مدل‌سازی گسترش و پخش آلودگی‌های نفتی با روش احجام محدود در محیط‌های آبی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد عمران- هیدرولیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر طوسی، تهران

2 استادیار عمران- هیدرولیک، دانشگاه خواجه نصیر طوسی، تهران

چکیده

محیط‌ زیست دریایی و مناطق ساحلی تحت تأثیر جدی تأسیسات صنعتی مستقر در نزدیکی ساحل و در مجاورت بنادر و نیز تأسیسات دریایی دور از ساحل هستند. علاوه بر این، ترددهای معمول دریایی، ناوگان‌های تجاری و صنعتی نیز از عوامل تأثیرگذار بر محیط‌زیست منابع آبی دریایی محسوب می‌شوند. در این مقاله با توجه به وجود دو مرز آبی بزرگ خلیج فارس و دریای عمان در جنوب و دریای خزر در شمال و نیز با توجه به اتکای جدی  کشور به استخراج و صدور نفت به‌خصوص از طریق ناوگان‌های دریایی و رشد و توسعه روزافزون صنایع پتروشیمی، چگونگی انتشار، گسترش و پخش لکه‌های نفتی و آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از آنها مورد مطالعه قرار گرفت. آسیب‌های جدی زیست‌محیطی ناشی از صنایع پتروشیمی و نفتی خصوصاً در دوران جنگ خلیج فارس اهمیت توجه ویژه به این موضوع را بیشتر نمایان می‌کند. حرکت لکه نفتی، گسترش، پخش و آثار کیفی آن در محیط، با توسعه یک مدل عددی میانگین‌گیری شده در عمق و با استفاده از روش احجام محدود شبیه‌سازی شد. مدل توسعه داده شده، پارامترهای مؤثر در انتقال و پخش آلودگی‌های نفتی را در مدل مناسب پیش‌بینی جریان و انتقال لکه نفتی مورد استفاده قرار می‌دهد. باتوجه به اینکه در پدیده انتقال و پخش آلودگی نفتی، بخش‌های انتقال و پخش معادلات ناویر - استوکس نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند، انتخاب روش مناسب عددی در قسمت انتقال و پخش از اهمیت خاصی برخوردار است. در این مقاله برای جملات انتقال و پخش از الگوریتم با دقت بالا با استفاده از تابع شکل رویه و با فرض تغییرات درجه چهار در دو بعد استفاده شد که در مدل‌های مشابه دیده نمی‌شود. همچنین به‌منظور شبیه‌سازی پدیده جزر و مد، جبهه تر و خشک نیز در نظر گرفته شد. معادلات حاصل با استفاده از روش ضمنی با جهت متناوب حل شدند که ضمن ارضای دقت مناسب موردنظر، مجهولات با حل یک ماتریس پنج قطری در هر گام زمانی به‌دست آمدند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Dispersion Modeling of Oil Pollution with Finite Volume Method in Aquatic Environments

نویسندگان [English]

  • Ehsan Sarhadizadeh 1
  • Kourosh Hejazi 2
1 MSc. of Hydraulic and Civil Eng., Khajeh Nasir Toosi University of Tech., Tehran
2 Assist Prof. of Hydraulic and Civil Eng., Khajeh Nasir Toosi University of Tech., Tehran
چکیده [English]

As long as oil is used, the risk of an oil spill exists. Rapid economic growth has caused a significant increase in fossil fuel consumption in recent decades. The world production of crude oil is about 3 billion tons per year and half of it is transported by sea. Exporting oil, especially via marine fleets and increasing development of petrochemical industry, marine system is exposed to severe environmental damages. The movement of oil spill, its diffusion and hydro-environmental effects have been simulated by developing a 2DH numerical model based on non-linear shallow water Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations using Finite Volume Method.The new model deploys the relevant formulations for oil spill processes. Since advection and diffusion of oil pollution play a crucial role in oil spill flow pattern, it is important to choose an appropriate numerical scheme for the transport terms of N-E equations. In this work, a highly-accurate algorithm based on a 4th degree accurate shape function has been used for the hydrodynamic model, which is not present in similar models. The solution method is based on the alternating direction implicit (ADI) scheme. The equations are then solved by a Penta-Diagonal matrix in each half-time-step. Results from the numerical model are compared with measured values. Reasonable agreement is obtained between predicted and experimental nearshore circulation patterns.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Oil spill
  • Alternating Direction Implicit (ADI)
  • Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations (RANS)
  • Penta-Diagonal Matrix
  • Finite Volume Method (FVM)
ASCE. (1996) State-of-the-art review of modeling transport and fate of oil spills American Society of Civil Eng., USA
Fay, J.A. (1969) The spread of oil slick on a calm sea. Hoult, D.P. (Eds.), Oil on the sea, Plenum Press, New York.
Thalich, P., and Chao, X. B. (2001) Accurate simulation of oil stricks. of the International Oil Spill Conference, Frorida , 26-29
Thalich, P., and Chan, E.S. (2002) Vertical mixing of oil droplets breaking waves Marine Pollution Bulletin 44 (11), 1219-1229
Tkalich, P. (2006) A CFD solution of oil spill problems Elsevier J. Environ. Modeling and Software 21, 271-282
Perianez, R. (2007) Chemical and oil spill rapid response modeling in the strait of Gibraltar Elsevier Journal 207, 210-222
Wang, S., and Shen, Y. (2008) Three-dimensional numerical simulation for transport of oil spills in seas 35, 503-510
Falconer, R. A. (1999) Divast model reference manual User Manual, Cardiff University, Walks, U.K
Mackay, D. (1984) Evaporation rates of spills of hydrocarbons and petroleum mixtures Environ. Sci. 18 (11), 834-840
Mackay, D. (1980) Oil spill processes and models Environmental Protection Service Pub., Canada
Copeland, G. J. M. (1985) Practical radiation stress calculations in the connected with equations of wave propagation Coastal Eng. 3, 195-219
Hirsch, Ch. (2007) Numerical computation of internal and external flows 2nd Ed., Elsevier, U.K
Sarhadi Zadeh, E., and Hejazi, K. (2009) Development of a high accurate numerical model for oil slicks transport using finite volume method 2nd International Symposium on Environmental Engineering (ISOEE), KNTU, Tehran, Iran.
Ferziger, J. H., and Peric, M. (2002) Computational method for fluid dynamic 3rd Ed., Springer Pub., New York.
Karawia, A.A. (2006) A computational algorithm for solving periodic penta-diagonal linear systems Elsevier J., Applied Mathematics and Computation 174, 613-618
Hejazi, K. (2004) 3D modeling of flow and turbulence in stratified coastal zones Cardiff Uni., Wales, UK.
Rodi, W. (1984) Turbulence models and their application in hydraulics IAHR Pub., Delft
Borthwick, A. G., and Joynes S. (1992) Laboratory study of oil slick subjected to nearshore circulation J. Environmental Eng. 118 (6), 905-923
Dean, R.G., and Dalrymple, R.A. (1998) Water wave mechanics for engineers and scientists World Scientific, Singapore