溢油漂移扩散数值模拟方法

溢油漂移扩散数值模拟方法适用范围本附录规定了溢油漂移扩散数值模拟的原则、方法、内容及要求。可根据工程建设、运行期所引起的溢油风险的不同,选择二维溢油漂移扩散模型(海面溢油)或三维溢油漂移扩散模型(海底和水体中溢油)进行预测分析。模型计算域的确定及网格剖分溢油模型计算域的确定及网格剖分应符合本规范E.2的相关要求。溢油数值模拟方法基本资料用于溢油漂移扩散数值模拟的基本资料除应满足本规范E.3的要求外，还应包括该海域气象条件和周边海域敏感区、保护区等资料。“油粒子”模型“油粒子”模式(OilParcelModel或Particle-trackingModel)。模型中溢油被离散化为大量油粒子，每个油粒子代表一定的油量，在表层海流的作用下漂移;而油膜的扩展受到“油粒子”尺寸分布、剪切流和湍流过程的控制，可通过油粒子的随机运动来实现。油的蒸发、消散过程则由油粒子的质量损失来体现。油膜厚度分布则通过一定海面面积内油粒子的个数、体积、质量来计算得到。海洋环境动力过程潮流运动过程二维和三维潮流基本运动方程可按照本规范E.3确定。海浪运动作用海面的波浪作用于油膜，产生一定尺寸的油滴，小油滴悬浮在水中，而较大的油滴升回海面。这些升回水面的油滴处在向前运动的油膜后面，不是与其他油滴聚合形成油膜，就是扩散为很薄的油膜，而呈悬浮状的油滴则混合于水中。这种油的分散造成了油的表面积增大，能促进生物降解和沉积过程。可根据工程海域波浪条件和不同工程要求，选择合适的波浪模型或参数对油膜运动进行模拟计算。溢油漂移扩散过程油膜扩展过程采用Fay扩展理论来描述油膜在海水中的水平运动过程，分为四个阶段：惯性—重力阶段、重力-粘性阶段、粘性-表面张力阶段和扩展结束阶段。惯性力-重力阶段，油膜直径计算公式如下：………(I.1)重力-粘性阶段，油膜直径计算公式如下：……(I.2)粘性-表面张力阶段，油膜直径计算公式如下：………(I.3)扩展结束阶段，油膜最大直径为：式中：r—油膜扩展直径；rmax-油膜最大直径（m）；V—油膜体积；—约化重力加速度(，为海水密度，为油膜密度)；v—水的运动粘性系数；—表面净张力；—油膜面积；、、—经验常数，一般取值=2.28、=2.90、=3.20；t—时间。油膜形态估算采用Fay扩展理论和考虑风的影响（LeIretal，1984)过程，估算溢油进入水体后随时间推移的面积、扩展半径、油膜初始厚度等要素，作为溢油行为与归宿模型的初始场。油膜面积估算公式：…(I.4)……………(I.5)式中:—油膜面积，m2；—最终油膜面积，m2；，和分别为油和水的密度，kg/m3；—风速，knot；V—溢油排放总量；t—时间，min。水平和垂直扩散过程油膜的水平扩散速度分量：在时间内平均移动为：这里和分别是纵向和横向方向上的距离的平均平方根，和是水平扩散系数，为时间步长。对于任何一油膜，扩散步长S都是通过以下公式随机产生的：这里是在范围到内的随机数字。选择的值是为了必须等于所有值的平均平方数。因此随机数在到范围内变化，并且任何油膜水平扩散移动的距离为：通过以下公式给出中性分散这里代表中性扩散系数。扩散成分必须加水平移动上…………………(I.6)…………………(I.7)θ为方向角，是在0到2π之间均匀分布的随机角。油膜的垂直扩散速度分量：在Mackay(1986)油滴入水的深度概率基础上，张存智给出了油入水概率：式中：—入水系数。赵文谦导出了溢油浓度沿水深的分布公式：………………(I.8)式中：—溢油浓度，—油滴上升速度，—垂向扩散系数，—某一处的水深，当时，。悬浮层对流扩散过程溢油转换为油滴的形式大量发散于海水之中，其浓度比溶解在水中的浓度高得多。水中油滴的粒径大多小于l00μm，且基本以乳化形式存在。水流的湍流是导致油滴在水中扩散的主要原因。所以对其浓度预测，可以使用传统的对流-扩散方程,可按照本规范H.3。溢油风化过程蒸发过程蒸发率随着溢油区域的厚度变化。对于溢油厚的部分:…(I.9)式中：—蒸发部分；—溢出体积(m³)；—空气常数。—常数；—溢油面积(厚部分)(㎡)；—海表温度(K)；—摩尔体积；为时间；—质量输运系数，与成比例；—风速；；—常数；—油的沸点(K)。薄的部分： 式中：—蒸发率；—系数；—蒸发的最大时间,决定于溢油的组份。乳化作用计算乳化物含水量的公式（Mackay等1980）为：………………(I.10)式中：—乳化物的含水量（%）；=4.5×10-6；—风速；≈1.25；—最终含水量；t—时间。密度变化乳化对油密度的影响表示为：……(I.11)式中：—乳化后油的密度；—乳化前油的初始密度；—海水密度；—乳化物含水量。蒸发对油密度的影响表示为：………………(I.12)综合两者的影响，油的密度表达为：…(I.13)粘性变化在风化过程中粘性会增加，主要是由于蒸发和乳化.此外粘性很大程度上与油面温度有关。用IossainandMackay提出的方程在实际温度和水含量下计算油面粘性。…………………(I.14)式中：—乳化后油的运动粘性系数；—乳化前油的运动粘性系数；—乳化物含水量。蒸发也可以引起粘性的增加,计算为：式中：—油中无量纲量[wt%]—油蒸发的部分溶解溶解率用下式表示：…………(I.15)式中：—组分i的溶解度；—组分i的摩尔分数；—组分i的摩尔重量；—溶解传质系数，由于下式估算：式中：—常数，由油品性质决定初始条件和边界条件初始条件水动力模型的初始条件可按照本规范E.3确定。边界条件处理油粒子云团在运动过程中，可能到达陆地（岛屿）的边界；这时，认为这些粒子粘附在陆地（岛屿）上，不再参与后续计算。模型动力参数设置油膜的水平漂移速度主要受表面流和风的影响，是引起油膜迁移的主要因素。式中：—溢油水平漂移速度；—海水表面流速；—海表风速；—水平海流影响系数，其贡献率可达50%~100%，模型中潮流系数一般取0.6~0.8。因不同海域海流对溢油漂移的影响不同，可取不同的数值；—风场拖曳系数，风对