[发明专利]一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法及系统

权利要求书

1.一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建风应力系数表达式形式；

步骤1.1、风应力系数反映风-波-流作用强度，而风-波-流作用强度是受风速、吹程及水深影响的，因此考虑风速、吹程及水深影响后得出风应力系数表达式：

式中,表示风应力系数，表示水面上方10米高度处风速，表示吹程，表示水深；

其中，水体在风作用下形成风生波与表面流，水气边界层内总的风应力由紊动切应力和粘滞切应力组成，其中紊动切应力与波浪对气流的扰动相关，粘滞切应力与表面流有关；紊动切应力反映了气流中紊动项与重力波作用的强弱，其中紊动切应力为驱动波浪运动的惯性力，波浪的重力为恢复力，因此采用弗劳德数表征气流中紊动项与波浪作用的强弱；粘滞切应力反映了气流中粘滞项与表面流作用的强弱，其中气流粘滞切应力为驱动力，而水面滑移后产生的粘滞力为恢复力，因此采用雷诺数表征气流中粘滞项与表面流作用的强弱；

步骤1.2、考虑单宽水体情形，对于任一吹程F，采用吹程弗劳德数u₁₀/(gF)^0.5表征吹程F范围内气流紊动切应力与波浪作用强弱；采用吹程雷诺数u₁₀F/ν_w表征吹程范围内气流粘滞切应力与表面流作用强弱；构建相对水深d/F作为水体的水深特征；采用上述三个无量纲参数表征风应力系数，将步骤1.1中的风应力系数表达式变形为无量纲形式的表达式：

式中，g为重力加速度，ν_w为水的粘滞系数，其余各符号含义同上；

步骤2、确定风应力系数表达式具体形式；

通过实测数据进行回归，选取三类数据：风洞试验数据、有限水深和吹程水域实测数据、深水和大吹程水域实测数据，基于上述数据对C_d与、和的关系进行非线性回归分析，获得拟合表达式：

式中可见风应力系数与吹程弗劳德数和吹程雷诺数正相关，与相对水深负相关；

步骤3、以太湖为对象，采用数值模拟方法，分别采用传统的风应力系数表达式和步骤1中的风应力系数关系式建立太湖风生流三维数值模型，并将模型模拟水位分别与实测水位进行比对，验证步骤1中表达式的优越性。

2.根据权利要求1所述的一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法，其特征在于：对于对数函数，当底数大于1时，因变量与自变量正相关，且因变量增幅随着自变量的增加呈现降低趋势，与风应力系数和风速、水深、吹程的相关关系类似，因此考虑采用自然对数Ln( )作为拟合函数，参考步骤1.1中已有的风应力系数表达式形式，考虑风速、水深及吹程对风应力系数的非线性影响，构建新的风应力系数表达式形式为：

式中，a₁~a₅为待定系数，其余各符号含义同上。

3.一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达系统，用于驱动并执行如权利要求1所述的风应力系数表达方法，其特征在于，包括以下模块：

用于构建风应力系数表达式形式的第一模块；所述第一模块用于反映风-波-流作用强度，而风-波-流作用强度是受风速、吹程及水深影响的，因此考虑风速、吹程及水深影响后得出风应力系数表达式：

式中，表示水面上方10米高度处风速，表示吹程，表示水深；

其中，水体在风作用下形成风生波与表面流，水气边界层内总的风应力由紊动切应力和粘滞切应力组成，其中紊动切应力与波浪对气流的扰动相关，粘滞切应力与表面流有关；紊动切应力反映了气流中紊动项与重力波作用的强弱，其中紊动切应力为驱动波浪运动的惯性力，波浪的重力为恢复力，因此采用弗劳德数表征气流中紊动项与波浪作用的强弱；粘滞切应力反映了气流中粘滞项与表面流作用的强弱，其中气流粘滞切应力为驱动力，而水面滑移后产生的粘滞力为恢复力，因此采用雷诺数表征气流中粘滞项与表面流作用的强弱；

考虑单宽水体情形，对于任一吹程F，采用吹程弗劳德数u₁₀/(gF)^0.5表征吹程F范围内气流紊动切应力与波浪作用强弱；采用吹程雷诺数u₁₀F/ν_w表征吹程范围内气流粘滞切应力与表面流作用强弱；构建相对水深d/F作为水体的水深特征；采用上述三个无量纲参数表征风应力系数，将风应力系数表达式变形为无量纲形式的表达式：

式中，g为重力加速度，ν_w为水的粘滞系数，其余各符号含义同上；

用于确定风应力系数表达式具体形式的第二模块；所述第二模块通过实测数据进行回归，选取三类数据：风洞试验数据、有限水深和吹程水域实测数据、深水和大吹程水域实测数据，基于上述数据对C_d与、和的关系进行非线性回归分析，获得拟合表达式：

式中可见风应力系数与吹程弗劳德数和吹程雷诺数正相关，与相对水深负相关；

用于验证风应力系数表达式优越性的第三模块；所述第三模块以太湖为对象，采用数值模拟方法，分别采用传统的风应力系数表达式和第一模块中的风应力系数关系式建立太湖风生流三维数值模型，并将模型模拟水位分别与实测水位进行比对，验证第一模块中表达式的优越性。