[發明專利]一種克服水下結構局部沖刷物理實驗比尺效應問題的方法

在審

• 申請號: 202211180368.1
• 申請日: 2022-09-27
• 公開（公告）號: CN115563672A
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 唐國強;呂林;喬東生;宋志偉;閆俊;吳甜宇;滕云飛;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: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/28;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 王海波

1.一種克服水下結構局部沖刷物理實驗比尺效應問題的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟A、建立不同沉積物輸運特性公式

開展土體表觀沖刷速率物理實驗，獲得不同流動條件下，土體表觀沖刷速率與海床剪切應力的定量關系以及臨界起動應力；通過開展不同流動條件下的土體表觀沖刷速率物理實驗，建立土體表觀沖刷速率預報公式：

χ＝σ(τ_c-τ_cr)^ε (1)

其中，χ表示土體表觀沖刷速率，該物理量表征的是單位時間內，在一定的流速條件下，無結構物時土體的沖刷深度；σ和ε為常系數，通過對土體表觀沖刷物理實驗測量得到的數據，經最小二乘法擬合獲得，兩個常系數表示土體的輸運能力；τ_cr表示土體的臨界剪切應力，表征土體的抗沖刷能力；τ_c表示流體流動引起的海床剪切應力；當τ_cτ_cr時，土體發生輸運，進而產生沖刷；海床剪切應力通過對測量得到的流速剖面分析獲得的，在流體作用下，水平流速在深度方向上的分布符合如下的對數率分布：

其中，U(z)表示高度z處測量得到的水平流速，κ＝0.4表示卡門常系數，z₀表示海床糙率高度，與海床沉積物的中值粒徑d₅₀相關，其計算方法為z₀＝d₅₀/12，u_*表示底摩阻流速；當已知空間一點的流速后，應用公式(2)，計算底摩阻流速；

當海況情況為單向流作用時，公式(1)中的海床剪切應力τ_c采用如下的公式進行計算：

其中，ρ表示水體的密度；

對于公式(1)中的土體臨界剪切應力，其計算方法為當土體表觀沖刷速率χ＝10^-7m/s時對應的海床剪切應力，該分析土體臨界剪切應力的方法同樣適用于波浪和波流聯合作用流動條件；

當海況作用為波浪時，需要選取邊界層充分發展時候的流速剖面，再通過公式(2)和(3)計算波浪條件引起的海床剪切應力τ_c；

當海況作用為波浪流聯合作用時，海床剪切應力通過分別分析單向流引起的海床剪切應力和波浪條件引起海床剪切應力的線性疊加獲得；

步驟B、建立水下結構局部沖刷擴展速率分析預報公式

建立海底結構物局部沖刷擴展速率的準確預報公式：

其中，ψ(t)表示結構物周圍的局部沖刷擴展速率，不同于土體表觀沖刷速率χ，ψ(t)表示由于結構物存在導致的局部海床應力放大產生的局部沖刷；α表示結構物周圍局部海床的剪切應力放大系數，其定義為α＝τ/τ_∞，其中τ表示結構物周圍的海床剪切應力；τ_∞表示無窮遠處未受結構物擾動處的海床剪切應力，該剪切應力在單向流條件下通過公式(2)和(3)進行計算；對于波浪及波流聯合作用流動條件，無窮遠處的海床剪切應力通過公式(2)和(3)進行計算；結構物周圍的海床剪切應力τ，通過兩種方法獲得：1)開展物理實驗，測量結構物周圍的流場信息，通過計算流速剖面的空間梯度獲得海床剪切應力τ；2)通過數值模擬獲得結構周圍的海床剪切應力τ；

對于水下結構水動力的數值模擬，引入模型進行湍流封閉；由于結構物周圍存在明顯的逆壓梯度，采用SST k-ω兩方程湍流模型提高數值模擬精度；為獲得準確的海床剪切應力，在湍流模型中的湍動能生成項ω引入如下的邊界條件來模擬不同的沉積物引起的海床粗糙程度：

其中，ν表示流體的粘性系數，系統S_r的計算表達式為：

上式中，k_s⁺＝2.5d₅₀u_*/ν；

當通過公式(4)獲得結構物周圍的局部沖刷擴展速率之后，通過下式計算結構物周圍的局部沖刷深度隨時間的變化：