[發明專利]一種基于速度衰減函數的波浪邊界層最大速度剖面預報方法

在審

• 申請號: 202210544017.8
• 申請日: 2022-05-19
• 公開（公告）號: CN114896907A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 呂林;唐國強;滕云飛;喬東生;李臣;王濱;高山
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/04;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 許明章;王海波

本發明公開了一種基于速度衰減函數的波浪邊界層最大速度剖面預報方法，可對波浪邊界層的最大速度剖面進行快速準確預報。該方法克服了目前已有的速度衰減函數的理論缺陷，即無法實現對湍流波浪邊界層速度剖面的準確模擬；此外，不受線性波浪條件的假設，本發明提出的方法同樣適用于非線性波浪，同時適用于較小的A/k_s范圍，拓展到礫石海床等糙率單元空間分布明顯影響邊界層流動結構條件下的最大速度剖面的分析預報。本發明所提出的方法可以直接應用到波浪邊界層特性、水下結構物的受力、海底沉積物起動和輸運等物理量/物理過程的分析預報等研究工作。

技術領域

本發明涉及海洋工程、水利工程研究領域，具體涉及一種基于速度衰減函數的波浪邊界層最大速度剖面預報方法；所提出的新方法可以直接應用到波浪邊界層特性、水下結構物的受力、海底沉積物起動和輸運等物理量/物理過程的分析預報等研究工作。

背景技術

邊界層的最大流速分布與水下結構的受力極值、海底沉積物起動、輸運特性等海洋工程問題密切相關。因此，國內外眾多學者針對不同來流條件下的邊界層特性開展了系統的研究工作。目前，針對均勻來流條件下的邊界層流動結構的研究工作已相對成熟，通過相關研究工作的開展，建立了可表征邊界層特性的理論和經驗預報公式：即一定的海床糙率高度條件下，湍流邊界層內的流速符合對數率分布規律：

其中，u(z)表示水平速度在垂向坐標z處的數值；u_*表示底摩阻流速；κ＝0.4表示卡門常系數；k_s表示海床的粗糙度。

相比于均勻流邊界層，有關波浪邊界層的研究工作經歷了較為漫長的發展歷程，這主要是由于波浪邊界層內的流速分布除了與空間相關外，還強烈依賴于時間(波浪相位)。相比于均勻流邊界層，波浪邊界層存在以下兩個明顯特征：1)波浪邊界層內存在速度超越(Velocity Overshoot)區域，該區域內的流速大于邊界層外流速，通常用ξ＝(U_s-U_m)/U_m進行描述，其中U_s和U_m分別表示速度超越區域和邊界層外的流速幅值，需要說明的是，速度超越函數ξ也是關于時間和空間的函數；2)邊界層內外流速的時間歷程存在相位差層流波浪邊界層的理論解表明：速度超越的最大值ξ_max以及均為恒定值，分別為ξ_max＝6.7％，但大量物理實驗結果表明，湍流邊界層條件下的ξ_max和并不是固定值，而是與海床的糙率高度以及波浪雷諾數密切相關，這與層流邊界層的流動結構存在明顯差異。一些學者通過引入長度尺度和指數參數，將層流邊界層理論解拓展到湍流邊界層，建立了可預報湍流波浪邊界層流速時空分布的速度衰減函數(Defect Function)，如：

一參數速度衰減函數：

二參數速度衰減函數：其中，λ表示長度尺度參數，p表示指數參數，z表示垂向坐標。以二參數的速度衰減函數為例，與之相對應的波浪邊界層內速度的時空分布可以表示為如下的形式：u(z,t)＝U_mcos(ωt)-U_mexp[-(z/λ)^p]cos[ωt-(z/λ)^p]，其中，ω表示波浪的圓頻率，t表示時間，ωt表示波浪相位。但是，在這些速度衰減函數中，由于沿用了層流波浪邊界層的基本理論，存在湍流邊界層ξ_m與層流邊界層天然一致的明顯缺陷，導致對波浪邊界層內外流速相位差的預測精度不高，因此對湍流邊界層的流速分布的預測存在較大的誤差。

發明內容

為解決現有技術存在的上述問題以及滿足海洋工程設計、施工等的切實需求，本發明的目標為：提供一種可以對波浪邊界層最大速度剖面進行快速準確預報的方法，為海底結構物的受力評估、海底沉積物起動條件判斷、推移質輸運特性等與邊界層流動結構密切相關的物理量/物理過程提供準確的水動力學分析條件。