[发明专利]波浪-淤泥相互作用实验测量装置及计算分析系统

权利要求书

1.一种波浪-淤泥相互作用计算分析系统，其特征在于：包括利用波浪-淤泥相互作用实验测量装置进行的实验室室内实验、波浪水槽实验以及波浪-淤泥相互作用模型构建与模拟分析系统，所述实验室室内实验进行淤泥粒度及组成成分分析、淤泥的流变性质测量分析，明确淤泥流变性质量与粒径、含水率、密度、沙含量的内禀关系；

所述波浪水槽实验进行波浪作用及相关量模拟、淤泥底床相关量测量，确定波浪要素与淤泥底床表征量之间作用关系及其响应机制；波浪-淤泥相互作用模型构建与模拟分析系统进行数值波浪-淤泥相互作用模型的构建以及数据分析，确定波浪-淤泥非线性相互作用模式、作用变化过程与响应机制；

其中，波浪-淤泥相互作用实验测量装置，包括水槽，设在水槽内部的造波机、波高传感器、测波仪以及流速仪，所述水槽底部在预设距离段设有泥层，测波仪设有多个、且等距间隔设在泥层上方，所述测波仪的排列方向与泥层的长度方向一致；造波机产生波浪后，各测波仪分别测量水面波高，得到泥层开始处的入射波高以及泥层上衰减波高；

数值波浪-淤泥相互作用模型的构建方法如下：

首先，使连续方程和动量方程构成一个封闭系统，则需要给定反映流体物理性质的本构方程；对于牛顿流体：

τ_ij＝2μ₀d_ij

式中：τ_ij为应力偏张量；i,j＝1,2，对应通常的笛卡尔坐标x,z方向；μ₀为动力粘度；

式中：为偏微分符号，u_i为坐标x_i向流速分量，u_j为坐标x_j向流速分量；

针对非牛顿流变特性，引入高度综合的粘弹塑性模型，粘弹塑性模型采用Freudental给出的本构关系：

式中：τ_y为材料的剪切屈服极限；J₂为偏应力的第二不变量，且对于二维情况，μ_B为Bingham黏度，G'为弹性剪切模量；

参考两相粘性流体系统中波浪运动和波泥相互作用数值模型，对原有的水动力模型进行修正，将泥浆和界面边界条件考虑在内，用于双层流-泥体系的模拟和水-泥界面高程的预测；

两层粘性流体系统控制方程为：

式中：

式中：t为时间；x和z分别为水平和垂直方向的坐标；u和w分别为x和z方向的速度分量；P^*为无静水压时的压力除以水的参考密度；ρ为水的密度；ρ_r为水的参考密度；g为重力加速度；ν为运动粘度；ν_t为涡粘系数，ω_g为每一时间步网格垂直位移得到的网格速度；

之后采用含浮力项的双方程k-ε湍流模型，k-ε方程的保守形式如下：

式中：k是运动能，ε是能量耗散率，c_μ,σ_k,c_ε,c_1ε,c_2ε,c_3ε是经验常数；P和G分别是剪力和浮力的乘积：

式中：σ_t是施密特数；β是流体的压缩系数，C是指水体或沙体浓度；ν_t为涡粘系数；

由上可得：

为了采用粘弹塑性本构关系对波-泥相互作用开展研究，下层底泥动量方程切应力项采用粘弹塑性本构关系的相关应力项代替；具体计算迭代过程如下：

根据Bingham弹性粘塑性体的流变方程，Bingham黏度可参考下式计算：

底泥密度受波浪动力作用是随时变化的，第N个时间步长时刻底泥密度表示为：

式中：Δt为时间步长；α是经验系数；u_m为底泥流速；η_m为泥面变幅；h_m为底泥厚度。