[发明专利]一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法

权利要求书

1.一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、建立不同沉积物输运特性公式

开展土体表观冲刷速率物理实验，获得不同流动条件下，土体表观冲刷速率与海床剪切应力的定量关系以及临界起动应力；通过开展不同流动条件下的土体表观冲刷速率物理实验，建立土体表观冲刷速率预报公式：

χ＝σ(τ_c-τ_cr)^ε (1)

其中，χ表示土体表观冲刷速率，该物理量表征的是单位时间内，在一定的流速条件下，无结构物时土体的冲刷深度；σ和ε为常系数，通过对土体表观冲刷物理实验测量得到的数据，经最小二乘法拟合获得，两个常系数表示土体的输运能力；τ_cr表示土体的临界剪切应力，表征土体的抗冲刷能力；τ_c表示流体流动引起的海床剪切应力；当τ_cτ_cr时，土体发生输运，进而产生冲刷；海床剪切应力通过对测量得到的流速剖面分析获得的，在流体作用下，水平流速在深度方向上的分布符合如下的对数率分布：

其中，U(z)表示高度z处测量得到的水平流速，κ＝0.4表示卡门常系数，z₀表示海床糙率高度，与海床沉积物的中值粒径d₅₀相关，其计算方法为z₀＝d₅₀/12，u_*表示底摩阻流速；当已知空间一点的流速后，应用公式(2)，计算底摩阻流速；

当海况情况为单向流作用时，公式(1)中的海床剪切应力τ_c采用如下的公式进行计算：

其中，ρ表示水体的密度；

对于公式(1)中的土体临界剪切应力，其计算方法为当土体表观冲刷速率χ＝10^-7m/s时对应的海床剪切应力，该分析土体临界剪切应力的方法同样适用于波浪和波流联合作用流动条件；

当海况作用为波浪时，需要选取边界层充分发展时候的流速剖面，再通过公式(2)和(3)计算波浪条件引起的海床剪切应力τ_c；

当海况作用为波浪流联合作用时，海床剪切应力通过分别分析单向流引起的海床剪切应力和波浪条件引起海床剪切应力的线性叠加获得；

步骤B、建立水下结构局部冲刷扩展速率分析预报公式

建立海底结构物局部冲刷扩展速率的准确预报公式：

其中，ψ(t)表示结构物周围的局部冲刷扩展速率，不同于土体表观冲刷速率χ，ψ(t)表示由于结构物存在导致的局部海床应力放大产生的局部冲刷；α表示结构物周围局部海床的剪切应力放大系数，其定义为α＝τ/τ_∞，其中τ表示结构物周围的海床剪切应力；τ_∞表示无穷远处未受结构物扰动处的海床剪切应力，该剪切应力在单向流条件下通过公式(2)和(3)进行计算；对于波浪及波流联合作用流动条件，无穷远处的海床剪切应力通过公式(2)和(3)进行计算；结构物周围的海床剪切应力τ，通过两种方法获得：1)开展物理实验，测量结构物周围的流场信息，通过计算流速剖面的空间梯度获得海床剪切应力τ；2)通过数值模拟获得结构周围的海床剪切应力τ；

对于水下结构水动力的数值模拟，引入模型进行湍流封闭；由于结构物周围存在明显的逆压梯度，采用SST k-ω两方程湍流模型提高数值模拟精度；为获得准确的海床剪切应力，在湍流模型中的湍动能生成项ω引入如下的边界条件来模拟不同的沉积物引起的海床粗糙程度：

其中，ν表示流体的粘性系数，系统S_r的计算表达式为：

上式中，k_s⁺＝2.5d₅₀u_*/ν；

当通过公式(4)获得结构物周围的局部冲刷扩展速率之后，通过下式计算结构物周围的局部冲刷深度随时间的变化：