Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11124
Title: High Resolution Model to Predict Oil Spill Dispersion in Harbour and Coastal Areas
Authors: Zanier, Giulia
Supervisore/Tutore: Petronio, Andrea
Armenio, Vincenzo
Issue Date: 28-Apr-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Mostriamo un modello allo stato dell’arte, che considera i principali processi fisici che governano il greggio in mare nelle prime ore dopo il rilascio, (Zanier, et al., 2014). Le particelle e i tar sono trattati come particelle lagrangiane, ognuna con la propria densità e il proprio diametro; consideriamo le forze principali che agiscono su di esse ossia: galleggiamento, trascinamento e la forza di Coriolis. Il greggio in forma di film sottile è modellato tramite le equazioni proposte da Nihoul (Nihoul 1983/84). Il modello originale di Nihoul considera le forze principali (ossia gravità, stress indotto da vento e correnti marine) che agiscono sulla macchia e governano il suo trasporto e diffusione, sulla superficie del mare, nelle prime 24 ore dopo il rilascio. Il nostro miglioramento al modello consiste nell’introduzione della forza di Coriolis evitando di utilizzare formulazioni empiriche (Zanier, et al., 2015). Infine i principali processi di weathering che agiscono sulla macchia nelle prime 12-24 ore dopo il rilascio (ossia emulsificazione ed evaporazione) sono considerate in accordo con i modelli presenti in letteratura (Mackay, Peterson, et al., 1980 e Mackay, Buist, et al., 1980, rispettivamente). Per preservare un’accuratezza del secondo ordine del metodo numerico, i termini convettivi, nel modello Euleriano, sono discretizzati usando SMART uno schema numerico upwind del terzo ordine (Gaskell and Lau 1988). Il modello è validato con dei casi test standard. Le correnti marine sono risolte con il modello LES-COAST (IEFLUIDS Università di Trieste), un modello numerico ad alta definizione, adatto per simulare flussi in aree costiere e portuali. Il modello LES-COAST risolve la forma filtrata delle equazioni di Navier-Stokes tridimensionali e non-idrostatiche, assumendo che valga l’approssimazione di Boussinesq; e l’equazione di trasporto degli scalari, salinità e temperatura. Il modello usa l’approccio della large eddy simulation per parametrizzare la turbolenza, le variabili sono filtrate con una funzione filtro, rappresentante la grandezza delle celle. I flussi di sottogriglia (SGS), che appaiono dopo l’operazione di filtraggio delle equazioni, sono parametrizzati con un modello di Smagorinsky anisotropo con due eddy viscosity, per adattare il modello a simulare flussi costieri dove le lunghezze scala orizzontali sono molto più grandi di quelle verticali (Roman et al., 2010 ). Le diffusività di sotto griglia della temperatura e salinità, cioè i numeri di Prandtl e Schmidt, sono imposti come $Pr_{sgs}=Sc_{sgs}=0.8$, assumendo che l’analogia di Reynolds sia valida per entrambi gli scalari. La complessità geometrica che caratterizza le aree costiere, è trattata con una combinazione di griglie curvilinee e il metodo dei contorni immersi (IBM) (Roman, Napoli, et al., 2009). L’azione del vento sulla superficie libera del mare è imposta tramite una formula proposta da Wu (Wu, 1982), nella quale lo stress del vento sul mare è calcolato dalla velocità del vento a 10 m sopra il livello del mare. Allo stress aggiungiamo una varianza del 20% per agevolare la generazione di turbolenza e per tener conto che l’azione del vento non è costante nel tempo e nello spazio. Inoltre vicino agli ostacoli, come moli, navi e frangiflutti, lo stress del vento è ridotto linearmente, per considerare la riduzione del vento che si ha nelle zone di ricircolo. Sui contorni aperti le velocità e le quantità scalari sono ottenute innestando il modello LES-COAST con modelli di larga scala (Petronio, et al., 2013) oppure sono impostati secondo dati rilevati. Vicino ai bordi solidi le velocità sono modellate tramite funzioni parete (Roman, Armenio, et al., 2009). Il modello di rilascio di petrolio e il modello idrodinamico sono stati applicati assieme per simulare degli ipotetici scenari di trasporto e diffusione del greggio in mare nel porto di Barcellona (Mar Mediterraneo Nord-Ovest, Spagna, Galea, et al. 2014) e nella baia di Panzano (Mar Adriatico, Nord, Italia).
