表面波破碎泡径谱的理论研究

采用新的无量纲变量组合推导出波浪破碎形成的气泡总数与气体体积卷入率、湍流能谱密度以及表面张力之间的关系;利用观测结果提出两点假设,并据此将泡径谱N(a)推广为随泡径和深度的分布函数N(a,z)。     

风浪谱平衡范围的斜率

本文首先提出一种基于量纲分析的风浪谱平衡范围斜率的线性模式。依此模式,谱斜率从深水的-5连续变化到浅水的-3。但是,这种模式给出的结果与实测数据有较大的差异,于是,又提出了一种非线性模式。尽管这种非线性模式的推导借助了某些假定和经验事实,但给出的结果良好地符合实测数据,并能解释一些线性模式所不能解释的现象。     

海洋白浪覆盖率模式的研究

在波面位移为均匀正态分布的假定下,导出以海浪谱矩为参量的波面斜率分布函数,依此函数,利用极限波面斜率为波浪破碎判据导出依赖于海浪谱四阶矩的白浪覆盖率的表示式,又通过Ｋｒｙｌｏｖ谱和ＳＭＢ海浪预报方法的经验公式,将海浪谱四阶矩代之以风要素,从而首次建立了一个依赖于风速和风区两者的半理论,半经验的海洋白浪覆盖率模式,此模式给出了结果与Ｍｏｎａｈａｎ汇集的海洋白浪覆盖测量数据符合颇佳。     

乳山湾邻近海域波浪特征要素规律研究

基于高分辨率MASNUM第三代海浪模式并根据Yuan等(2009)提出的波浪破碎统计物理模型,对乳山湾外海2008年各个季节波浪特征要素(有效波高和跨零周期等)与波浪破碎参数(白冠覆盖率、卷入深度和破碎能量损耗率)进行了数值模拟。利用Janson-1卫星高度计观测资料对有效波高模拟结果进行了检验,平均误差在0.17m左右。模拟结果显示,该海域波浪参数具有明显的季节变化特征,在2008-08乳山湾邻近海域受大风天气过程影响期间,有效波高在1.0~1.8m,破碎参数变化显著,白冠覆盖率最大达4.5%,卷入深度在1.5m以上,相应的破碎能量损耗率量值在6~11kg/s3。结果表明,波浪破碎过程对该区域海洋动力环境有着重要影响,是造成乳山湾口表层高溶解氧的可能机制之一。     

基于卫星海面高度资料的太平洋海区涡旋能谱分析

在空间均匀和各向同性的假定下,地转湍流理论认为涡旋动能随尺度分布遵循k–n定律(k为波数)。但实际海洋受边界、地形、层结等,具有明显的非均匀、各向异性特征。鉴于此,我们基于近30a卫星高度计资料,分别计算了热带、副热带、中高纬度等海洋涡旋强度不同区域的海面高度异常(SSHA)波数谱,进而利用线性回归拟合方法估算出中尺度波段上SSHA波数谱的斜率,并与地转湍流理论预测进行了对比。研究结果显示:SSHA波数谱从赤道到中高纬度逐渐变陡,其斜率由–4减到–5,基本符合赤道线性波动理论和准地转湍流理论的预测。SSHA波数谱斜率存在纬向与经向差异,例如在赤道地区,纬向谱比相应的经向谱陡;而在南极绕极流区域,经向谱斜率大于纬向谱斜率。SSHA波数谱斜率的各向异性表明海洋中尺度运动受β效应影响,具有明显的经向和纬向差异。以上结果表明,海洋中尺度运动介于准二维和三维之间,不能用一个全球普适的湍流理论模型来描述。     

近岸破碎波水体掺气及气泡输运过程研究

为准确探讨破碎波作用下气体如何卷入以及气泡的形成与输运特性, 文章结合粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)、高速相机和气泡测量系统, 以及基于Navier-Stokes方程的三维数值模型对气泡形成及其运动过程进行研究。研究结果表明: 文章建立的数值模型能合理地捕捉到破碎波作用下气体的卷入及其输运过程; 波浪的破碎会形成较大的气腔, 其破裂过程又将产生大量的气体微团; 气泡会增加水体的紊动, 造成水体与空气交界面附近形成大量的漩涡以及水体的飞溅; 气泡的破裂会消耗大量的水体能量, 同时发现较大的紊动动能与气泡的生成有关, 且气泡数随平均紊动动能的增加呈线性增长关系。     

