海洋油气开发具有广阔的前景,不断增长的海洋油气开发也伴随着水下溢油事故发生风险的增加。研究和开发溢油运移扩散模型对溢油污染评估和应急处置具有很好的应用价值。论文基于双羽流积分模型和拉格朗日粒子追踪方法,构建了水下井喷溢油从海底到海面运移扩散的三维动力模型,模型可用以分析溢油在水体中的滞留和初期在水面上的输移扩散。对溢油在水下的复杂运动过程的模拟是本文的重点。在海底井喷溢油事故中,泄露的油气混合物在水下的运动是典型的多相浮射流过程。本文在前人对水气两相双羽流模型研究的基础上,将油相的影响引入控制方程,考虑油滴的浮力和溶解,提出了可用于模拟深水溢油的水-气-油三相双羽流积分模型。模型中将浮射流分为外羽流和内羽流两部分,从质量和动量守恒出发,通过对羽流向上发展过程中的卷吸、剥离、油气溶解等模化建立控制方程组,求解以获得不同高度上羽流的断面特征流速、扩展范围等代表性参数。模型适用于海洋水体存在垂向密度分层以及环境流为弱横流的条件。将模型的计算结果与前人的实验观测和数值模拟结果进行对比验证,对于羽流的侵入高度、剥离比例等重要参数都吻合得较好。进而,本文将双羽流积分模型和拉格朗日粒子追踪法进行耦合,构建了可模拟水下溢油从喷射口至海面输移全过程的三维动力模型。粒子的运动分为时均运动和随机游走,随机游走模型被用于模拟粒子的紊动扩散。其中,水下过程中油气粒子从喷射口释放之后先随浮射流运动,其运动速度由双羽流模型给出;当粒子离开浮射流主流则受环境流场控制,其运动速度由大尺度海洋动力模型给出;当粒子到达水面后,则在表面潮流场和风场作用下漂移和扩展,从而实现了对溢油事故的三维全过程模拟。耦合了双羽流模型的拉格朗日粒子追踪法能够模拟出油气泄露物在密度分层环境下在特定高度的滞留以及其浓度的水下分布形态。最后,模型被应用到2010年墨西哥湾溢油事故中。事故过程中的海洋水动力学条件通过FVCOM模式模拟获得,海面风场信息和温度盐度场由公开的实测资料结合再分析资料给出。利用模型模拟了墨西哥湾溢油事故发生初期泄露油气从海底至海面的全过程。模拟结果表明,油气污染物在不同高度处产生了浓度富集层,这与墨西哥湾溢油事故实地检测结果中的水下污染物浓度分布规律一致。此外,溢油水面过程模拟中产生的油膜分布也与实际观测结果比较吻合。