行为预测

采用“油粒子”方法对威海张家埠新港建成后可能发生的溢油事故进行数值模拟，分析溢油在海洋环境中的时空行为。结果表明，在平均风速条件下，溢油漂移路径主要受潮流控制；在大风条件下，风海流强度增大，溢油基本沿风向轴线漂移扩散，而且在W向和SW向大风情况下可能抵岸，应加强防范。     

数据挖掘算法在河口羽状流数据分析中的应用

羽状流的近场扩散角作为河口动力学的关键参数,对河流入海物质的输运扩散过程有重要影响,而在真实环境中由于受到复杂因素的影响,羽状流扩散角存在着显著的变化。数据挖掘技术尽管在地学数据的应用上尚处于探索阶段,但研究这一问题提供了一种有效途径。本文基于马格达莱纳河羽状流近场扩散角及周边环境数据,利用多重数据挖掘算法开展数据分析和评估,最终建立了羽状流扩散模型,对其影响因素和时间序列开展研究。结果表明,数据挖掘算法能够有效指示环境因素的贡献值而不受量纲、极值的影响,从而为进一步探究河口羽状流控制因素提供参考。受数据量和数据精度的影响,随机森林算法得到的变量分析结果与实际情况更为相似,数据集特征与数据量之间的博弈是造成模型结果差异的主要原因。根据数据挖掘算法结果,可以在马格达莱纳河河口建立羽状流扩散角模型,并分析其随环境参数和时间变化的趋势。模型结果显示,对马格达莱纳河而言,环境因素与羽状流扩散角均存在负相关关系,河流的指向方向为最主要影响因素,其次为风速,因此在开展进一步分析时可以针对环境因素添加不同权重以期获得更真实的结果。随时间增长,羽状流扩散角将进一步收紧,可能会引起河口的通道化。     

热液柱的形态研究

热液柱是海底热液系统将其自身的能量输入海水的一种重要形式，是进行热液活动环境效应研究的主要物理对象。给出了描述热液柱形成与演化的运动方程、连续性方程和能量方程，并给出了问题的近似解。通过解的分析指出，热液流体从海底喷口喷出以后，由于初速度和浮力的存在将沿一个通道上升，随离海底距离的增大上升的速度迅速低，同时，热液流体的上升通道在侧向上将随这扩展，到达中性浮力面后不再上升，而仅在一个层面上扩展。在不考虑底层流的情况下，热液柱由热液颈和热液透镜组成。热液颈上粗下细，下部与热液喷口连接，上部与热液透镜连接；热液透镜呈宽扁的透镜状。     

Hydrodynamics of oil jets without and with dispersant: Experimental and numerical characterization

In this paper, we present the analysis of an underwater horizontal oil jet experimental measurement and Computational Fluid Dynamics (CFD) using the Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equations. Two oil subsurface releases were conducted: one with crude oil and another with crude oil premixed with dispersant at the dispersant to oil ratio (DOR) of 1:20. The jet profile was captured by a camera at moderate resolution, and the instantaneous velocity was measured by a Vectrino Profiler. The velocity components, turbulence kinetic energy, and turbulence dissipation rate from the experiment agreed well with those from the CFD simulation using the k-epsilon turbulence model. The spread angle of the jet was found to be around 21° and 24° from the experiment measurement, for oil without dispersant and oil with dispersant, respectively. The latter is close to the angle of miscible jets at 23°. The jet profile of oil with dispersant had a smaller buoyancy than that without dispersant, which is probably due to the large water entrainment for the oil with dispersant jet. The cross sections of the jet for both cases gradually became flattened with distance, as the plume turned upward.     

海面水包油乳化液溢油量等效估算方法研究

激光诱导荧光(LIF)是一种主动光学探测技术,该技术已在海面未乳化溢油油种鉴别及油膜厚度评估方面取得了一定的研究成果,但乳化溢油的监测理论基础和探测方法尚未成熟。溢油乳化物的量化会直接影响溢油污染的应急处理和灾害评估,但目前对溢油乳化液溢油量的计算尚未有研究报道。本文以水包油乳化液为研究对象,基于等效思想,根据油量相等建立了水包油乳化液与油膜的荧光检测等效模型,并依据光的辐射传输机理推导出等效油膜厚度的估算公式,最后采用仿真实例对估算方法的适用性和有效性进行了验证。实验结果表明,当水包油乳化液含油率小于12×10^-6,厚度小于5.98 cm时,利用所提出的等效方法能有效计算出水包油实际溢油厚度。该方法可为海面乳化溢油量的估算提供一种创新性的方法,具有良好的借鉴意义和实际应用价值。     

基于BRDF可见光偏振成像技术的海面溢油油种识别研究

海上溢油事件发生后需要及时判断溢油种类,为溢油事故处置提供及时有效的应对措施。本文利用BRDF多角度测量装置和可见光偏振相机对不同油种和清洁海水进行观测,基于可见光偏振特征筛选出最佳观测Stokes参量和对应观测几何,构建了清洁海水和不同油种数据集,并建立了基于BRDF偏振特征的DBN溢油油种识别模型。研究发现,在实验室可控条件下,相对方位角–60°、0°、–30°组合时油种识别效果较好,光源天顶角和相机观测角二者在接近±50°时识别效果较好;多次重复实验显示,海水、原油、重油、汽油、柴油、棕榈油的最优识别率分别为90%、86.27%、84%、80.44%、82.08%和82%;基于可见光偏振特征所建立的油种识别模型,对于海面溢油种类区分具有较好的效果。     

我国东部沿海油气勘探的新方向——多幕次叠合复式含油气盆地

以我国东部沿海中、新生代含油气盆地中的古潜山为窗口，分析了从震旦纪以来这里发育这一系列含油气原型盆地和烃源岩，形成了相互叠置的多幕次叠合复式含油气盆地和各种油气藏，这一认识将拓展东部沿海油气勘探的时空领域，是今后油气勘探的新方向。     

海洋石油光化学降解的研究

石油进入海水会发生各种物理、化学变化,以往的研究已证明光化学氧化在石油及其精炼产品风化过程中具有重要意义.光化学氧化机理主要在于接受日光照射的能量,以不同的方式与溶解氧结合,从而最终降解石油烃.生成的光氧化产物一般为羧酸、醇、醚、羰基化合物等几类,还有一些产物尚不能确定其结构.光氧化产物仍然存在毒性,对海洋生物等十分有害.在动力学方面,针对其某一组分已证实为一级反应动力学行为,并定量地得出了速率常数.光降解速率会受到光照条件、溶解氧、金属离子等因素的影响.目前的研究表明,对石油光化学进行深入探讨具有较高的研究价值和现实意义.