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《上海大学》 2010年
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潮汐河道溢油扩展漂移的数值模拟

吴兆春  
【摘要】: 随着我国经济的高速发展,对石油需求的不断扩大和水上运输的日益繁忙,船舶事故频发,由此引发的溢油污染事故日益增多,使溢油污染成为水环境污染的主要因素之一。溢油事故不仅对财产造成损失,且严重破坏当地的生态环境,已引起各地政府部门的高度重视。溢油水上运动规律的研究,为发生溢油事故时制定紧急措施和评估溢油对水环境的污染具有重要意义,因此近几十年来受到国内外许多研究者的关注,已成为一门新兴的快速发展的学科。 我国不仅有辽阔的海域,绵延的海岸线,还拥有丰富的内河航运资源,特别是经济发达的沿海地区,长江、珠江、黄浦江等具有河海口的潮汐河道,既是海洋与内河航道之间的交通要道,更是我国进出口贸易的重要航运枢纽。河流除了承担内河航运之外,还具有生活工业用水水源地、生物栖息地、水产养殖、景观等多项功能,一旦发生溢油事故,对工业生产用水、人们日常生活用水、当地生态环境等构成威胁。在国民经济快速发展的今天,我国已将发展循环型经济,保护生态环境摆上了重要的议事日程,如何做好防止内河船舶油类污染工作就显得尤为迫切。 从上世纪六十年代开始,溢油污染问题引起了科学界的重视。很多学者对这一问题进行了深入研究,取得了许多研究成果。但是溢油的运动规律和造成的污染的最终消亡过程相当复杂,很难用一个模型或者公式进行全面地概括,因此仍有不少研究工作有待开展。 最初的溢油水上运动规律的研究主要是以静水或恒定流条件下的半理论半经验的溢油扩展过程的研究,并建立了一些经验公式。近几十年来,人们提出了不少数学物理模型用于模拟水上溢油的风化和运动规律,由于以往重大溢油事故大多发生在海洋环境,因而这些溢油运动规律的研究主要集中在海洋溢油方面,很少有关于河道、特别是潮汐河道溢油过程的研究。 本文在实验研究的基础上,针对潮汐河道的溢油运动过程进行了数值模拟的研究。通过建立数学物理模型,数值模拟水上溢油运动过程,探讨不同溢油形式在潮汐过程和风场作用下的运动规律。本文开展了如下两方面的工作: 对于潮汐河道,由于有河口与大海相通,在河口段海面的潮涨潮落对内河的水流流动产生很大影响,河道流动受潮汐影响显著,因此属于非恒定的流动过程。河道的水动力学规律对溢油在水体的扩展漂移过程具有重要的支配作用,准确地模拟河道水动力学规律是成功开展溢油运动规律数值模拟的重要一环。本文针对潮汐河道水动力学模型(非定常、对流-扩散型浅水方程组)提出了一种组合的算法,即MacCormack方法结合有限分析法(FAM)的数值求解方法。MacCormack方法早期曾广泛应用于空气动力学计算,其实质为一时间分步法。与其它的将时间分步法应用于整个方程组的算法不同的是,本文提出的方法中仅采用MacCormack方法应用于连续方程的离散求解,而将有限分析法用于对流-扩散方程的求解。此方法离散格式简单、易于使用,较好地综合了它们各自的优点,如MacCormack方法用于连续方程的离散具有时间和空间的二阶精度,有限分析法离散动量方程具有自动迎风、精度高、数值稳定易收敛等优点。特别是该方法采用了单一计算网格,与大多数离散方法中需使用多重网格相比,该法尤为简单便利。通过对潮汐河道黄浦江下游一段河道的流动计算验证表明,计算结果与实测资料符合较好,验证了此方法的可靠性;而且由于采用了正交曲线坐标,此方法可方便地应用于弯曲河道的潮汐流动计算。 对潮汐河道不同溢油形式的溢油油膜运动轨迹进行了数值模拟。采用油粒子模型结合溢油实验结果和经验公式以及采用MacCormack-FAM组合法计算的潮汐过程水动力学规律,数值模拟不同溢油形式在潮汐河道黄浦江上的扩展漂移过程。分别对一维和二维的瞬时、连续溢油过程进行了不同潮汐过程、风场作用下的数值模拟。一维的模拟结果表明,在整个潮周期内数值解与实验结果符合较好,规律一致,反映了该数值模型能较好的模拟溢油的运动过程。二维模拟的计算结果结合绘图软件,可非常直观的获得油膜形状、尺度随潮汐过程变化的规律和油膜污染带的范围。数值模拟和实验结果均表明,潮汐河道的溢油油膜运动过程受潮汐过程的影响巨大,提示我们在制定应急处理溢油污染事故的决策时应充分考虑到不同潮汐过程的因素。数值模拟结果也表明,采用适当的数学、物理模型,能较好的反映溢油油膜在潮汐河道的运动规律,可为溢油污染事故的控制和处理提供科学参考依据。
【学位授予单位】:上海大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TV131

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