Чисельне моделювання розповсюдження нафтопродуктів в прибережних зонах морів та внутрішніх водоймищ
Вивчення та оцінка випадкового перекидання вітрових хвиль та вкладу циркуляції Ленгмюра в турбулентне перемішування. Вплив взаємодії хвиль та течій на приповерхневий перенос нафтових плям. Алгоритм лагранжевої моделі для розв’язку тривимірної задачі.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 29.07.2014 |
| Размер файла | 65,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Чисельне моделювання розповсюдження нафтопродуктів в прибережних зонах морів та внутрішніх водоймищ
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Частка нафтопродуктів, що потрапляє в моря з причини аварійних розливів є невеликою у порівнянні із загальним обсягом нафти, що потрапляє моря при видобутку, транспортуванні нафти та з індустріальними стоками. Згідно з даними Академії наук США (2003), найбільша кількість нафти (37%) потрапляє до акваторії в результаті промислових та міських стоків. Ще 33% розливається при експлуатації судів, і лише 12% від загальної маси складають аварійні розливи з танкерів. Проте, саме аварійні забруднення є найбільш небезпечними через те, що вони мають локальний концентрований характер, що завдає величезної шкоди навколишньому середовищу, особливо якщо розлив відбувається недалеко від берегової лінії. Прикладом такої аварії може бути нещодавна аварія танкера Prestige у берегів Іспанії та Португалії.
В сучасній літературі описаний ряд моделей розповсюдження нафтових розливів (див. огляди ASCE, 1996, Reed та ін. 1999). Проте складність та множинність процесів, що супроводжують розлив призводять до того, що у всіх моделях використовуються різного роду спрощення в фізичних постановках задач або повністю нехтуються деякі механізми. Необхідність в створенні комплексних ефективних систем моделювання, що дозволятимуть робити оперативні прогнози для боротьби з аварійними нафтовими розливами, оцінювати ризики в районах нафтових терміналів, а також складність та недостатня вивченість деяких механізмів розповсюдження нафти та інших забруднень зумовлює актуальність теми дисертації.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках бюджетних тем ІПММС НАНУ «Адаптація математичної моделі регіонального прогнозу погоди ММ5 для системи прогнозування хвиль в акваторії Чорного моря» (2002-2003), «Розробка наукових засад створення систем реального часу для підтримки прийняття рішень по ліквідації наслідків аварійного забруднення навколишнього середовища» (2000-2003), проекту INTAS-0330 «Вплив хвиль та течій на перенос нафти та інших поверхневих забруднень в прибережних зонах» (2002-2004), українсько-американського проекту US AID «Програма оцінки якості води в Дніпро-Бугському естуарії» (2003-2005).
Основною метою дисертаційної роботи є розробка та вдосконалення тривимірних гідродинамічних моделей розповсюдження нафтових забруднень та об'єднання їх в одну систему моделювання аварійних нафтових розливів в прибережних зонах морів.
В ході виконання роботи необхідно було розв'язати наступні задачі:
1. розробити новий ефективний лагранжевий алгоритм моделювання розповсюдження поверхневої плями нафти;
2. перевірити алгоритм на відомих аналітичних розв'язках;
3. вдосконалити модель турбулентності приповерхневого шару, щоб врахувати випадкове перекидання вітрових хвиль та вклад циркуляції Ленгмюра в турбулентне перемішування для використання в тривимірній моделі розповсюдження нафти;
4. провести перевірку чисельної моделі турбулентності на отриманих в роботі автомодельних розв'язках та відомих лабораторних експериментах;
5. дослідити вплив взаємодії хвиль та течій на приповерхневий перенос нафтових плям;
6. побудувати нову напівемпіричну модель подрібнення крапель на основі даних лабораторних та натурних експериментів для моделювання розподілу нафтових крапель при перекиданні хвилі;
7. узагальнити алгоритм лагранжевої моделі для розв'язку тривимірної задачі з урахуванням розповсюдження дисперсної складової нафтового розливу;
8. об'єднати моделі турбулентності, подрібнення крапель, поверхневої плями в тривимірну Лагранжеві модель розповсюдження нафтових забруднень в прибережних зонах;
9. інтегрувати нову Лагранжеві модель розповсюдження нафти в єдину прогностичну систему моделювання, що складається з моделей прогнозу погоди, спектральної моделі хвиль та тривимірної гідродинамічної моделі.
Об'єктом наукового дослідження є розповсюдження нафти по поверхні і в глибинних шарах морів.
Предметом наукового дослідження є методи моделювання нафтових розливів та дослідження впливу перекидання хвиль та циркуляції Ленгмюра на перемішування у верхніх шарах моря.
