[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

说明书

水下溢油运动数值模拟方法和模拟系统，将溢油视为由一群不同大小的油粒子构成的油团，进行粒子定义，求取油粒子的运动速度、迁移位移和扩散位移来确定油粒子在t时刻的位置，进而确定溢油的扩散范围和浓度分布。水下溢油运动数值模拟方法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，构建了“拉格朗日粒子追踪模型”，较现有的“拉格朗日积分模型”，其计算方法更符合水下溢油的运动机制，可更真实地再现水下溢油的运动特征，进一步提高水下溢油扩散范围及浓度分布计算的可靠性，并实现与现有水面溢油数值模拟技术的无缝对接。

技术领域

本发明涉及计算模拟技术领域，具体涉及一种水下溢油运动数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统。

背景技术

准确地掌握溢油在水环境中的时空分布，可为解决溢油污染问题提供精确的数据和可靠的指导。数值模拟技术是再现或预测溢油在水环境中的时空分布的重要方法，在溢油污染防治方面具有重要的应用价值。

水面溢油数值模拟技术已较为成熟，目前流行的“油粒子模型”能够较好地模拟溢油在水面的运动变化过程。水下溢油较水面溢油的运动变化过程更为复杂，溢油在初始动量的作用下喷射到密度较大的环境流体中，破碎成一群由不同大小的油滴组成的“粒子油团”，初期具有射流和羽流的运动特征，随后又表现为对流和扩散的运动特征；粒径大的油滴可较快上升到水面，粒径小的油滴上升速度较慢甚至会悬浮在水体中，油滴粒径分布是制约溢油运移和浓度分布的重要因素。溢油在水下复杂的运动机制无疑增大了数值模拟的技术难度。目前国内外普遍采用的水下溢油运动数值模拟方法为“拉格朗日积分模型”，通过将具有初始动量的浮射流看成是一系列互不干涉的移动单元来模拟溢油的迁移扩散过程。该方法在计算溢油初始阶段的整体运移趋势方面可取得较好效果，但由于采用了许多对称假设，且忽略了油滴粒径分布对溢油运动的影响作用，导致其在溢油扩散范围和浓度分布计算方面存在明显不足，计算误差会随着控制单元半径的增大而不断增大；并且该方法仅限于模拟溢油抵达水面之前的运动过程，不能直接与现有成熟的水面溢油数值模拟技术对接，实用性较差。

鉴于水下溢油具有“粒子”的运动特征，因此将溢油模拟成大量不同粒径的粒子组成的“油团”，构建水下溢油的“拉格朗日粒子追踪模型”，通过追踪每一个粒子的运动行为，来研究溢油在水下的运动特征和扩散范围；并且当油滴抵达水面后，该模型可直接与水面溢油的“油粒子模型”对接，实现对水下溢油行为与归宿的全程模拟。相对现有的“拉格朗日积分模型”，这种“拉格朗日粒子追踪模型”可更真实地再现水下溢油的运动特征，在溢油扩散范围和浓度分布计算方面具有更高的可靠性，并且可实现与现有水面溢油数值模拟技术的无缝对接，具有更好的实用性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中对水下溢油运动数值模拟误差大、精确性低、实用性较差的问题，提供一种可靠性高、精确度高、实用性好的水下溢油运动的数值模拟方法及水下溢油行为模拟系统。

为了实现以上目的，本发明提供如下技术内容：

水下溢油运动数值模拟方法，将溢油视为由一群粒径不同的油粒子组构成的油团，每个油粒子组由大量粒径相同的油粒子构成，油粒子数量与该油粒子组的粒径有关。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