《Marine Pollution Bulletin》：Modeling characteristic size distribution parameters of oil droplets generated by breaking waves
编辑推荐：
本研究旨在解决溢油模型中自然分散油滴初始尺寸分布的预测难题。研究人员在波浪水槽中实验研究了不同油膜厚度与波高条件下，由破碎波生成的油滴尺寸分布(DSD)。利用SilCam高频率像系统测量了破碎波后约80秒内两个采样位置的DSD。结果显示，体积中值粒径(d50v)与油膜厚度密切相关。研究提出了一个新的无量纲经验函数，用于模拟破碎波后的早期（瞬态）尺寸分布，可作为操作化溢油模型中的伪初始条件，为改进油滴迁移归宿预测提供了关键参数。
当石油泄漏到海洋表面时，破碎的海浪会将油膜撕裂成无数微小油滴，卷入水体，这一过程被称为自然分散。油滴的大小决定了它们在水体中的沉降速度、迁移距离和生物可利用性，是预测石油泄漏环境影响和制定应对策略的关键参数。然而，长期以来，对油滴尺寸分布(DSD, Droplet Size Distribution)的预测模型多基于“平衡状态”假设，即认为油滴在经历破碎过程后会在水体中达到一个稳定的尺寸分布。但近期的研究表明，在波浪破碎后的早期阶段，油滴尺寸分布是随时间剧烈变化的非平衡瞬态过程。那么，能否建立一个能够描述这一瞬态过程的“伪初始”模型，从而更准确地为后续的油滴迁移和归宿模拟提供初始条件呢？这正是发表在《Marine Pollution Bulletin》上的这项研究所要解决的核心问题。
为了回答上述问题，研究人员设计了一系列可控的波浪水槽实验。他们使用了三种不同的名义油膜厚度和三种波高，并通过一个名为SilCam的特制远心相机系统，以高频率记录油滴图像。该系统不仅能精确测量油滴尺寸分布，还能有效区分油滴与气泡。实验在波浪破碎点附近的两个不同采样位置进行，记录了波浪破碎后约80秒内的数据，重点捕捉了靠近波-油膜冲击点的早期瞬态尺寸分布特征。
研究采用了基于图像的尺寸分析技术（SilCam系统），对获取的高频图像进行后处理，以识别和量化油滴。关键的分析方法包括计算体积中值粒径(d50v)以及拟合油滴尺寸分布。研究对比了多个已有的基于无量纲参数（如Weber数We、Reynolds数Re、毛细管数Ca）的油滴尺寸平衡模型，并将实验结果与这些模型预测值进行比较。最终，利用实验数据拟合，提出了一个新的无量纲经验函数，用于描述波浪破碎后早期的油滴尺寸分布特征。
研究结果
1. 油滴尺寸分布的时间与空间演化
研究发现，在波浪破碎后，油滴尺寸分布(DSD)并未迅速达到平衡，而是呈现明显的时空演化。特别是在靠近波浪破碎点的区域（半个波长内），湍流能量更高，油滴的破碎和输运过程与下游区域有显著差异。这证实了“伪初始”模型概念的必要性，即需要捕捉这一早期、近场、非平衡的DSD作为后续输运模拟的起点。
2. 体积中值粒径(d50v)与油膜厚度的关系
研究的一个关键发现是，体积中值粒径(d50v)与初始油膜厚度(hs)存在明显的依赖关系。这与早期的一些研究（如Delvigne和Sweeney, 1988）的结论不同，他们未发现油膜厚度的影响。本研究结果与后来的多项研究（如Reed等人, 2009; Johansen等人, 2015）一致，强调了在预测模型中考虑油膜厚度的重要性。体积中值粒径比数量中值粒径(d50n)更具实际意义，因为它反映了携带大部分油体积的较大油滴的尺寸特性，且对测量仪器的低检测限不敏感。
3. 与现有平衡模型的比较
研究人员将实验结果与Johansen等人(2015)、Li等人(2017c)和Wang等人(2024)提出的平衡模型进行了对比。结果表明，这些平衡模型预测的d50v值与实验观测到的后期（破碎和输运阶段后）数据具有可比性，说明平衡模型可以作为输运模拟的初始条件。然而，在波浪破碎的初始注入阶段，尤其是在距离破碎点较远的位置采样时，平衡模型的预测值与实验测量值存在偏差。这凸显了测量时间和空间位置对于建立准确的伪初始模型至关重要。
4. 新伪初始经验模型的提出
基于实验结果，本研究推导了一个新的经验模型来预测特征油滴尺寸（即体积中值直径），该模型是破碎波高(Hs)、油层厚度(hs)、油水界面张力(σow)和油粘度(μo)的函数。该模型在经典Hinze(1955)湍流破碎理论框架内，通过引入修正的Weber数和Ohnesorge数等无量纲数，量化了油粘度和界面张力的影响，为操作化溢油模型提供了一个可直接使用的伪初始油滴尺寸参数化方案。
结论与意义
本研究通过精细的实验测量，揭示了在波浪破碎点附近油滴尺寸分布的早期瞬态特征，并明确了油膜厚度对体积中值粒径的显著影响。研究挑战了传统平衡模型的假设，提出了“伪初始”模型的概念，强调在油滴输运模拟的起点应使用更接近破碎瞬间的非平衡分布。
所提出的新经验模型整合了波高、油膜厚度及油品物性（粘度和界面张力）等关键参数，为改进溢油自然分散的数值预测提供了更可靠的初始条件输入。这项工作将实验观测与建模需求紧密结合，推动了对海洋溢油行为预测从静态平衡向动态瞬态描述的进步，对于提升溢油应急响应和环境影响评估的准确性具有重要的科学意义和应用价值。研究结果强调了未来在开发油滴尺寸预测模型时，必须考虑测量与模拟在时空尺度上的匹配性。