Достовірність одержаних результатів забезпечується коректністю постановок задач та виводу основних рівнянь, співставленням числових розрахунків з аналітичними розв'язками, з даними лабораторних та натурних експериментів.
Методи досліджень. В роботі використовувались сучасні методи чисельної гідродинаміки, аналітичні методи, статистичний аналіз експериментальних даних та результатів моделювання, розроблені автором алгоритми, за допомогою яких виконувалося моделювання взаємодії між частками в поверхневій плямі нафти та формування спектру розмірів часток при подрібненні крапель хвилями, що перекидаються.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в:
· розробці нової чисельної моделі приповерхневого турбулентного шару, що враховує спільну дію перекидання хвиль, циркуляції Ленгмюра та вертикального зсуву швидкості;
· автомодельних розв'язках розповсюдження шару турбулентності, що виникає внаслідок одного перекидання хвилі;
· розробці чисельної лагранжевої моделі розповсюдження поверхневої плями нафти, що враховує взаємодію між лагранжевими частками через поле тиску і дозволяє моделювати розтікання плям неправильної форми;
· розробці нової напівемпіричної моделі формування граничного розподілу крапель нафти при подрібненні вітровими хвилями, що перекидаються;
· розробці вдосконаленої тривимірної лагранжевої моделі дисперсії нафти в морі, що дозволяє розв'язувати рівняння для концентрації нафти в воді та досліджувати еволюцію спектру розмірів нафтових крапель з глибиною та в часі;
· об'єднанні розроблених моделей різних фізичних та фізико-хімічних процесів в єдину прогностичну систему, що працює разом з моделлю хвиль, моделями гідродинаміки та прогнозу погоди.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблена нова чисельна модель дозволяє розв'язувати задачі про розповсюдження нафтопродуктів в прибережних зонах морів. Результати роботи зайшли впровадження в проекті INTAS-0330 «Вплив хвиль та течій на перенос нафти та інших поверхневих забруднень в прибережних зонах». На основі отриманих результатів, в рамках українсько-американського проекту US AID «Програма оцінки якості води в Дніпро-Бугському естуарії», автором була розроблена чисельна модель та графічний інтерфейс системи прогнозування розповсюдження нафтових плям в Дніпро-Бугському естуарії. Розроблена модель використовується в обласних управліннях міністерства екології та природних ресурсів Херсонської та Миколаївської областей.
Особистий внесок здобувача полягає в розробці та чисельній реалізації алгоритмів розв'язку задач про рух поверхневої плями нафти, формування граничного розподілу крапель при подрібненні, еволюції спектру нафтових крапель у воді, впливу перекидання вітрових хвиль та циркуляції Ленгмюра на приповерхневий турбулентний перенос забруднень; проведенні чисельних розрахунків та обробці результатів; участі в обговоренні результатів, їх інтерпретації та формулюванні наукових положень.
Апробація результатів дисертації. Наукові та практичні результати обговорювались на конференціях та семінарах: ІПММС 2001-2004; Республіканський семінар в Інституті гідромеханіки (2005); 3 міжнародна конференція EuroGOOS (грудень 2002, Афіни, Греція); Спільна Асамблея EGS - AGU - EUG (квітень 2003, Ніцца, Франція); 3 міжнародна конференція «Нафтові розливи, нафтові забруднення та ліквідація їх наслідків» (вересень 2003, Стамбул, Турція); Конференція AGU (American Geophysical Union) (травень 2004, Монреаль, Канада); 21 міжнародна конференція ICTAM (серпень 2004, Варшава, Польща); Конференція Fall Meeting, AGU (грудень 2004, Сан-Франциско, США); Спільна Асамблея EGU (квітень 2005, Відень, Австрія).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, в тому числі у фаховиж журналах, включених до переліку ВАК України - 3, з них 1 без співавторів; в міжнародних журналах - 1; в збірниках праць міжнародних конференцій - 2; в збірниках тез міжнародних конференцій - 5.
Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел з 140 найменувань. Робота включає 140 сторінок основного тексту, 33 рисунки, 1 таблицю, усього 155 сторінок.
Автор висловлює щиру вдячність науковому керівникові доктору фізико-математичних наук Мадеричу Володимиру Станіславовичу за постановку задач, постійне наукове керівництво та увагу до роботи.
Основний зміст роботи
вітровий хвиля турбулентний лагранжевий
У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обґрунтовано важливість і актуальність теми дисертації, викладено мету роботи та сформульовано основні положення, що виносяться на захист, її практичне значення та наукова новизна. Наводяться дані щодо апробації та структури роботи.
