[發(fā)明專(zhuān)利]一種綜合考慮風(fēng)速、吹程及水深影響的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010402840.6
• 申請(qǐng)日: 2020-05-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111723461B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳時(shí)強(qiáng);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(zhǔn)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06T17/00;G06F119/14
• 代理公司: 南京泰普專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 32360
• 代理人: 張磊

本發(fā)明公開(kāi)了一種綜合考慮風(fēng)速、吹程及水深影響的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)方法及系統(tǒng)，屬于風(fēng)?波?流數(shù)值模擬研究領(lǐng)域。基于湖泊、海洋等水域的風(fēng)?波?流耦合作用機(jī)制，構(gòu)建了可表征風(fēng)?波?流作用強(qiáng)度的兩個(gè)無(wú)量綱數(shù)：吹程弗勞德數(shù)和吹程雷諾數(shù)，建立了含待定系數(shù)的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式形式，而后結(jié)合實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用非線性回歸方法獲取待定系數(shù)，得到最終的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式僅考慮風(fēng)速單一因素影響的不足，突破了其較難適應(yīng)于湖泊數(shù)值模擬的局限性，太湖水位驗(yàn)證結(jié)果表明構(gòu)建的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式具有較好的合理性和較大的優(yōu)越性。本發(fā)明可廣泛推廣于湖泊、海洋等水域的風(fēng)?波?流數(shù)值模擬研究領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)-波-流數(shù)值模擬研究領(lǐng)域，具體涉及一種綜合考慮風(fēng)速、吹程及水深影響的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

湖泊、海洋等現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究存在觀測(cè)儀器、方法的限制及諸多不可控因素，多具短歷時(shí)、點(diǎn)測(cè)量的特點(diǎn)，獲取的資料一般系統(tǒng)誤差較大，數(shù)據(jù)完整性、系統(tǒng)性欠缺。采用數(shù)值模擬方法研究湖泊、海洋特征，可較大程度地彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法存在的不足，獲取對(duì)湖泊、海洋特征較整體的認(rèn)識(shí)。因此數(shù)值模擬方法已成為研究湖泊、海洋等水域水動(dòng)力、水環(huán)境及水生態(tài)特征的重要手段。風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表征了水氣作用強(qiáng)弱與水氣間動(dòng)量傳遞效率，是數(shù)值模擬研究中最重要的模型參數(shù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的合理性與可靠性有著舉足輕重的影響。

風(fēng)應(yīng)力系數(shù)的研究是隨著對(duì)海洋的探索逐漸深入的，由于海洋環(huán)境下吹程和水深較大，已有研究先驗(yàn)性地認(rèn)為風(fēng)-波-流已處于成熟階段，認(rèn)為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)僅與風(fēng)速有關(guān)，忽略吹程和水深對(duì)風(fēng)應(yīng)力系數(shù)的影響。針對(duì)中等風(fēng)速情景(5m/s～24m/s)，目前廣泛采用的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式多具有式(1)的形式，式中C_d為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)，u₁₀為水面上方10m高度處的風(fēng)速，a₁和a₂均為大于0的系數(shù)。該式表明了風(fēng)應(yīng)力系數(shù)與風(fēng)速的線性正相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)速越大水氣作用強(qiáng)度越大，水氣間動(dòng)量傳遞效率越高。

10³C_d＝a₁+a₂u₁₀ (1)

已有風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)方法存在以下弊端：(1)統(tǒng)計(jì)已有研究成果發(fā)現(xiàn)a₁多介于0.30～1.27，a₂多介于0.038～0.138，可見(jiàn)a₁與a₂在不同研究中差異較大。因此，在數(shù)值模擬研究中存在多個(gè)備選表達(dá)式，存在較大的隨意性與經(jīng)驗(yàn)性，造成模擬結(jié)果的不確定性。(2)對(duì)于湖泊與近海等有限吹程及水深水域，風(fēng)-波-流多處于發(fā)展階段，吹程及水深對(duì)水氣間動(dòng)量傳遞效率與水氣作用影響顯著，在數(shù)值模擬研究中仍采用傳統(tǒng)風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式存在不妥。(3)由于沒(méi)有考慮波-流特征，傳統(tǒng)的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式不能較好地體現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)浪破碎使得風(fēng)應(yīng)力系數(shù)隨著風(fēng)速增加趨于飽和的特征。基于上述分析，已有表達(dá)式存在的不足制約了對(duì)湖泊、海洋等水域的精細(xì)模擬研究，阻礙了綜合治理能力的提升。

因此，已有的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)方法亟待進(jìn)一步完善。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式僅考慮風(fēng)速單一因素影響的不足，通過(guò)風(fēng)-波-流耦合機(jī)理分析與數(shù)據(jù)擬合，公開(kāi)了一種綜合考慮風(fēng)速、吹程及水深影響的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)方法，進(jìn)一步公開(kāi)基于上述表達(dá)方法的系統(tǒng)。采用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了表達(dá)式的合理性與優(yōu)越性。

技術(shù)方案：一種綜合考慮風(fēng)速、吹程及水深影響的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)方法，包括如下步驟：

步驟1、構(gòu)建風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式形式；

步驟2、確定風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式具體形式；

步驟3、驗(yàn)證風(fēng)應(yīng)力系數(shù)表達(dá)式優(yōu)越性。

在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述步驟1進(jìn)一步包括以下步驟：