潮汐河道溢油轨迹的数值模拟.pdf

第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集 潮汐河道溢油轨迹的数值模拟 吴兆春1’2，王道增2 (1．上海应用技术学院，200235，Email：sh—wzc@126．com) (2．上海大学应用数学与力学研究所，200072) 摘要：采用油粒子模型针对潮汐河道的两维、瞬时和连续溢油油膜轨迹进行了数值模拟。 在两维数值模拟中，油膜被分成一定数量的小格点并分别地加以追踪。作为短期预测和油膜 运动轨迹的追踪，每个格点仅考虑由周围水体的表面水流、紊流扩散和遵循费一扩展模型的扩 展过程而驱动的运动。油膜轨迹数值模拟结果表明，油膜的漂移过程，包括其漂移距离和油 膜形状，受潮汐过程的影响巨大。模拟结果也显示其运动规律大致遵循水槽的实验结果。将 计算结果结合绘图软件，能非常直观地反映油膜在潮汐河道运动的动力学规律、油膜的几何 形状、尺度大小的变化．模拟结果可为追踪溢油油膜在潮汐河道中的运动轨迹提供直观和科 学的参考依据。 关键词：潮汐流；油粒子模型；溢油数值模拟 1引言 不断增长的对石油的需求以及借助水路货物运输的日益繁忙，导致船舶运输过程由于操 作不当的排放或船舶碰撞造成的溢油事故的增加。重大溢油污染事故对生态环境造成了严重 的影响。为能科学制定溢油事故的对应措施和清除油污，因而使溢油运动规律的研究受到了 广泛的关注。 一些海洋重大溢油事故造成了严重的污染，因此海洋溢油在过去受到研究者和政府的较 多关注。对河流中溢油行为的研究，特别是潮汐河道溢油问题的研究相对较少。我国拥有丰 富的内陆航运资源。不少是繁忙的运输水道，如经济发达地区的长江、珠江、黄浦江等内陆 河道。由于其具有河海口，海面的潮汐过程对内河的水流流动产生很大影响，属于感潮或潮 汐河道。随着经济的发展，这些河流中的溢油事故日益增多且已对环境造成重大影响。 溢油的运动规律受物理、化学、生物过程影响，包括扩展、迁移、蒸发、溶解、乳化、 沉淀、生物降解等过程。本研究作为对溢油运动过程的短期预测，主要考虑油膜由于扩展和 水流作用的迁移以及紊流扩散综合作用下在水表面的运动。采用油粒子模型，结合绘图软件． 模拟结果可提供直观的油膜形状、轨迹和影响范围，为溢油事故的快速反应提供科学依据。 ·．}二海市教育委员会重点学科建设项目． -952． 第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集 2方法和步骤 2。1潮汐河道流场的计算 河道表面流场的水动力学规律对溢油油膜的运动过程具有支配作用，采用浅水假设，模 拟河道流场的控制方程【1．2】取： 连续方程 IIl 擎+塑+塑：o (1) 一+一+一=U a 瓠 谚 动量方程 鲁+“黑+v熹：一g等一g掣+岛v：材 百州面+v万一g言一g——r+岛y勺 导+“安+v熹：一g豢一g掣+岛v：v 百枷瓦w万2噌茜一g—扩+岛矿V 为黏性系数；g为重力加速度：材、v为x，．)，方向速度；V2为两阶拉氏算子。 本研究选取具代表性的潮汐河道一黄漓江的一段江面作为模拟对象，对其24h的水动力 学过程进行计算，并在此基础上模拟溢油的运动规律。如图1和图2所示，A．A截面宽为540 m，B．B截面宽为672m，江段总长为6700m。沿宽度方向取30等分、沿流向取250等分， 共计30×250网格。 图l黄浦江流向图 图2石油码头至海军码头流道形状放大图 目前已发展出多种算法【3卅用于求解上述方程(1)至方程(3)，提出了一种新型组合算 法并对上述河段进行了计算，本研究将直接引用文中的结果171。