Перший розділ присвячено огляду основних механізмів розповсюдження нафтових забруднень у морі та методам їх моделювання. Виділені основні механізми, істотні в прибережних зонах при короткочасних прогнозах розповсюдження забруднень та відзначені недоліки в сучасних методах моделювання цих процесів. Відмічено, що розтікання, дрейф, дисперсія, випаровування та ємульсифікація є найбільш суттєвими при моделюванні аварійних розливів. На основі існуючих аналітичних методів (J. Fay 1969, D. Hoult 1972, Г. Исаев та С. Овсиенко 1983, В. Нікішов 1983, N. DiPietro та ін. 1978, M. Foda та R. Coh 1980, T. Sundaram 1980) та огляду сучасних моделей нафтових розливів (див. напр. огляди M. Reed та ін. 1999, В. Журбас 1978) відзначено, що існуючі моделі розтікання поверхневих плівок не описують розтікання плівок неправильної форми та дію неперервних джерел в полі вітру та течій. Крім того, існуючі моделі дисперсії нафти основані на наближених емпіричних залежностях, що отримані в експериментах (G. Delvigne та S. Sweeney 1988). Відзначено також необхідність врахування стоксова дрейфу та циркуляції Ленгмюра при моделюванні приповерхневого турбулентного переносу забруднень.
У другому розділі проводилося дослідження впливу перекидання хвиль та циркуляції Ленгмюра на перемішування та приповерхневий перенос забруднень на основі одновимірної моделі приповерхневого турбулентного шару. Ленгмюрівська циркуляція виникає при взаємодії середніх течій зі стоксовим дрейфом та описується рівняннями Крейка - Лейбовича:
Вектор швидкості стоксова дрейфу співпадає з напрямком розповсюдження хвиль та на глибокій воді дорівнює:
де - хвильова фазова швидкість, - хвильове число, - амплітуда хвилі.
У верхньому шарі океану виділяються декілька слоїв (рис. 1): 1. «Шар перекидання хвиль», де відбувається перекидання хвиль та обмін імпульсом теплом і масою з атмосферою; 2. «Дифузійний шар», де домінує дифузія турбулентних вихорій з шару перекидання хвиль; 3. Логарифмічний пограничний шар, в якому генерація турбулентності за рахунок зсуву швидкості врівноважується дисипацією. Вплив циркуляцій Ленгмюра враховується згідно з (J. McWilliams та ін. 1997, L. Kantha, C. Clayson 2003, S. Carniel та ін. 2004) введенням додаткових членів в рівняння динаміки, балансу енергії та дисипації. Згідно зі спостереженнями ми вважаємо, що в шарі перекидання хвиль потоки енергії турбулентності та дисипації рівномірно розподілені по глибині шару. Осереднюючи по горизонталі рівняння (1) отримаємо систему одновимірних рівнянь руху, енергії турбулентності та швидкості дисипації:
де - компоненти вектора швидкості по осях , вісь напрямлена вгору; - параметр Коріоліса; - компоненти швидкості стоксова дрейфу; - емпіричні константи. - випадкова величина, яка має математичне сподівання при , та при; де - стала. Товщина шару перекидання хвиль пропорційна висоті хвилі : .
Граничні умови Неймана на поверхні ставляться згідно логарифмічного пограничного шару:
Таким же чином ставляться граничні умови біля дна:
Тут - параметр шорсткості (H. Charnok 1955), - безрозмірний коефіцієнт. Потік турбулентної енергії від хвиль що перекидаються згідно (P. Craig, M. Banner 1994) дорівнює , а відповідний потік швидкості дисипації розраховується зі стаціонарних розв'язків для безсувної турбулентності (М. Желєзняк 1980, H. Burchard 2001).
Лабораторні експерименти (K. Melville 2002) показали, що після перекидання хвилі формуються вихори, що розповсюджуються вглиб води. При цьому інтегральна енергія турбулентності та квадрат вихору затухають з часом по закону приблизно . Для пояснення процесів, що відбуваються при перекиданні хвилі використовувалась одновимірна модель без урахування стоксова дрейфу та потоків енергії турбулентності з поверхні. Було розглянуто декілька режимів розповсюдження турбулентного шару в залежності від величини імпульсу.
У випадку, коли та можна нехтувати породженням турбулентності за рахунок зсуву швидкості було отримано автомодельні розв'язки, які є узагальненням розв'язків (В. Мадерич, М. Желєзняк 1977):
Тут , - константи інтегрування, які в рамках автомодельної задачі відшукати неможливо. В такій постановці задача аналогічна задачі про розповсюдження плоского супутнього сліду.
