Petrol Spill Analizi için CFDe Giriş
Petrol kirliliği en felaket çevresel felaketlerden biri olarak kalır, deniz ekosistemleri, kıyı ekonomileri ve halk sağlığı için geniş çaplı müdahaleler ile ilgili temel bilgileri, derinleştirilmiş deniz ağları ile ilgili temel bilgileri doğru bir şekilde çözerek, bu tür dinamikleri doğru bir şekilde analiz eder.
Multifayyalı Yağ-Su Akışları için Temeller
Koruma denklemlerini kütle, momentum ve enerji için bir diskatize hesaplama alanı ile çözer. Petrol dökme modellemesi için, akış doğal olarak çok fazlı: petrol ve su farklı dengesizlikler, vizolojiler ve interfacial gerginlikler ile ilgili olarak kullanılır.
EulerianEulerian (İki-Fluid) Modeller
Eulerian-Eulerian çerçevesinde, hem petrol hem de su sürekli olarak kesintiye uğramak için uygun olarak tedavi edilir. Navier-Stokes denklemleri her aşamada, sürüklenme için değişim koşulları ile çözülebilir, asansör ve turbulent dağılımı için uygundur.
EulerianLagrangian (Discrete Stage) Modeller
İşte su sürekli bir aşama olarak tedavi edilir, yağ damlacıkları ayrı parçacıklar olarak takip edilirken, her damlaletin yörüngesi sürüklenme, buygunluk ve sanal kütle gibi bütünleştirici kuvvetlerle hesaplanır. Bu yaklaşım, dalga altındaki yağların kaderini incelemek için idealdir, ancak çok yoğun damlacık popülasyonları için hesaplamak pahalı hale gelir.
Cilt - Yöntem-Fluid (VOF) Yöntemi-
Büyük petrol yaslamaları ve sürekli yayınlar için, VOF yöntemi, her aşamada bir taşıma denklemi çözümü ile doğrudan yağ ve su arasındaki arayüzleri izler. VOF keskin arayüz yakalar ve bir yayanın ilk yayılmasını basitleştirmek için mükemmeldir, ancak sayısal difüzyondan kaçınmak için arayüze çok iyi bir ağ geçidi gerektirebilir.
Multifa modeli seçimi, dökülen bir senaryoya bağlıdır: yakın bir şekilde serbest bırakılması (bir tanker veya boru hattının değiştirilmesi) genellikle Jet/plume davranışını çözmek için VOF'yi talep eder, kilometreye kadar dağılımı daha iyi ele alınırken Eulerian-Lagrangian, düşen mola için, kömür ve hava durumu ile ilgili yaklaşımlarla ilgili olarak yorumlanır.).
Anahtar Faktörler Petrol Azaltımı
Deniz ortamındaki petrolün yayılması ve kaderi, fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerle karmaşık bir etkileşimle yönetiliyor. CFD modelleri bu faktörleri gerçekçi tahminler üretmek için dahil etmelidir.
Şu anki Velocity ve Advection
Okyanus akımları petrol taşımalarının birincil sürücüsüdür. CFD simülasyonlar hız alanlarının girişi gerektirir, ya daha büyük ölçekli okyanus modellerinden veya hesaplama alanı içindeki sığ su denklemlerini çözerek. Tidal akımlar, rüzgara dayalı yüzey akımları ve yoğunluklara yol açar - tüm yağ yatırıcıların ya da dikey hear için hesaba katmalıdır.
Dalga Eylem ve Turbulent Mix
Dalgalar yağ karışımını su sütununa artırır ve buharlı kinetik enerjiyi yüzeye yakın bir şekilde atlayabilirler. CFD modelleri genellikle kaba bir yüzey veya bülanseler kullanarak alt yüzeysel yağ tesisatını tahmin etmek için dalga spektrumunu kullanır (örneğin, k ⁇ , SST k ⁇ )
Sıcaklık ve Salinity
Su sıcaklığı doğrudan petrol viskobularını etkiler: Sıcak yağ daha hızlı ve incelik formüllerini yayabilir ve daha fazla viskous kalır ve deniz suyu yoğunluğu için denklemleri farklı hale getirebilir.Sid kodlarının altında yağ ısıtabilir.
Petrol Özellikleri ve Hava
Yağın kimyasal bileşimi davranışını belirler. Işık hamsleri hızla buharlaşır, dağıtım için mevcut hacmi azaltırken, ağır hams zaman içinde kalıcı slicks oluşturmaya eğilimlidir. Zamanla, petrol hava kirliliğine maruz kalır: buharlaşma, emülsifikasyon (biyyen su-in-petrol majları); foto-oksidasyon[TFL:3)[TFL:3)
Detaylı Bilgi Simülasyonu İş Akışı
Petrol dağıtım için güvenilir bir CFD modeli inşa etmek, yapılandırılmış bir iş akışını takip eder.Her adım doğrudan sonuçların doğruluğunu ve faydasını etkiler.