We present a novel, state of the art model, which accounts for the relevant short-term physical processes governing oil spill at sea, (Zanier, et al., 2014). Particles and tars are modelled as Lagrangian phase having its own density and diameter; taking into account the main forces acting on them, namely: buoyancy, drag and Coriolis forces. Oil transported in form of thin-film is treated by means of an improved Nihoul’s model (Nihoul 1983/84). The latter considers the main forces (gravity, wind and sea currents stresses) governing oil slick spreading and transport in the first hours after spilling, up to 24h for large spill. Our main improvement to the classical model consists in the introduction of Coriolis effect, avoiding using empirical formulations (Zanier, et al., 2015). Finally the relevant short-term (12-24 hours) weathering processes (mainly emulsification and evaporation) are taken into account through established literature models (Mackay, Peterson, et al., 1980 and Mackay, Buist, et al., 1980, respectively). To preserve second-order accuracy of the overall numerical method, convective terms, in the Eulerian model, are discretized using SMART a third order accurate upwind numerical scheme (Gaskell and Lau 1988). We validate the model on standard test cases. The underground hydrodynamics is resolved using LES-COAST (IEFLUIDS University of Trieste), a high definition numerical model suited for coastal or harbour areas. LES-COAST model solves the filtered form of three dimensional, non-hydrostatic Navier-Stokes equations under Boussinesq approximation and the transport equation for salinity and temperature. It makes use of Large Eddy Simulation approach to parametrize turbulence, the variables are filtered by way of a top-hat filter function represented by the size of the cells. The subgrid-scale fluxes (SGS), which appear after filtering operations, are parametrized by a two-eddy viscosity anisotropic Smagorinsky model, to better adapt to coastal flow in which horizontal length scale is larger than vertical one (Roman et al., 2010). The subgrid-scale eddy diffusivities of temperature and salinity, Prandtl and Schmidt numbers, are set $Pr_{sgs}=Sc_{sgs}=0.8$, by assuming that Reynolds analogy holds also for both scalars. Complex geometry that characterizes coastal flow is treated by a combination of curvilinear grid and Immersed Boundary Method (IBM) (Roman, Napoli, et al., 2009). Wind action on the free surface is taken into account by means of the formula proposed by Wu (Wu, 1982), in which the wind stress on the sea surface is computed from the wind velocities at 10 m above the surface. A 20% of variance is added to the stress to ease the generation of turbulence and to take into account of wind stress variations in time and space. Moreover near obstacles such as docks, ships and breakwaters, the wind stress is linearly reduced considering the relevant reduction of stress in recirculation regions. On the open boundaries the velocities and scalars quantities are obtained by nesting LES-COAST within Large Circulation Models (Petronio, et al., 2013) or are imposed from in-situ measurements. Near the wall velocities are modelled using wall functions (Roman, Armenio, et al., 2009). We apply the coupled oil spill model and hydrodynamical one to simulate hypothetical oil spill events in real case scenarios in Barcelona harbour (North-west Mediterranean Sea, Spain, Galea, et al. 2014) and in Panzano bay (North Adriatic Sea, Italy).
Ciclo di dottorato: XXVII Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI ENVIRONMENTAL AND INDUSTRIAL FLUID MECHANICS
Description: 2013/2014
Keywords: Oil Spill
Coriolis force
Coastal Areas
Large Eddy Simulation
Panzano Bay
Stratification
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: ICAR/01 IDRAULICA
NBN: urn:nbn:it:units-14051
Appears in Collections:Ingegneria civile e architettura

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