Для режиму, коли імпульс не дорівнює нулю, але все ж достатньо малий, щоб можна було нехтувати зсувом швидкості в балансі турбулентної енергії був отриманий інший автомодельний профіль швидкості:
В таблиці 1 зведено параметри затухання турбулентних характеристик для трьох розглянутих режимів та двох характерних значень константи моделі турбулентності .
Результати аналітичних та чисельних досліджень було порівняно з результатами експериментів (K. Melville та ін. 2002), що проводилися в лабораторному басейні (рис. 1, 2). За результатами порівняння можна зробити висновок про те, що в проведених експериментах домінував режим, при якому імпульс не дорівнює нулю, але достатньо малий, щоб можна було нехтувати зсувом швидкості (режим 2). Зроблено висновок, що приповерхневе турбулентне перемішування внаслідок перекидання хвиль можна досліджувати за допомогою безсувних моделей
Як випливає з експериментальних даних (Y. Agrawal та ін. 1992) значення швидкості дисипації біля поверхні може змінюватися на порядки в часі, що може бути пояснено різномасштабністю хвиль, що перекидаються. В цій же роботі було відмічено, що експериментальний розподіл швидкості дисипації має приблизно логарифмічно нормальний вигляд. Статистична оцінка розподілу величини , де середнє значення дисипації в припущенні, що ця величина має логарифмічно-нормальний розподіл дала значення параметрів розподілу, при цьому математичне сподівання а дисперсія. Ми намагалися знайти такий розподіл потоків енергій турбулентності та швидкості дисипації, щоб результуючий розподіл дисипації біля поверхні був таким же, як експериментальний. Чисельні розрахунки проводилися без впливу сили Коріоліса та стоксова дрейфу. На Рис. 4 представлено порівняння чисельної функції розподілу з експериментальною. Розподіл потоків енергії та дисипації також вважався логарифмічно нормальним з параметрами. При цьому осереднений в часі чисельний розв'язок збігається зі стаціонарним розв'язком та узгоджується з експериментальними даними, а значення швидкості дисипації біля поверхні коливалося на два порядки (рис. 3). Результуючий розподіл дисипації біля поверхні також вийшов приблизно логарифмічно нормальним з параметрами
В третьому розділі приводиться постановка задачі про розтікання поверхневої плівки нафти та чисельний лагранжевий алгоритм розв'язання задачі. Осереднені по товщині плівки рівняння руху та нерозривності в гідростатичному наближенні мають вигляд
де - вектор швидкості руху нафти з компонентами ; - товщина нафтової плями, ; - густина води, - густина нафти;- напруження тертя на межі нафта-вода; - напруження тертя на межі нафта-повітря, - прискорення вільного падіння; - сили поверхневого натягу, - член, що відповідає за зміну маси у плямі за рахунок дисперсії (), виринання крапель нафти на поверхню () та випаровування (). Напруження тертя на поверхні між водою та нафтою ми параметризуємо використовуючи характерний масштаб плями, замість відстані від центру її симетрії, як у більшості моделей:, де - характерний розмір плями. Це дозволить в подальшому моделювати розповсюдження плям несиметричної форми. Дотичне вітрове напруження оцінюється з аеродинамічної формули.
Сили поверхневого натягу призводять до розтягу нафтової плівки, при цьому у плямі формується тонка смуга біля краю плівки та відносно товсте ядро. Прикладена до тонкої полоси результуюча сила поверхневого натягу врівноважується в'язкими силами, що розподілені по всій площі плями. В нашій роботі ми припускаємо, що сила поверхневого натягу розподілена по всій плями та викликана градієнтом поверхневого натягу:
При цьому тонка полоса на краю плівки не виділяється. Припускаючи, що коефіцієнт поверхневого натягу залежить від товщини плівки, отримаємо що Апроксимуючи лінійною залежністю, що змінюється від на краю плівки до нуля в найтовщій точці плями, отримаємо, що та . Ця залежність не суперечить експериментальним даним. Коли область товстої плівки відсутня, тобто пляма представляє собою мономолекулярний шар, тоді можна вважати постійним, тобто . Тоді
Градієнт такої поверхні знаходиться простим диференціюванням кожного з членів виразу (16). Такий метод дозволяє розраховувати товщину в кожній точці плями та неперервне поле тиску у плівці.
Для приведених параметризацій сил в'язкого тертя та поверхневого натягу було отримано нові автомодельні розв'язки осесиметричних та одновимірних задач про розтікання поверхневої плівки нафти на гравітаційно-в'язкій стадії, стадії поверхневого натягу та режимі тонкої плівки.