Geometrik Yaratılış
Hesaplama alanı, banyolu, kıyı şeridi, yapay yapılar (e.g., breakwaters, platformlar) ve akıt kaynak geometrisi ile ilgili deniz ortamını temsil etmelidir; alan, daha fazla çalışma için, on kilometreye kadar uzanır. CAD tabanlı geometri araçları (e.g., Rhinoceros, SpaceClaim) karmaşık kıyı şeridi modeline alışkındır, okyanus ölçekli modeller daha büyük bir alandan çiftleşmiş olabilir.
Meş Nesil
Uygun bir ağ, yüzeyin yakınında ince hücreli hücrelerin ve yüksek lisans sistemlerinin herhangi bir bölgelerinin çözülmesi için kritiktir.In VOF simülasyonları için, ağ keskin bir arayüz sağlamak için yeterince iyi olmalıdır; cm'nin yakınında bulunan tipik boyutlardaki yüzeyler, santimetrenin altındaki polihedral ve kesimli ızgaralar için denge ve hesaplama maliyeti.
Sınır ve İlk Koşullar
Atmospheric conditions (wind speed and yön), dalga spektrumu ve okyanussal mevcut profiller sınır koşulları olarak reçete edilmelidir. - Atmospheric conditions (wind speed and direction), dalga spektrumu ve okyanussal mevcut profiller, ilk petrol miktarı olaylarını temsil etmek için eklenmiş olabilir.
Governing Equations'ı Çözün
Transient simülasyonlar sonlu bir el-ruhu kullanılarak çalıştırılır (örneğin, ANSYS Fluent, OpenFOAM, STAR-CCM+) Zaman adımları, Courant-Fried Navizens-Lewy (CFL) koşulu ile yapılır, genellikle açık sistemler için 0,5'den daha az. Basınçlı bir darbe girişimi PISO veya SIMPLE algoritması tarafından ele alınabilir.
PostProcessing and Analysis
Simülasyon sonuçları, petrol konsantrasyon konsörlerini, ya da kalınlıkları, damlalet büyüklüğü dağıtımını göstermek ve hassas yerlerdeki zamanlara ulaşmak için görselleştirilmiştir.Su sütununda toplam petrol kütlesi, heen bölgesi ve bir kıyı çizgisine ulaşma zamanı doğrudan kayakçı, bomlar ve dispersant uygulama.
Gerçek Dünya Scenarios'taki uygulamalar
CFD birkaç büyük döküntüye karşı doğrulandı ve giderek planlama ve yanıt olarak kullanılıyor.
Deepwater Horizon Blowout
Meksika felaketinin 2010 Körfezi yaklaşık 4.9 milyon varilin üzerinde petrolün yaklaşık yüzde 87'si, Miami'deki araştırmacıların, en iyi şekilde yükselen derinlikleri tahmin etmek için bir VOFEulerian Lagrangian hibrit yaklaşımına () nötral-field) ve daha sonra yağ damlacıklarının sularını açıklayan bir faktör.[50]
Exxon Valdez Spill – Hindcast Validation
Prince William Sound'da 1989 dökülüyor, Alaska, yaklaşık 11 milyon galon ham petrolü serbest bıraktı. Adaylık çalışmaları şimdi arşivlenmiş hava ve mevcut verileri kullanarak döküldü.Gerçek petrollü kıyı anketleriyle birlikte simülasyonlarla hareketle karşılaştırarak, araştırmacılar intihar akımlarının ve rüzgar sürüklenme faktörlerinin doğruluğunu doğruladılar.
Operasyonel Yanıt Destek Desteği
Ayrıntılı bilgi için basitleştirilmiş bir ulusal ajanslar (DEHARD)[0) Ulusal Okyanus ve Atmospheric Administration (NOAA)) ve arsa korumalı alana yakın Avrupa Deniz Güvenliği Ajansı (EMSA)), tam CFD çıktılarını yanıt araçlarına dahil etmek için 12-24 saat içinde gerçek zamanlı sayacı için basitleştirilmiş bir fizik kullanır.
Çevre Yanıtı ve Planlama Faydaları
CFD analizinden elde edilen bilgiler doğrudan yağdırma yanıt operasyonlarının etkinliğini ve verimliliğini geliştirir.
- [FONT:0) Tahmin edici bir yörünge[[Döncükler)[Döncükler) - Petrolün nereye gittiğini bilmek, zamandaki konumdaki patlamalara, kayakçılara ve yağların düşmesine izin verir.
- [FONT=0) Parafilli uygulama [[DÜT:1) - CFD yüksek türbülansların pencerelerini ve dalga enerjisini, dispersantların biyodegradasyon için küçük damlacıklara kırıldığında belirleyebilir.
- [FONT:0] ekolojik etki değerlendirme[Dönetici: 1), petrol konsantrasyonu zamanla basitleştirerek, ajanslar insan bahçeleri, mercan kayalıkları ve balık spawning sebepleri gibi hassas habitatların korunmasını öncelikleyebilirler.
