[发明专利]水下溢油运动数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统

权利要求书

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，P_i,j为第i个粒子组内第j个油粒子的特征体积，F_i,j为该油粒子附加体积参数，D_i为该粒子组内的油粒子粒径，f_i,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，ρ_α为水体密度，为垂直方向的单位矢量，C_d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，K_a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,m_i,j为位于该网格单元内的油粒子质量，ρ为油粒子密度，P_i,j为位于该网格单元内的油粒子特征体积，f_i,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。