Отримані розв'язки цілком узгоджуються з відомими експериментальними даними, асимтотичними залежностями, що отримані аналізом розмірностей та відомими автомодельними розв'язками. Результати порівнянь підтверджують справедливість вибраних параметризацій сил в'язкого тертя та поверхневого натягу.
Робота чисельного Лагранжевого методу була перевірена на отриманих аналітичних розв'язках. На рис. показано порівняння чисельних та аналітичних автомодельних профілів товщини плями для гравітаційно-в'язкої стадії та стадії поверхневого натягу.
Графіки на рис. 5, 6 демонструють, що чисельний метод здатний відтворювати точні аналітичні розв'язки. Чисельний алгоритм дозволяє описувати рух поверхневих плям неправильної форми на всіх стадіях розтікання та дію неперервних джерел. В роботі детально приведений алгоритм розрахунку взаємодії між частками. Зміна маси плями нафти моделюється виникненням або зникненням необхідної кількості часток нафти.
У четвертому розділі приводиться постановка та чисельний алгоритм розв'язання задачі про тривимірну дисперсію крапель нафти в морі. Розповсюдження крапель нафти у воді описується тривимірним рівнянням адвекції-дифузії.
В дисертаційній роботі детально описаний чисельний лагранжевий алгоритм моделювання руху нафтових часток у воді, утворення часток різних розмірів, сортування часток для підвищення швидкості розрахунків, розрахунок кількості часток кожного розміру, що повинні зникнути або з'явитися, а також формули для обчислення швидкості підйому крапель. Робота чисельного алгоритму була перевірена на аналітичному розв'язку, що був отриманий для стаціонарної одновимірної задачі у випадку постійного коефіцієнту турбулентної дифузії.
У п'ятому розділі об'єднуються результати досліджень, проведених у попередніх розділах. Описаний алгоритм моделі, що враховує вплив ленгмюрівської циркуляції та перекидання хвиль на приповерхневий перенос забруднень, описує рух поверхневої плями та тривимірне розповсюдження крапель нафти у воді під дією середніх течій, сили плавучості та турбулентної дифузії. Проведено модельні розрахунки розповсюдження нафтової плями під дією вітру в чотирьох випадках: вітровий дрейф поверхневої плівки; вітровий дрейф з урахуванням стоксова дрейфу; вітровий дрейф з урахуванням перекидання хвиль; та вітровий дрейф з урахуванням сумісної дії перекидання хвиль та стокового дрейфу. Для кожного з випадків використовувались розраховані попередньо за формулами (??) профілі середніх течій та коефіцієнта вертикальної турбулентної дифузії, які вважались незмінними в просторі і часі. Представлено результати розрахунків розповсюдження 2 тон нафтопродуктів при швидкості вітру 10 м/с для чотирьох сценаріїв. Аналіз результатів показав, що стоксів дрейф є суттєвим механізмом в розповсюдженні забруднень для будь-яких значень швидкості вітру.
Описана побудована система моделювання, що дозволяє робити оперативні прогнози розповсюдження аварійних нафтових розливів. Система моделювання складається з чотирьох моделей: моделі прогнозу погоди ММ5, тривимірної моделі гідродинаміки POM або THREEETOX, спектральної моделі хвиль WAVEWATCH III та розробленої в ході дисертаційної роботи тривимірної моделі розповсюдження нафтових розливів, яку було названо OilTox. В дисертаційній роботі приведений опис моделей, що включені до системи та алгоритм їх взаємодії при роботі.
Модель нафтових розливів OilTox складається з розрахункової частини, бази даних з характеристиками нафти та графічного інтерфейсу користувача. База даних включає інформацію про основні фізико-хімічні властивості біля 100 типів нафти. Спільно з двовимірною візуалізацією в графічному інтерфейсі рух нафтової плями може бути зображений за допомогою тривимірного інструментарію, основаного на технології OpenGL. Система моделювання може бути використана у декількох конфігураціях:
1. окремо нафтова модель з параметрами навколишнього середовища, що задаються користувачем;
2. двовимірна версія з графічним інтерфейсом користувача, що використовує базу даних розрахованих попередньо гідродинамічних полів та метеорологічні параметри, що задаються користувачем;
3. повна версія, об'єднана з моделлю гідродинаміки, моделлю хвиль та прогнозу погоди.
