海洋覆蓋了地球表面的71%。近年來,隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,世界海運(yùn)量在不斷增加的同時,海上石油泄漏污染的風(fēng)險也在加大。溢油事故對海洋環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和海洋野生動物造成了負(fù)面影響。因此,做出及時的應(yīng)對決策是極其重要和必要的。進(jìn)行一次真正的海上漏油演習(xí)代價高昂,風(fēng)險很大,而且對環(huán)境有害。為了模擬和預(yù)測海上溢油的各種特征,有必要建立溢油數(shù)值模型,實時三維模擬溢油事故,加強(qiáng)應(yīng)急人力資源的培訓(xùn)和演練。目前的溢油模型大都是二維模型,不能滿足流體模擬的要求。本文針對瞬時溢油的擴(kuò)散和漂移問題,建立了渤海水動力潮汐模型,同時對海上溢油事故進(jìn)行了逼真的流體模擬,并應(yīng)用于渤海溢油事故。本文主要研究內(nèi)容如下:1)利用Mike 21水流模型和Mike Zero工具,基于ADI方法建立并計算了渤海水動力潮汐模型。根據(jù)Leendertse原理,在三角網(wǎng)格上用基向量值的線性插值法確定某一點的流速和流向,并用于渤海各海域的計算,并將計算結(jié)果將與觀測資料進(jìn)行比較,以評價該方法的效果。2)基于幾何學(xué)方法模擬了浮油在風(fēng)流作用下的運(yùn)動軌跡。在Fay模型的基礎(chǔ)上,利用Lehr的經(jīng)驗研究計算了擴(kuò)散面積和擴(kuò)散速度,采用Hoult模型進(jìn)行漂移擴(kuò)散。3)當(dāng)油膜達(dá)到最大面積時,提出采用泊松盤算法將浮油渲染成粒子,模擬石油顆粒在波浪、風(fēng)和水流的作用下運(yùn)動和擴(kuò)散。4)根據(jù)每次浮油顆粒的三維信息,構(gòu)造浮油形狀函數(shù),繪制浮油表面。采用Metaball方法根據(jù)精確計算每個體素中每個角點的函數(shù)值,從而確定整個曲面;在油粒子模型的基礎(chǔ)上構(gòu)造等值面的函數(shù);利用Marching Cube方法在三維規(guī)則數(shù)據(jù)域中構(gòu)造等值面。5)使用Unity Shader逼真地渲染浮油。通過表面著色器,頂點著色器和片段著色器計算法線光,以渲染油膜的光照效果。本文使用泊松盤采樣算法創(chuàng)建了不同大小的油粒子,使用Marching Cube算法重建等值面,使油膜呈不規(guī)則形狀,并且可以隨機(jī)分散到較小的部分,海上溢油的三維可視化效果較好。
【學(xué)位單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：X55
【文章目錄】：
PAPER STATEMENT OF NOVELTY
創(chuàng)新點摘要
ABSTRACT
摘要
1 Introduction
    1.1 Purpose of choosing the topic
        1.1.1 Review history of oil spills accident
        1.1.2 Policies and law related to offshore oil spills
        1.1.3 The location and importance of oil spill rescue model
    1.2 Influence of wave, wind and tidal current on oil spills
        1.2.1 Two-dimension method
        1.2.2 Three-dimension method
        1.2.3 Hydrodynamic model
    1.3 Research status of mathematical oil spill model at sea
    1.4 Problems of existing methods
    1.5 Main content and structure of the thesis
2 Numerical simulation of tidal current
    2.1 Theory of ocean tidal analysis and prediction
        2.1.1 Introduction
        2.1.2 Analyzing of generating forces
    2.2 Status of calculation and prediction tide model
        2.2.1 Two-dimension model
        2.2.2 Three-dimension model
        2.2.3 Hydrodynamic model
    2.3 Mike Zero/Mike 21 software
        2.3.1 Introduction
        2.3.2 Creating Mesh and Model output
    2.4 Application of Mike 21 Flow Model to simulate the Bohai Sea tidal
        2.4.1 Features of Bohai Sea area
        2.4.2 Method of numerical calculation tidal current model
        2.4.3 Setup of Bohai Sea tidal simulation
        2.4.4 Model verification result
    2.5 Summary
3 Mathematical model of the oil spill at sea
    3.1 Introduction
    3.2 Overview of the oil spill at sea
        3.2.1 The harm of the oil spill to the ocean environment
        3.2.2 Composition and physicochemical properties of oil products
    3.3 Behavior and fate of the oil spill at sea
        3.3.1 What is the oil spill behavior in water
        3.3.2 Life cycle of oil in the marine environment
        3.3.3 Oil on shore
        3.3.4 Cleanup operation
    3.4 Oil spill modeling
        3.4.1 Spreading
        3.4.2 Drifting
        3.4.3 Evaporation
        3.4.4 Dissolution
        3.4.5 Emulsification
        3.4.6 Synthetic oil spill model
        3.4.7 Oil and obstacle interactions
    3.5 Summary
4 Application of Poisson disk sampling to render oil particle
    4.1 Introduction
    4.2 Dart throwing
    4.3 Poisson Disk Sampling method
    4.4 Apply Poisson Disk Algorithm on the oil model
    4.5 Summary
5 Marching Cube algorithm to reconstruct the iso-surface
    5.1 Introduction
    5.2 Overview of the Marching Cube algorithm
    5.3 Procedure of the fluid surface visualization
    5.4 Summary
6 3D visualization of offshore oil spills
    6.1 Introduction
    6.2 Introduction of the rendering of waves field
        6.2.1 Based on the construction method
        6.2.2 Based physical method
    6.3 3D visualization algorithm of offshore oil spill
        6.3.1 Spreading model
        6.3.2 Drifting and diffusive
    6.4 3D visualization of sea surface oil spill trajectory
        6.4.1 Research on visualization technology of oil film on sea water
        6.4.2 Implementation of oil spill visualization process
        6.4.3 Visualization of oil spill model
    6.5 Summary
7 Conclusions and expectations
    7.1 General conclusions
    7.2 Expectations
Reference
Biography and paper published
Acknowledgement

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2882365