[發明專利]一種綜合考慮風速、吹程及水深影響的風應力系數表達方法及系統有效

申請號：	202010402840.6	申請日：	2020-05-13
公開（公告）號：	CN111723461B	公開（公告）日：	2022-08-23
發明（設計）人：	吳時強;高昂;吳修鋒;吳晨暉;王芳芳;戴江玉;張宇;楊倩倩;朱森林;俞雷;徐準	申請（專利權）人：	水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
主分類號：	G06F30/20	分類號：	G06F30/20;G06T17/00;G06F119/14
代理公司：	南京泰普專利代理事務所(普通合伙) 32360	代理人：	張磊
地址：	210029 江***	國省代碼：	江蘇;32
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種綜合考慮風速水深影響應力系數表達方法系統
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【權利要求書】：

1.一種綜合考慮風速、吹程及水深影響的風應力系數表達方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、構建風應力系數表達式形式；

步驟1.1、風應力系數反映風-波-流作用強度，而風-波-流作用強度是受風速、吹程及水深影響的，因此考慮風速、吹程及水深影響后得出風應力系數表達式：

式中,表示風應力系數，表示水面上方10米高度處風速，表示吹程，表示水深；

其中，水體在風作用下形成風生波與表面流，水氣邊界層內總的風應力由紊動切應力和粘滯切應力組成，其中紊動切應力與波浪對氣流的擾動相關，粘滯切應力與表面流有關；紊動切應力反映了氣流中紊動項與重力波作用的強弱，其中紊動切應力為驅動波浪運動的慣性力，波浪的重力為恢復力，因此采用弗勞德數表征氣流中紊動項與波浪作用的強弱；粘滯切應力反映了氣流中粘滯項與表面流作用的強弱，其中氣流粘滯切應力為驅動力，而水面滑移后產生的粘滯力為恢復力，因此采用雷諾數表征氣流中粘滯項與表面流作用的強弱；

步驟1.2、考慮單寬水體情形，對于任一吹程F，采用吹程弗勞德數u₁₀/(gF)^0.5表征吹程F范圍內氣流紊動切應力與波浪作用強弱；采用吹程雷諾數u₁₀F/ν_w表征吹程范圍內氣流粘滯切應力與表面流作用強弱；構建相對水深d/F作為水體的水深特征；采用上述三個無量綱參數表征風應力系數，將步驟1.1中的風應力系數表達式變形為無量綱形式的表達式：

式中，g為重力加速度，ν_w為水的粘滯系數，其余各符號含義同上；

步驟2、確定風應力系數表達式具體形式；

通過實測數據進行回歸，選取三類數據：風洞試驗數據、有限水深和吹程水域實測數據、深水和大吹程水域實測數據，基于上述數據對C_d與、和的關系進行非線性回歸分析，獲得擬合表達式：

式中可見風應力系數與吹程弗勞德數和吹程雷諾數正相關，與相對水深負相關；

步驟3、以太湖為對象，采用數值模擬方法，分別采用傳統的風應力系數表達式和步驟1中的風應力系數關系式建立太湖風生流三維數值模型，并將模型模擬水位分別與實測水位進行比對，驗證步驟1中表達式的優越性。

2.根據權利要求1所述的一種綜合考慮風速、吹程及水深影響的風應力系數表達方法，其特征在于：對于對數函數，當底數大于1時，因變量與自變量正相關，且因變量增幅隨著自變量的增加呈現降低趨勢，與風應力系數和風速、水深、吹程的相關關系類似，因此考慮采用自然對數Ln( )作為擬合函數，參考步驟1.1中已有的風應力系數表達式形式，考慮風速、水深及吹程對風應力系數的非線性影響，構建新的風應力系數表達式形式為：

式中，a₁~a₅為待定系數，其余各符號含義同上。

3.一種綜合考慮風速、吹程及水深影響的風應力系數表達系統，用于驅動并執行如權利要求1所述的風應力系數表達方法，其特征在于，包括以下模塊：

用于構建風應力系數表達式形式的第一模塊；所述第一模塊用于反映風-波-流作用強度，而風-波-流作用強度是受風速、吹程及水深影響的，因此考慮風速、吹程及水深影響后得出風應力系數表達式：

式中，表示水面上方10米高度處風速，表示吹程，表示水深；

考慮單寬水體情形，對于任一吹程F，采用吹程弗勞德數u₁₀/(gF)^0.5表征吹程F范圍內氣流紊動切應力與波浪作用強弱；采用吹程雷諾數u₁₀F/ν_w表征吹程范圍內氣流粘滯切應力與表面流作用強弱；構建相對水深d/F作為水體的水深特征；采用上述三個無量綱參數表征風應力系數，將風應力系數表達式變形為無量綱形式的表達式：