[發明專利]一種測量海洋表層湍流的方法

在審

• 申請號: 201911106329.5
• 申請日: 2019-11-13
• 公開（公告）號: CN110823192A
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 李博
• 申請（專利權）人: 浙江舟山勵博海洋科技有限公司
• 主分類號: G01C13/00
• 分類號: G01C13/00;G01H3/00;G01M10/00
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理事務所(普通合伙) 11368
• 代理人: 孫國棟

本發明提供的一種測量海洋表層湍流的方法，包括組裝波浪監控攝像頭、振動傳感器和GPS模塊；收集波浪監控攝像頭的圖像數據和振動傳感器的振動數據；利用空中攝像機對水面進行拍攝；建立波浪監控攝像頭和振動傳感器周圍水面起伏影像并進行修正；得到表層湍流模型；計算湍流剪切力和摩擦力。本發明的方法，通過漂浮拍攝補償攝像機振動振幅的方法獲得某一地域上下振動模型，利用空中拍攝的方法獲得表層水流流向模型，將振動模型和水流平面流向模型利用計算機合并，即可獲得該地域水流表層湍流造成下一刻水的流向，從而粗略估計下一刻水流流向，從而計算該處表層湍流的模型和剪切力等，在表層湍流監測領域具有廣泛的適用性。

技術領域

本發明涉及海洋觀測領域，特別涉及一種測量海洋湍流的方法。

背景技術

湍流被認為是經典物理中最后一個沒有解決的問題，湍流模型是指確定湍流輸運項的一組代數或微分方程,通過這組方程,Reynolds方程得以封閉.它基于對湍流過程的假設,借助經驗常數或函數,建立高階湍輸運項與低階湍輸運項直至與平均流之間的某種關系。

常用的湍流模型可根據所采用的微分方程數進行分類為:零方程模型、一方程模型、兩方程模型、四方程模型、七方程模型等。對于簡單流動而言，一般隨著方程數的增多，精度也越高，計算量也越大、收斂性也越差。但是，對于復雜的湍流運動，則不一定。

湍流模式理論或簡稱湍流模型。湍流運動物理上近乎無窮多尺度漩渦流動和數學上的強烈非線性，使得理論實驗和數值模擬都很難解決湍流問題。雖然N-S方程能夠準確地描述湍流運動地細節，但求解這樣一個復雜的方程會花費大量的精力和時間。實際上往往采用平均N-S方程來描述工程和物理學問題中遇到的湍流運動。當我們對三維非定常隨機不規則的有旋湍流流動的N-S方程平均后，得到相應的平均方程，此時平均方程中增加了六個未知的雷諾應力項，從而形成了湍流基本方程的不封閉問題。根據湍流運動規律以尋找附加條件和關系式從而使方程封閉就促使了幾年來各種湍流模型的發展，而且在平均過程中失去了很多流動的細節信息，為了找回這些失去的流動信息，也必須引入湍流模型。雖然許多湍流模型已經取得了某些預報能力，但至今還沒有得到一個有效的統一的湍流模型。

但是基本上所有的湍流模型都是模擬邊界層和剪切層流動，都是對有旋均勻剪切流，自由流(射流和混合層)，腔道流動和邊界層流動等全方位湍流過程的建模。而在海洋研究中，很多時候只是想了解表層湍流方向和受力，比如油污的擴散控制等需要了解的海洋表層湍流的模型，可是目前卻沒有只針對海洋表面的湍流模型。

發明內容

針對現有技術中湍流模型都是模擬邊界層和剪切層流動，都是對有旋均勻剪切流，自由流(射流和混合層)，腔道流動和邊界層流動等全方位湍流過程的建模，卻沒有只針對海洋表面的湍流模型的技術問題，本發明提供了一種測量海洋表層湍流的方法，利用高清攝像頭拍攝和振動傳感器獲得某一時刻某一區域振動位移數據和該位置攝像頭拍攝的水面數據，通過計算機補償的辦法將漂浮在水面上的攝像機自身的振幅補償到水面波紋波動中，即可獲得該時刻該區域水的表面上下振動數據模型，在利用無人機在懸停狀態下，拍攝某一時刻水面水流的路徑，獲得水面湍流的平面流動模型，將兩個模型通過計算結整合記得到表面湍流模型，從而能夠預判下一個該地域湍流的振幅和水流的流向。

本發明提供的一種測量海洋表層湍流的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)在一個浮體上固定波浪監控攝像頭，固定波浪監控攝像頭上部固定振動傳感器和GPS模塊。

(2)將帶有波浪監控攝像頭和振動傳感器的浮體放入水中，使其漂流開，在漂流半個小時以上后，開始收集波浪監控攝像頭的圖像數據和振動傳感器的振動數據。

(3)在空中放入無人機或者氣球攜帶的攝像機，利用空中攝像機對水面進行拍攝。

(4)將波浪監控攝像頭和振動傳感器數據輸入到計算機中，建立波浪監控攝像頭和振動傳感器周圍水面起伏影像，利用振動傳感器測得的振動數據對起伏影像進行修正得到該區域水面起伏數據。