波浪作用下海上溢油潜浮于水的机理研究进展

从单油滴角度对波浪作用下漂浮溢油的入水过程(夹带、油滴的形成),演变过程(油滴的变形、破碎和聚并)和上浮过程的研究现状进行综述,介绍了溢油及相关领域的研究手段和实验方法,总结了海上溢油潜浮于水的行为机理及分布规律,并基于实验室和溢油现场的研究成果提出进一步需要探究的问题,为海上溢油污染的应急决策、追踪预测和损害评估等方面提供思路和借鉴。     

可控深水破碎波的实验室生成方法研究

实验室一般采用波浪聚焦方法生成深水破碎波,通过各组分波浪的波幅叠加生成一个波高显著增大的大波,使其波陡超过极限波陡发生破碎。利用该方法生成深水破碎波浪的破碎次数通常并不唯一,导致波浪破碎后的流场特征不明显;造波参数不易于选取导致研究工况的设置难度大,直接影响深水破碎精细化实验的效果和效率。本文采用聚焦波理论计算波面,并利用上跨零点法定义的波高和波长计算理论波陡,结合物理模型实验统计波浪沿程破碎次数与剧烈程度,研究以JONSWAP谱为造波输入谱型时,聚焦波幅、谱峰频率、频宽等造波输入参数对于波浪破碎情况的影响,从而建立深水波浪破碎次数与造波输入参数之间的近似定量关系,为实验造波参数的选取提供参考,提高实验效率。     

改进的理论风浪谱高频部分

本文将文圣常教授等提出的理论风浪频谱的高频部分改进成Aω~（-4）+Bω~（-5）+ω~（-6）的形式,并给出确定参数A、B、C的公式。经过改进后可使谱面积等于1,且在分段处谱值及斜率均连续。     

微尺度滑动平均方法计算海浪谱奇阶矩的公式

Glazman提出了一种计算海浪谱高阶谱矩的微尺度平均方法,但是,他利用随机过程理论导出的计算偶阶矩的公式和参照偶阶矩结论定义的奇阶矩计算公式之间存在着内在的不一致性.本文在Glazman工作的基础上根据随机过程理论推导了“微尺度平均方法”计算奇阶谱矩的公式,纠正了他的错误.上述结论随即应用于讨论破碎对波面水质点水平速度分布的影响.通过破碎的加速度判据考虑了破碎对速度分布的限制,给出了未破碎波面上水质点水平速度的的统计分布的初步结果.该分布取决于谱宽度参数及白浪覆盖率的大小,当白浪覆盖率较大时明显偏离正态分布.     

Effects of salinity and clay type on oil-mineral aggregation

Effects of salinity and clay type on the aggregation process of crude oil and clay particles (oil-mineral aggregates--OMA) were studied in the laboratory. OMA were generated by shaking various oil/clay mixtures in water at 20 degrees C and at a pre-determined energy level. Shape, median and maximum sizes, size distribution and concentration of oil droplets forming OMA were measured using epi-fluorescence microscopy. Results showed that the median and maximum sizes and the concentration of mineral-stabilized droplets increase rapidly when salinity increases from zero to a critical aggregation salinity in the range of 1.2-3.5 ppt. The magnitude of the increase of droplet size is controlled by clay type, while the increase of droplet concentration is influenced by oil type. Size distributions of oil droplets are self-similar, but their magnitudes depend on salinity and oil type. The effect of salinity on droplet size distribution is strongly influenced by clay type. Empirical relationships are derived to calculate concentration and size distribution of mineral-stabilized droplets.     

水下溢油油滴粒径分布实验研究

Oil droplet size distribution(ODSD) plays a critical role in the rising velocity and transport of oil droplets in subsurface oil releases. In this paper, subsurface oil release experiments were conducted to study ODSD under different experimental conditions in a laboratory water tank observed by two high-speed cameras in March and April 2017. The correlation formulas Oh=10.2 Re~(–1) and Oh=39.2 Re~(–1)(Re represents Reynolds number and Oh represents Ohnesorge number) were established to distinguish the boundaries of the three instability regimes in dimensionless space based on the experimental results. The oil droplet sizes from the experimental data showed an excellent match to the Rosin–Rammler distribution function with determination coefficients ranging from 0.86 to 1.00 for Lvda 10-1 oil. This paper also explored the influence factors on and change rules of oil droplet size. The volume median diameter d50 decreased steadily with increasing jet velocity, and a sharp decrease occurred in the laminar-breakup regime. At Weber numbers(We) 100, the orifice diameter and oil viscosity appeared to have a large influence on the mean droplet diameter. At 100We1 000, the oil viscosity appeared to have a larger influence on the relative mean droplet diameter.     

