Введение к работе
Актуальность работы, В последние годы во всем мире существенно возрастает активность в области реализации различных технических проектов на шельфе окраинных и внутренних морей. К этим проектам относится сооружение буровых платформ, подводных трубопроводов, терминалов для отгрузки нефтепродуктов и т. п. При осуществлении данных работ одним из направлений исследований является получение оценок воздействия проектируемого объекта на окружающую среду (задача ОВОС). Эта задача может быть решена только с использованием современных методов математического моделирования, поскольку в каждом конкретном случае проектирования гидротехнического сооружения имеющиеся натурные наблюдения обладают существенной неполнотой, а масштабирование эмпирической информации, полученной на уже функционирующем объекте, по меньшей мере, затруднительно. Поэтому построение и реализация математических моделей, предназначенных для решения задач ОВОС представляет собой актуальную проблему.
Цель работы состоит в разработке и реализации эффективных математических моделей и вычислительных методик
для расчета основных характеристик гидродинамических полей (скорости воды, кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации кинетической энергии турбулентности), возмущенных гидротехническим сооружением,
для последующего прогнозирования распространения различных загряз-
няющих субстанций (ЗС) в морской среде в районе проведения работ.
Научная новизна работы состоит в следующем.
| росилцнонллънля)
3 j БИБЛИОТЕКА I
! УЗД,//у і
Разработана и реализована эффективная численная методика расчета движений несжимаемой и слабо сжимаемой жидкости, с единых позиций позволяющая рассчитывать разнообразные стационарные и нестационарные, в том числе и турбулентные, течения в широком диапазоне чисел Рейнольдса (от движений невязкой жидкости до режимов течения Стокса).
Разработана и реализована двумерная нестационарная математическая модель течения воды вокруг гидротехнического сооружения, основанная на уравнениях теории мелкой воды и уравнениях полуэмпирической двухпараметрической q-(> модели турбулентности. Созданная модель позволяет вычислять возмущенные сооружением усредненные по глубине поле скорости воды, поле кинетической энергии турбулентных пульсаций потока, поле скорости диссипации энергии турбулентности, а также связанные с данными величинами поля коэффициентов горизонтального турбулентного обмена.
Разработана и реализована математическая модель, предназначенная для прогноза распространения ЗС в прибрежной области моря и учитывающая такие существенные особенности рассматриваемого явления, как
а) мультидисперсность различных твердых фракций ЗС;
б) турбулентный характер переноса ЗС, приводящий к явной зависи
мости коэффициента горизонтальной диффузии от линейного раз
мера «облака» загрязнения (закон «4/3», обнаруженный Ричардсо
ном1 и теоретически обоснованный Колмогоровым и Обуховым2);
Richardson LF. Atmospheric diffusion shown on a distance-neighbor graph I! Proc. Roy. Soc. 1926. Ser. A. V. 110. N. 756. P. 709.
1 Колмогоров A.M. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса //ДАН СССР. 1941. Т.ЗО. №4. С. 299;
Обухов -AM* О распределении энергии в спектре турбулентного потока // Изв. АН СССР. Сер; геогр. и геофиз. 1941. Т. 5. № 4-5. С 453.
в) временную изменчивость скорости течения как по величине, так и
по направлению;
г) крупномасштабные неоднородности поля скорости воды в аквато
рии;
д) возможный длительный (порядка одного года и более) характер
проведения работ;
е) возможность перемещения источника ЗС в течение проведения ра
бот.
Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов
обеспечена
применением при моделировании известных базовых моделей механики сплошных сред и корректностью постановок краевых задач,
- тестированием разработанных моделей и использованных, вычислительных методик путем проверки сходимости численного решения при уменьшении размеров ячеек разностной сетки, а также путем сравнения результатов отдельных расчетов с численными решениями других авторов, с некоторыми точными решениями и с доступными результатами экспериментов.
Практическая значимость. Разработанная и реализованная математическая модель турбулентного обтекания гидротехнического сооружения позволяет расчетным путем получать количественную информацию о гидродинамических полях вокруг изучаемого объекта. Эта информация необходима для моделирования распространения различных ЗС в морской среде (например, сбросов отходов с морских буровых платформ, нефтяных пятен при аварийных разливах нефти, тепловых воздействий от систем охлаждения оборудования), а также для расчета переноса наносов с целью получения оценок заносимости гидротехнических сооружений. Согласо-
ванная с моделью обтекания методика расчета переноса ЗС может быть использована для решения задач ОВОС при строительстве и эксплуатации морских буровых платформ, при проведении длительных дноуглубительных работ и т.п. Простая в реализации вычислительная методика, разработанная в диссертации, может применяться для решения и других практически важных задач.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных семинарах и конференциях:
Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. XLI научная конференция Московского физико-технического института. М.: ноябрь 1998 г.
7-th Russian-Japanese international symposium on computational fluid dynamics. Moscow State University. M.: июль-август 2000 г.
Научный семинар «Методы решения задач математической физики». Вычислительный Центр им. А.А. Дородницына РАН. М.: май 2003 г.
Совместный семинар отдела Механики сплошных сред ВЦ РАН и кафедры Управления и вычислительных систем (специализация математическая физика) МФТИ. М.: сентябрь 2003 г.
5-th ISOPE OCEAN MINING SYMPOSIUM. Tsukuba, Japan. 2003 r.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Список работ, опубликованных по материалам диссертации, приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы (59 наименований). Работа изложена на 118 страницах и содержит 37 рисунков.
