[发明专利]一种基于速度衰减函数的波浪边界层最大速度剖面预报方法

说明书

本发明公开了一种基于速度衰减函数的波浪边界层最大速度剖面预报方法，可对波浪边界层的最大速度剖面进行快速准确预报。该方法克服了目前已有的速度衰减函数的理论缺陷，即无法实现对湍流波浪边界层速度剖面的准确模拟；此外，不受线性波浪条件的假设，本发明提出的方法同样适用于非线性波浪，同时适用于较小的A/k_s范围，拓展到砾石海床等糙率单元空间分布明显影响边界层流动结构条件下的最大速度剖面的分析预报。本发明所提出的方法可以直接应用到波浪边界层特性、水下结构物的受力、海底沉积物起动和输运等物理量/物理过程的分析预报等研究工作。

技术领域

本发明涉及海洋工程、水利工程研究领域，具体涉及一种基于速度衰减函数的波浪边界层最大速度剖面预报方法；所提出的新方法可以直接应用到波浪边界层特性、水下结构物的受力、海底沉积物起动和输运等物理量/物理过程的分析预报等研究工作。

背景技术

边界层的最大流速分布与水下结构的受力极值、海底沉积物起动、输运特性等海洋工程问题密切相关。因此，国内外众多学者针对不同来流条件下的边界层特性开展了系统的研究工作。目前，针对均匀来流条件下的边界层流动结构的研究工作已相对成熟，通过相关研究工作的开展，建立了可表征边界层特性的理论和经验预报公式：即一定的海床糙率高度条件下，湍流边界层内的流速符合对数率分布规律：

其中，u(z)表示水平速度在垂向坐标z处的数值；u_*表示底摩阻流速；κ＝0.4表示卡门常系数；k_s表示海床的粗糙度。

相比于均匀流边界层，有关波浪边界层的研究工作经历了较为漫长的发展历程，这主要是由于波浪边界层内的流速分布除了与空间相关外，还强烈依赖于时间(波浪相位)。相比于均匀流边界层，波浪边界层存在以下两个明显特征：1)波浪边界层内存在速度超越(Velocity Overshoot)区域，该区域内的流速大于边界层外流速，通常用ξ＝(U_s-U_m)/U_m进行描述，其中U_s和U_m分别表示速度超越区域和边界层外的流速幅值，需要说明的是，速度超越函数ξ也是关于时间和空间的函数；2)边界层内外流速的时间历程存在相位差层流波浪边界层的理论解表明：速度超越的最大值ξ_max以及均为恒定值，分别为ξ_max＝6.7％，但大量物理实验结果表明，湍流边界层条件下的ξ_max和并不是固定值，而是与海床的糙率高度以及波浪雷诺数密切相关，这与层流边界层的流动结构存在明显差异。一些学者通过引入长度尺度和指数参数，将层流边界层理论解拓展到湍流边界层，建立了可预报湍流波浪边界层流速时空分布的速度衰减函数(Defect Function)，如：

一参数速度衰减函数：

二参数速度衰减函数：其中，λ表示长度尺度参数，p表示指数参数，z表示垂向坐标。以二参数的速度衰减函数为例，与之相对应的波浪边界层内速度的时空分布可以表示为如下的形式：u(z,t)＝U_mcos(ωt)-U_mexp[-(z/λ)^p]cos[ωt-(z/λ)^p]，其中，ω表示波浪的圆频率，t表示时间，ωt表示波浪相位。但是，在这些速度衰减函数中，由于沿用了层流波浪边界层的基本理论，存在湍流边界层ξ_m与层流边界层天然一致的明显缺陷，导致对波浪边界层内外流速相位差的预测精度不高，因此对湍流边界层的流速分布的预测存在较大的误差。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题以及满足海洋工程设计、施工等的切实需求，本发明的目标为：提供一种可以对波浪边界层最大速度剖面进行快速准确预报的方法，为海底结构物的受力评估、海底沉积物起动条件判断、推移质输运特性等与边界层流动结构密切相关的物理量/物理过程提供准确的水动力学分析条件。