海气界面浪沫中泡沫液滴的尺寸分布

基于液团断裂、粉碎的原理研究浪沫中泡沫液滴的生成，描述了高风速下，波峰被风撕裂产生泡沫液滴的瞬态断裂特性，并基于液团破碎过程局部动能与表面能的能量最小原则，导出了泡沫液滴平均尺寸表达式。其中液滴的产生高度取有效波振幅，风速满足对数廓线分布。研究发现，液滴半径与海水粘性系数、密度、表面张力及风速有关，并与风速的－4／3次幂成正比。     

电磁场作用下油水混合流流动特性研究

电磁分离是处理海洋船舶油污水的一种新方法。为了明晰海洋船舶油污水电磁分离过程，获得油水分离特性，本文采用二维数值模拟和欧拉多相流模型，研究了电磁场作用下油水混合流的流场分布及油相体积分数的变化规律和影响因素。研究结果表明：1）分离通道有效段内，向下的电磁力（洛伦兹力）使海水向下流动，电磁分离力使油珠向上运动；2）分离通道出口上部油相的体积分数随电流密度、磁场强度以及油珠直径的增大而增大，随油污海水入口流速的增大而减小。研究结果为油水混合流电磁分离装置的设计提供了有益的指导。     

横流环境中水下溢油输移扩散的实验研究

文章基于自制的组合式环形水槽（周长9.7 m、宽0.45 m、深1.0 m）,分别以阿曼原油及其消油剂混合物和淡水（含示踪剂）为模拟污染物,开展水下溢油的物理模拟实验,以浮射流输移轨迹、污染物扩散范围和油滴粒径分布为考察指标,研究横流环境和消油剂的使用对水下溢油输移扩散的影响。实验结果表明:在横流环境中,浮射流输移轨迹开始弯曲的高度随着流速的增加而降低;与淡水浮射流主要在水中输移扩散的情况不同,当污染物为原油时,大粒径油滴脱离浮射流主体并上浮至水面,导致扩散范围更大;消油剂的添加会使原油浮射流内部油滴的体积中值粒径变小,油滴粒径分布曲线向小尺寸方向偏移。实验结果可为后续的物理模拟实验和数值模拟研究提供参考。     

基于白冠覆盖率的飞沫生成函数参数化

海浪破碎使得海面产生飞沫水滴，由于飞沫水滴的存在改变着大气和海洋之间的能量传输。飞沫生产函数一般认为是水滴初始半径和风速的函数，但海浪时刻存在于海-气界面，仅仅考虑海面风的作用，而忽略海浪的影响是不够完善的。白冠覆盖率是海浪破碎的重要特征参数，有研究者发现白冠覆盖率与海面风速和海浪均存在相关性。本文尝试从白冠覆盖率出发，构建飞沫水滴的生成函数参数化方案，将描述不同飞沫水滴半径的飞沫生成函数基于白冠覆盖率参数有机整合，然后结合白冠覆盖率和海浪状态的关系，利用实验室观测数据，分析不同海浪状态条件下海浪对飞沫生成函数的影响。研究结果表明，新的考虑波浪效应的飞沫生成函数可以合理地描述不同海浪状态条件下飞沫水滴的生成过程。     

基于广义S变换的吸收衰减技术在YP地区稠油识别中的应用

地震波在穿过含油气储层时,由于受油气流体的黏滞性和内摩擦力影响,在频率上会表现为高频衰减快、低频衰减慢的特征,在频谱上就表现为整体能量向低频移动,使得低频能量相对增强。同时,前人大量研究表明流体黏度越大,黏滞性越强,对地震波的吸收衰减效果越明显。在所研究的YP地区,油气运移到浅部成藏,经历了大量的生物降解作用,原油具有比重大、黏度大的特性。利用频率域的吸收衰减技术在研究区这种特性的油层进行了识别,最终实验结果与已钻井结果吻合度较好,预测井也与实钻井相吻合,验证了该技术在该区应用的可行性。     

The effect of air-bubble barriers in containing oil-slick movement

Laboratory experiments were carried out to investigate the performance of an air-bubble barrier and to determine the oil volume passage rate through such a barrier under various oil sample, wind, wave and current conditions. Two empirical equations were derived based on the laboratory data. The first equation determines the relationship between current velocity and the minimum airflow rate required to avoid oil flow through the barrier from the surface. The second equation predicts the dimensionless oil volume passage rate through the barrier under the surface per unit width when the required minimum airflow rate is given in order to prevent oil flow through the barrier from the surface. If the current and wind speed are given, both the minimum required airflow rate for avoiding oil flow through the barrier from the surface, and the dimensionless oil volume passage rate through the barrier under the surface per unit width can be determined.