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悬浮颗粒物在三维潮流场中的输运数值研究

袁道伟  
【摘要】:本文针对油田开发过程中产生的特殊污染物质(钻屑、泥浆、悬浮沙),建立了一个三维的质点追踪模型来描述它们在海水中的运动。该模型不仅考虑了质点在海水中的对流运动,而且还用大量质点的随机扩散模拟湍扩散过程。在模式中体现了粒子自身的沉降。 在模式中,用不同种类的质点代表不同的粒径,并充分考虑到不同粒径粒子沉降速率的不同,而且还体现了粒子的淤落条件和再悬浮过程。得到了每个悬浮物粒子各个时刻在空间中的运移分布位置,并运用统计的方法获得了悬浮物浓度的时空分布。 我们把随海水运动的悬浮颗粒物看成一个个的粒子,然后在流场中追踪这群粒子。每个粒子的运动可以分为三步,第一步是悬浮物在潮流驱动下跟随流体的对流运动,第二步是用一种随机运动来模拟悬浮颗粒物在海水中的湍扩散运动,第三步是模拟不同粒径悬浮物粒子的沉降运动和再悬浮过程。以上三步完成以后,粒子的新位置就确定了,将这些粒子所代表的悬浮物质量在网格中统计后,就得到了这一时刻悬浮物浓度的时间和空间分布。 在对具体海域的悬浮物输运进行数值模拟时,本文首先采用Backhaus的流模式计算了南海中三维正压潮流的流场,作为悬浮物输运模式的流场输入。然后分别模拟了点源瞬时排放、点源连续排放和移动源连续排放三种情况,并比较验证了以下三种情况下计算结果的差异:(1)点源瞬时排放情况下,分别采用均匀分布和正态分布来模拟粒子的扩散过程;(2)点源连续排放5个小时的情况下,分别在高潮时刻和低潮时刻开始投放粒子;(3)移动源连续排放5个小时的情况下,分别采用不同的粒子沉降速率计算公式模拟粒子的沉降过程,并进行了2个潮周期的连续追踪。计算结果表明,只要选取适当的湍流扩散系数和合理的粒子沉降速率,这种粒子化浓度数值模拟的方法是可行的。


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