Повна система моделювання була застосована для розрахунків гіпотетичного аварійного нафтового розливу 75000 тон сирої нафти на північно-західній частині шельфу Чорного моря. Представлені результати розрахунків поля вітру над територією Чорного моря, поверхневих течій та поля висоти та напрямку хвиль для випадку штормової погоди на території розливу. Рух нафтової плями представлений за допомогою тривимірного інструменту візуалізації.
Двовимірна модель з базою даних типів нафти та графічною оболонкою застосована до території Дніпро-Бугського естуарію та ділянки Дніпра від Херсону до естуарію. В цьому варіанті використовуються гідродинамічні поля, що розраховані попередньо тривимірною гідродинамічною моделлю THREETOX, а метеорологічні параметри задаються користувачем. Представлений приклад роботи системи.
Основні результати і висновки
Дисертаційна робота присвячена моделюванню розповсюдження аварійних нафтових розливів в прибережних зонах морів та внутрішніх водоймищ. В процесі дисертаційної роботи автором були отримані наступні нові наукові та практичні результати:
1. Проведено дослідження впливу перекидання поверхневих хвиль та циркуляції Ленгмюра на приповерхневе перемішування та перенос забруднень. Була проведена класифікація режимів розповсюдження шару турбулентності, що виникає внаслідок перекидання хвилі. Порівняння отриманих нових автомодельних залежностей з експериментальними даними виявило, що в експериментах реалізується режим, коли імпульс не рівний нулеві, але є малим і можна в початкові моменти часу нехтувати породженням турбулентності за рахунок зсуву швидкості. Також була досліджена часова мінливість турбулентних характеристик в приповерхневому шарі моря за допомогою впровадження в приповерхневий шар однорідного за глибиною, але нестаціонарного джерела турбулентності. За допомогою такого підходу вдалося відтворити експериментальний розподіл швидкості дисипації біля поверхні, в той час як усереднений по часу розв'язок узгожувався з експериментальними стаціонарними профілями для швидкостей дисипації турбулентної енергії.
2. Розроблена нова модель поверхневої плями нафти. Запропоновані параметризації сил в'язкості та поверхневого натягу, які дозволили в рамках лагранжевого методу моделювати всі стадії розтікання плям неправильної форми та моделювати дію неперервного джерела в полі вітру та течій. Справедливість запропонованих параметрізацій доведена отриманими новими автомодельними розв'язками для окремих стадій розтікання симетричної плями. Для чисельного розв'язку задачі про розповсюдження нафтового розливу вперше був застосований лагранжевий алгоритм методу часток, що взаємодіють. Для знаходження сил взаємодії між частинками використовувався метод «гладких» часток, який дозволяє відтворювати неперервне поле товщини та тиску у плямі. Робота чисельного методу була перевірена на аналітичних розв'язках.
3. Розроблена нова тривимірна модель дисперсії нафти. Модель враховує дію джерела крапель нафти, що поступає з поверхневої плями під дією хвиль, що перекидаються. Це джерело вважається рівномірно розподіленим по шару перекидання хвиль. Модель дозволяє описувати одночасний рух крапель різних розмірів та слідкувати за еволюцією розподілу крапель за розмірами з часом та глибиною. Працездатність чисельного лагранжевого алгориму було підтверджено перевіркою на отриманому аналітичному стаціонарному розв'язку для рівноважного розподілу концентрації нафти. Запропоновано підхід, що дозволяє знаходити відповідність між граничними умовами в ейлеровій та лагранжевій постановах для дифузійної задачі.
4. Досліджено процес формування граничного розподілу капель нафти при подрібнені поверхневої плівки нафти вітровими хвилями, що перекидаються. Припускалося, що результуючий розподіл формується як границя послідовних подрібнень крапель за заданим законом. Моделювання утворення граничного спектру проводилося за допомогою модифікованої моделі Колмогорова подрібнення крапель, яка враховує наявність межі розмірів частинок, далі від якої подрібнення не відбувається. Застосування існуючих законів подрібнення продемонструвало, що ні один з них не відтворює спостережений в експериментах граничний розподіл. Саме тому був запропонований феноменологічний закон подрібнення, який припускає утворення великої кількості маленьких крапель в результаті розриву однієї материнської краплі. Такий підхід дозволяє відтворити експериментальний розподіл крапель нафти, який виявився близьким до логарифмічно-нормального.
5. Використовуючи розроблену нову тривимірну модель нафтового розливу та результати досліджень приповерхневого турбулентного шару була розроблена прогностична комплексна моделююча система, що складається з моделі прогнозу погоди, моделі хвиль та тривимірної моделі гідродинаміки. Система була застосована для моделювання гіпотетичного нафтового розливу на північно-західній ділянці шельфу Чорного моря.
