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論文題目：基于FCE-SPH的海上溢油擴(kuò)散模擬方法

錄用期刊：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào) (CCF A)

錄用時(shí)間：2024.2.21

作者列表：

1） 連遠(yuǎn)鋒 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)系教師

2） 高浛釗 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)技術(shù)專(zhuān)業(yè) 碩21

3） 魏昊天 中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院 博士研究生

3） 紀(jì)連恩 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)系教師

4） 董紹華 中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院 安全工程系教師

摘要:

針對(duì)現(xiàn)有的海面原油泄漏模擬方法無(wú)法呈現(xiàn)符合物理過(guò)程的溢油風(fēng)化擴(kuò)散效果及模擬速度過(guò)慢問(wèn)題，首先給出一種不混溶Cahn-Hilliard兩相流乳化光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散模擬方法FCE-SPH，結(jié)合脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)描述海上溢油的混合和乳化分解過(guò)程；然后設(shè)計(jì)一個(gè)兩相流物理感知深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)偏置圖注意力網(wǎng)絡(luò)OTF-DRL，以加速流體模擬仿真，通過(guò)異構(gòu)偏置圖注意力模塊，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)獲取粒子特征的表達(dá)能力。在不同的工況條件下，分別對(duì)原油在海上泄漏擴(kuò)散物理過(guò)程和油品風(fēng)化過(guò)程進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可以真實(shí)反映海上溢油擴(kuò)散現(xiàn)象，OTF-DRL模擬計(jì)算時(shí)間縮短49.63%。

溢油兩相流FCE-SPH建模

基于海面溢油擴(kuò)散物理過(guò)程，本文提出結(jié)合隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的Cahn-Hilliard兩相流乳化光滑粒子動(dòng)力學(xué)模型FCE-SPH。首先在SPH框架中引入Cahn-Hilliard相分離模型，然后在相分離模型基礎(chǔ)上構(gòu)建油水乳狀液形成模型，最后結(jié)合隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)方法和表面粒子分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)場(chǎng)模擬。

1. 基于Cahn-Hilliard方法的相分離機(jī)制

Cahn等提出了基于統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)描述相分離過(guò)程的Cahn-Hilliard方程，已在多相流研究中得到了廣泛應(yīng)用。本文將Cahn-Hillard方程與海面原油泄漏擴(kuò)散模擬結(jié)合，得到離散化可以得到粒子的相分離方程為：

其中，為粒子的濃度且值域?yàn)?/span>[?1，1]；為粒子質(zhì)量；是粒子的位置；為支撐半徑為的核函數(shù)；為濃度；μ為化學(xué)勢(shì)；為流動(dòng)系數(shù)；ρ為粒子密度。

圖1 Cahn-Hilliard油水兩相流相分離模型

2. 乳化物生成模型

海面溢油污染通常包括擴(kuò)散過(guò)程和風(fēng)化過(guò)程，風(fēng)化過(guò)程中乳化階段產(chǎn)生的油水乳化物的流變性會(huì)發(fā)生變化，隨著時(shí)間的推移直接影響其擴(kuò)散過(guò)程。如圖2所示，將Rasmussen模型中乳化反應(yīng)視為平衡反應(yīng)，即

圖2 油水乳狀液形成模型

設(shè)是乳化物粒子最大含水量，當(dāng)時(shí)，正向反應(yīng)的概率為

其中，為與溫度相關(guān)的正向反應(yīng)系數(shù)；v₀為黏度系數(shù)；是非壓力項(xiàng)合力(如風(fēng)場(chǎng)拖曳力等)。當(dāng)時(shí)，乳化物分解為油和水的概率為

其中，是逆向反應(yīng)系數(shù)，與原油中瀝青等活性劑含量相關(guān)；是瀝青百分比。

3. 隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模型

結(jié)合拖曳力模擬空氣對(duì)基于粒子的流體影響,在氣液耦合方面產(chǎn)生了很好的效果。本文利用鄰域粒子質(zhì)量分類(lèi)器判斷表面粒子集，并結(jié)合隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模型對(duì)粒子施加拖曳力以模擬風(fēng)場(chǎng)作用。設(shè)表面粒子分類(lèi)器的鄰域粒子質(zhì)量特征為，鄰域粒子數(shù)量特征為，則有

其中，是粒子的位置；是鄰域粒子數(shù)量；是分類(lèi)器輸出結(jié)果?；?/span>Perlin噪聲，使用時(shí)間作為隨機(jī)數(shù)種子產(chǎn)生偽隨機(jī)序列

其中，表示粒子受到的風(fēng)場(chǎng)拖曳力；為噪聲振幅。

OTF-DRL網(wǎng)絡(luò)

如圖3所示，FCE-SPH算法中多相流約束模型增加了算法的時(shí)間復(fù)雜度，為此本文提出了OTF-DRL網(wǎng)絡(luò)，用于加速模擬不混溶兩相流.

圖3 OTF-DRL模型結(jié)構(gòu)圖

在兩相流模擬過(guò)程中，粒子濃度與鄰域粒子頻繁交換變化，為了描述不同濃度粒子擴(kuò)散規(guī)律，基于節(jié)點(diǎn)濃度的差異構(gòu)建異構(gòu)圖，設(shè)計(jì)了基于偏置注意力的異構(gòu)圖注意力網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)計(jì)算粒子與鄰域粒子之間的注意力系數(shù)，達(dá)到特征提取目的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:

圖4 6種算法模擬結(jié)果對(duì)比

圖4給出了6種算法的海上溢油模擬結(jié)果，假設(shè)海上風(fēng)場(chǎng)方向?yàn)槟嬉缬头较?，風(fēng)速設(shè)置為15 m/s?？梢钥闯?，PBF算法存在粒子發(fā)散現(xiàn)象，第150幀至第350幀油粒子分散較為明顯，泄漏體邊緣不夠光滑；DFSPH算法雖沒(méi)有出現(xiàn)粒子發(fā)散現(xiàn)象，但原油溢出后第250幀產(chǎn)生粒子堆積現(xiàn)象，溢油邊緣沒(méi)有體現(xiàn)油水兩相流耦合效果；Multiphase SPH較好地處理了兩相流的交互運(yùn)動(dòng)效果，泄漏體邊緣呈流線(xiàn)型，并且由于溢油噴射具有初速度，泄漏體兩側(cè)呈漩渦狀分布；ICSPH泄漏體邊緣不光滑且有分散的油粒子，溢油內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象并產(chǎn)生空腔，如表1所示，由于FCE-SPH算法融入相分離、乳化和隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模型，因此不同程度地增加了原油泄漏擴(kuò)散模擬時(shí)間。

表1 6種算法海上溢油模擬用時(shí)對(duì)比

連遠(yuǎn)鋒，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閳D像處理與虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器視覺(jué)與機(jī)器人、深度學(xué)習(xí)與數(shù)字孿生。