[发明专利]一种基于不同波浪非线性的柔性植被运动模拟方法

权利要求书

1.一种基于不同波浪非线性的柔性植被运动模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立并验证波浪作用下的柔性植被动力模型；

S2，计算特征波速和波浪周期参数KC数；

S3，结合已有公式计算给定波况与植被参数的阻力系数；

S4，模拟给定入射波况与植被参数条件下的柔性植被受力运动；

S5，明确波浪非线性对淹没柔性植被运动的影响规律。

2.根据权利要求1所述的一种基于不同波浪非线性的柔性植被运动模拟方法，其特征在于，所述步骤S1提出波浪作用下淹没柔性植被的运动力学模式，建立笛卡尔坐标系下二维淹没柔性植被运动控制方程，提出基于有限差分的模型控制方程数值求解方法，模拟波浪作用下的单根淹没柔性植被受力和运动情况，结合柔性植被水槽实验实测的植被空间形态数据，调试模型网格与参数设置；模型控制方程如下所示：

式中θ为植被局部弯曲角，s为植被与坐标原点沿植被轴线方向距离，和为植被水平和垂直加速度，E为植被弹性模量，I为惯性矩，ρ_v为植被材料密度，V₁为单位长度植被的排水体积，F_T为垂直于横截面的拉力，f_B、f_D、f_F、f_Ix和f_Iz分别为净浮力、拖曳力、摩擦力、水平和垂直惯性力；

计算公式如下：

f_B＝(ρ-ρ_v)gV₁

式中ρ为水密度，为重力加速度，植被宽度，C_D、C_f和C_m分别为阻力系数、摩擦力系数和附加质量系数，V₂为与附加质量相关的体积，u_w与w_w分别为波浪水质点水平和垂向速度，与分别为波浪水质点水平和垂向加速度，与分别为植被水平和垂直加速度；

针对上述偏微分方程，采用有限差分算法对其进行数值求解，随后可得单根柔性植被各高程处随时间变化的弯曲角数值求解值θ_i，i为空间序号，植被二维空间坐标可表示为和植被水平受力大小为其中h为空间步长，M为植被空间计算网格点数。

3.根据权利要求1所述的一种基于不同波浪非线性的柔性植被运动模拟方法，其特征在于，所述步骤S2给定入射波况、植被等模型参数，包括水深d、波高H、波周期T、植被弹性模量、植被材料密度、波浪理论，应用线性波和斯托克斯二阶波浪理论计算特征波速U_C和波浪周期参数KC数，并生成流场以驱动模拟柔性植被运动；

KC数计算公式为：

线性波情况下特征波速与流场计算公式为：

斯托克斯二阶波情况下特征波速与流场计算公式为：

式中k为波数，ω为圆频率，L为波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于不同波浪非线性的柔性植被运动模拟方法，其特征在于，所述步骤S3设置不同入射波况与植被参数组合，计算表示波浪非线性程度的厄塞尔数，计算公式为U_r＝HL²/d³，随后根据不同阻力系数经验公式计算给定波况和植被参数的阻力系数；阻力系数经验公式计算公式有：C_D1＝(81/KC)^0.36；C_D2＝1.17+12.89/KC^-1.25；C_D3＝0.683+(12.07/KC)^2.25。

5.根据权利要求1所述的一种基于不同波浪非线性的柔性植被运动模拟方法，其特征在于，所述步骤S4为了评估波浪非线性对柔性植被运动的影响，基于已建立的柔性植被动力模型，模拟不同波况和植被参数条件下的柔性植被运动情况，整理分析特征波速、阻力系数以及模型计算结果。

6.根据权利要求1所述的一种基于不同波浪非线性的柔性植被运动模拟方法，其特征在于，所述步骤S5根据模拟的单根柔性植被最大水平力、茎尖摆幅计算结果和厄塞尔数之间的统计关系，明确波浪非线性对淹没柔性植被运动的影响规律。