6. Розроблено спрощену двовимірну модель, яка має графічну оболонку користувача та використовує базу даних кліматичних течій та властивості основних сортів нафти. В даний момент модель успішно застосовується для моделювання нафтових розливів у Дніпро-Бугському естуарії.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Бровченко И.А., Мадерич В.С. Численный лагранжевый метод моделирования распространения поверхностных пятен нефти // Прикладная гидромеханика. - 2002. - 4 (76), №4. С. 23-31
2. Мадерич В.С., Бровченко И.А. Влияние обрушения ветровых волн на структуру приповерхностного турбулентного слоя // Прикладная гидромеханика. - 2003. - 5 (77), №3. С. 65-71
3. Бровченко И.А. Модель образования спектра нефтяных капель в приповерхностном слое океана // Прикладная гидромеханика. - 2004. - 6 (78), №2. С. 20-26
4. V. Maderich, I. Brovchenko Oil Dispersion by breaking waves and currents // Sea Technology. - 2005. - Vol. 46, №4. - P. 17 - 22.
5. I. Brovchenko, A. Kuschan, V. Maderich, M. Shliakhtun, S. Yuschenko, M. Zheleznyak The modelling system for simulation of the oil spills in the Black Sea // Proc. Third International Conference on EuroGOOS, 3-6 December 2002, Athens. Elsevier Oceanography Series, 69, P.586 - 591.
6. I. Brovchenko, A. Kuschan, V. Maderich, M. Shliakhtun, V. Koshebutsky, M. Zheleznyak Model for oil spill simulation in the Black Sea // Proc. Third International Conf. «Oil Spills, Oil Pollution and Remediation», MEDOSC, 16-18 September, 2003, Istanbul, Turkey, P. 101-112
7. I. Brovchenko, V. Maderich 3D lagrangian model for oil dispersion by breaking waves and currents // Geophysical Research Abstracts. - 2003. - Vol. 5, 01518.
8. I. Brovchenko, E. Pelinovsky, T. Talipova, V. Maderich, E. Kit, V. Koshebutsky, A. Krasilshikov Modeling Of The Langmuir Circulation And Breaking Waves Effects On The Oil Spreading and Dispersion In Surface Layer // Eos Trans. AGU. - 2004. - 85 (17), Jt. Assem. Suppl., Abstract OS31A-06
9. I. Brovchenko, V. Maderich Intermittent Mixing by Myltiscale Breaking of Wind Waves: Implication for Oil Dispersion // Book of Abstracts of XXI International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM 2004). - Warsaw, 2004. - P. 198-199.
10. V. Maderich, I. Brovchenko Oil Dispersion By Breaking Waves and Wind/Wave Induced currents // Book of Abstracts, Eos Trans, AGU Fall Meeting, San Francisco. - 2004.
11. V. Maderich, I. Brovchenko Modeling of turbulence beneath breaking waves // Book of Abstracts, Eropean Geosciences Union General Assembly, Vienna, 24-29 April. - 2005. - EGU05-A-03047. - P. 417.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Математичне та фізичне моделювання обтікання тіл біля екрану з використанням моделей ідеальної та в’язкої рідини. Чисельне розв`язання рівнянь Нав’є-Стокса для ламінарного та турбулентного режимів. Застосування моделей та методів механіки рідин та газів.
автореферат [460,1 K], добавлен 16.06.2009Сутність і практичне значення принципу суперпозиції хвиль. Умови виникнення та методика розрахунку групової швидкості хвиль. Зв'язок між груповою та фазовою швидкістю, схожі та відмінні риси між ними. Поняття інтерференції, її сутність і особливості.
реферат [249,4 K], добавлен 06.04.2009Існування електромагнітних хвиль. Змінне електромагнітне поле, яке поширюється в просторі з кінцевою швидкістю. Наслідки теорії Максвелла. Хвильові рівняння електромагнітних хвиль та рівняння Максвелла. Енергія електромагнітних хвиль, вектор Пойнтінга.
реферат [229,2 K], добавлен 06.04.2009Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною. Особливості поширення електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону в живих тканинах. Характеристики полів, що створюються тілом людини. Електронні переходи в збудженій молекулі. Фоторецепторні клітини.
реферат [238,5 K], добавлен 12.02.2011Біполярний транзистор як напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Схема радіозв`язку та її елементи, розповсюдження електромагнітних хвиль у вільному просторі.