- [FONT:0)Kaynak tahsisi[[Dönetici:0)[[[Dönetici:0)) Kaynak tahsisi[[Dönetici:0)[[[Dönetici:0))))[[[[Döneticiler, belirli bir kıyıya ulaşacak petrol miktarını tahmin etmeye yardımcı olur.
- [FONT:0] Eğitim ve matkap planlama[[Dönetici: 1) Gerçek senaryo tabanlı kripto simülasyonları masa üstü egzersizlerinde ve gerçek zamanlı eğitim simülatöründe olay komut takımları için kullanılır.
Geçerlilik ve Doğrulama
CFD güçlü bir araçtır, tahminleri deneysel verilere ve alan gözlemlerine güven oluşturmak için doğrulanmalıdır. Laboratuvar flume deneyleri kontrollü dalga ve mevcut koşullar altında yağ damlama formlarını incelemek için gerçekleştirilir.For example, theİLFLT:0OHMSET[FLT][FLT[FLT][Dönetici tarafından işletilen)
Sınırlar ve C ⁇ Challenges
Güçlülerine rağmen, petrol dökmelerinin CFD modellemesi, uygulayıcıların yönetilmesi gereken birkaç engelle karşı karşıyadır.
C ⁇ Maliyet
Yüksek sadakat simülasyonları - özellikle LES veya DNS kullananlar (Direct Numerical Simülasyon) - büyük bir hesaplama kaynakları gerektirir. Büyük bir dökmenin 24 saatlik simülasyonu, gerçek zamanlı yanıt için gerekli olan kullanımı sınırlandırır, kararların saat içinde yapılması gerekir. Cloud-based high-perform hesaplama ve hız hız bu boşluğu azaltılır, ancak maliyet ve uzmanlık gerektiren önemli kalır.
Veri Erişilebilirliği ve Uncertainty
CFD modeller sadece girdi verileri kadar iyidir. Doğru banyozometri, gerçek zamanlı mevcut profiller ve hava tahminleri her zaman mevcut değildir, özellikle de uzaktan okyanus bölgelerinde.Bu sınır koşullarındaki belirsizlikler simülasyon yoluyla ortaya çıkıyor, büyük hassasiyet analizleri ve ensemble koşusu (Monte Carlo tipi) bu belirsizlikleri ölçmek için kullanılır.
Multifizik Coupling
Petrol hava durumu, biyolojik bozulma ve kimyasal dağılımı henüz tam olarak en CFD kodlarda yakalanamayan karmaşık süreçlerdir. Örneğin, su-in petrol emülleri oluşumu hala aktif bir araştırma alanıdır ve modeller genellikle tüm petrol türleriyle aynı fikirde olmayabilir.
Future Yol in CFD for Oil Spill Research
Önümüzdeki on yıl petrol kirliliği yönetimi için daha değerli hale getirecek önemli ilerlemeler görecek.
Makine ÖğrenmeEnhanced Modeller
Neural ağları, yüksek sadakatli veritabanı üzerinde saatlerce çalışan sorgular üretmek için eğitilmiş olabilir.Bu ek olarak, bu ekstre modelleri gerçek zamanlı risk değerlendirme için kullanılabilir ve daha geniş bir miktar dökme senaryoları keşfederken, tam CFD modeli eğitim verilerini sağlar. ek olarak, makine öğrenimi kesinti ve kömürle ilgili olarak çözülmemiş altgrid süreçleri parametrelemenize yardımcı olabilir.
Deniz Sistemlerinin Dijital İkiz
Bir petrol dijital ikizi - bir kıyı alanının dinamik, gerçek zamanlı sanal bir kopyası - IoT sensörlerini (örneğin, sürüklenme, uydu görüntüleri, ADCP mevcut) bir koşu CFD modeli ile bir simülasyonu derhal tetikleyecekti.
Atmospheric Models ile entegrasyon
Petrol kirliliği dağılımı su yüzeyinde bitmiyor: uçucu organik bileşikler buharlı ve rüzgar tarafından taşınabiliyor, hava kalitesini ve yangın güvenliğini etkileyecektir. Çiftleştirilmiş CFD-a atmosferi modelleri, dökülen petrolün tam yaşam döngüsünün, subsurface tesisatından buharların atmosferine kadar yayılması için geliştiriliyor.
Özerk Yanıt Sistemleri
Robust CFD tahminleri, Avrupa'daki ve ABD'deki araştırma projelerinin en kalın bölümünü belirleyebilir, örneğin karar verme algoritmasının bir parçası olarak, bir drone, dağıtım algoritmalarının en kalın bölümünü belirleyebilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
C ⁇ Akışkanlar Dinamikleri deniz ortamlarında petrol yayılımını analiz etmek için vazgeçilmez bir araç haline geldi.Çok fazlı akış fiziği, dalga-şimdilik etkileşimi ve petrol havası, CFD ekonomik kaynakları azaltabilecek tahminler sağlarken, hesaplama gereksinimleri ve verileri belirsizleştirirken, bu alanda hızlı bir şekilde modern petrol dökmesi ve dayanıklılığı arasındaki boşluğu hızla kapatacaktır.