контрольная работа [73,3 K], добавлен 11.01.2013Змінне електромагнітне поле в однорідному середовищі та вакуумі. Поводження хвиль на границях розділу. Відбивна й пропускна здатність, кут Брюстера. Рівняння поширення хвиль у оптичному хвилеводі. Дисперсійні рівняння тришарового діелектричного хвилеводу.
курсовая работа [289,9 K], добавлен 21.01.2011Загальне поняття інтерференції хвиль. Інтерференція монохроматичних світлових хвиль. Екстремальні значення результуючої інтенсивності. Форми інтерференційних смуг. Способи розподілу пучків світла. Просторова і тимчасова когерентність оптичних джерел.
контрольная работа [412,4 K], добавлен 08.12.2010Огляд особливостей процесів теплопровідності. Вивчення основ диференціальних рівнянь теплопровідності параболічного типу. Дослідження моделювання даних процесiв в неоднорiдних середовищах з м'якими межами методом оператора Лежандра-Бесселя-Фур'є.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 16.09.2014Електромагнітна хвиля як змінне електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі. Властивості електромагнітних хвиль. Опис закономірностей поляризації світла, види поляризованого світла. Закон Малюса. Опис явища подвійного променезаломлення.
реферат [277,9 K], добавлен 18.10.2009Характеристика загальних принципів моделювання. Визначення поняття моделі і співвідношення між моделлю та об'єктом. Вивчення основних функцій аналогових та математичних моделей. Аналіз методологічних основ формалізації функціонування складної системи.
реферат [96,1 K], добавлен 09.04.2010Електропровідна рідина та її властивості в магнітному полі. Двовимірна динаміка магнітогідродинамічного потоку у кільцевому каналі І.В. Хальзев. Моделювання електровихрових полів у металургійних печах. Чисельне моделювання фізичних процесів у лабораторії.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 04.05.2014Поняття хвильових процесів, їх сутність і особливості, сфера дії та основні властивості. Різновиди хвиль, їх характеристика та відмінні риси. Методика складання та розв’язання рівняння біжучої хвилі. Сутність і умови виникнення фазової швидкості.
реферат [269,7 K], добавлен 06.04.2009Загальна характеристика та порівняння ефективності, перспективи подальшого застосування різних видів альтернативної енергії: сонячної та земної теплової, приливів і хвиль, біопалива, атмосферної електрики. Їх сучасний стан і оцінка досягнень видобування.
презентация [671,7 K], добавлен 10.03.2019Методи наближеного розв’язання крайових задач математичної фізики, що виникають при моделюванні фізичних процесів. Використання засобів теорії наближень атомарними функціями. Способи розв’язання крайових задач в інтересах математичного моделювання.
презентация [8,0 M], добавлен 08.12.2014Складання моделі технічних об’єктів в пакеті Simulink, виконання дослідження динаміки об’єктів. Моделювання динаміки змінення струму якісної обмотки та швидкості обертання якоря електричного двигуна постійного струму. Електрична рівновага моделі.
лабораторная работа [592,7 K], добавлен 06.11.2014Розрахунок статичної моделі і побудова статичної характеристики повітряного ресиверу для випадку ізотермічного розширення газу. Значення ресивера в номінальному статичному режимі. Моделювання динамічного режиму. Розрахункова схема об’єкту моделювання.
контрольная работа [200,0 K], добавлен 26.09.2010Вивчення фізичної сутності поняття атомного ядра. Енергія зв’язку і маса ядра. Електричні і магнітні моменти ядер. Квантові характеристики ядер. Оболонкова та ротаційні моделі ядер. Надтекучість ядерної речовини. Опис явищ, що протікають в атомних ядрах.
курсовая работа [50,2 K], добавлен 07.12.2014Алгоритм прямого методу Ейлера, побудова дискретної моделі за ним. Апроксимація кривої намагнічування методом вибраних точок. Аналіз перехідних процесів з розв’язанням диференціальних рівнянь явним методом Ейлера. Текст програми, написаний мовою Сі++.
контрольная работа [199,5 K], добавлен 10.12.2011Інтерференційні пристрої, чутливі до різниці фазових набігів хвиль. Інтерферометр Жамена та вимірювання величини показника заломлення повітря інтерферометром Релея. Зоряний інтерферометр Майкельсона. Інтерференція проміння: інтерферометр Фабри-Перо.
реферат [87,6 K], добавлен 04.09.2009Теплові процеси в елементах енергетичного обладнання. Задача моделювання теплових процесів в елементах енергетичного обладнання в спряженій постановці. Математична модель для розв’язання задач теплообміну стосовно елементів енергетичного обладнання.
автореферат [60,0 K], добавлен 13.04.2009
