CN110388899A - 用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，其具有至少一计算机、一系列水文采集装置或涌潮数值模型，计算机连接水文采集装置或接收涌潮计算值，计算机能对水文采集装置所采集的水文数据或接收的潮位和潮前流速等计算数据，通过涌潮流速垂向分布计算模型进行处理并将所得的结果输出。本发明能将某一时刻下涌潮流速的垂向分布以图形的形式展现出来，较好的反映了涌潮流速在垂线上的分布特征，计算误差较小，能够作为工程设计或涌潮研究中用于计算垂线上各位置处的涌潮流速值的有力工具。

Description

用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件
技术领域
本发明涉及流体力学领域，具体涉及涌潮流速垂向分布的计算方法及专用组件。
背景技术
世界上的许多强潮河口都存在涌潮现象，如巴西亚马逊河、英国的塞文河、印度的胡格里河等。涌潮存在两种典型的形态：一种是强度较小，涌潮是由一系列平行向前推进的波构成的波列，称为“波状涌潮”；另一种是强度大时，自由表面破碎，形成向前推进的水滚，称为“漩滚涌潮”。钱塘江涌潮在各河口中最为典型，是极具特色的旅游资源和自然奇观。钱塘江涌潮形成后，水流特性发生极大的改变。涌潮到达前后，水位骤然上涨2～3m，水流急速从落潮状态转为涨潮状态，并迅速达到极值，极值流速达6～10m/s，实测最大测点流速12m/s。
涌潮流速垂向分布是涌潮的重要特征，影响着河口水域的泥沙输移、河床冲淤以及涉水建筑物的安全运行，一直深受涌潮研究者的关注。由于涌潮河段水浅流急，传统的机械旋转式流速仪、只读式流速仪和旋桨电磁式海流计等测量方法无法有效地获取涌潮流速。随着声学剖面流速仪的使用，涌潮流速观测有了突破性的进展，并先后获取了钱塘江河口、澳大利亚戴利河口、英国迪河河口等涌潮流速及其垂向分布的数据。但是上述方法在测量涌潮流速垂向分布时面临着仪器设备的安装与定位、盲区数据的增补、不合理数据的处理等困难，有待在实际应用中不断地克服。
发明内容
本发明的一个目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于计算涌潮流速垂向分布的专用组件。该发明能利用水文采集装置或涌潮数值模型获取潮前水深、潮前流速等相关水文数据，通过计算机内置程序判定涌潮类型，利用已知点位的流速值计算涌潮在垂线上的流速分布，最后将涌潮流速的垂向分布特征以图形形式输出，较好地反映了涌潮流速在垂线上的分布特征，计算误差较小，能够作为工程设计或涌潮研究中用于计算垂线上各位置处的涌潮流速值的有力工具。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，其特征在于：包括至少一计算机、一系列水文采集装置或涌潮数值模型，计算机连接水文采集装置或接收涌潮计算数据，计算机能对水文采集装置采集的水文数据或接收的涌潮计算数据，通过涌潮流速垂向分布计算模型进行处理并将所得的结果以图形的形式输出。
优选的，水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(ADV)、回声测深仪。
优选的，水文数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度、离河底某一距离处的涌潮流速。
优选的，涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度、离河底某一距离处的涌潮流速。
优选的，计算机与所述水文采集装置之间的连接方式包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。
涌潮流速垂向分布的理论计算方法，即涌潮流速垂向分布计算模型，包括如下步骤：
步骤一，通过上述方法获取某一涌潮的潮前水深h、潮前流速v、涌潮高度H、离河底距离为Z1处的涌潮流速V1。
步骤二，判定涌潮类型。通过涌潮Froude数判定该涌潮是波状涌潮还是漩滚涌潮，具体方法如下：
a、计算涌潮的Froude数，即式(1)，
式中，U为涌潮传播速度，v为潮前流速，h为潮前水深，H为涌潮高度。
b、根据公式(1)计算得到的涌潮Froude数(Fr)，如果Fr<1.7，则判断该涌潮为波状涌潮，如果Fr≥1.7，则判断该涌潮为漩滚涌潮。
步骤三，当判定为波状涌潮时，计算涌潮流速垂向分布，具体方法如下：
a、根据已测得的离河底距离为Z1处的涌潮流速V1计算垂向最大流速Vmax，采用的是式(3)，
b、根据公式(3)得到垂向最大流速Vmax，计算离河底任一距离Z(Z≤h+H)处的涌潮流速V，采用的是式(4)，
步骤四，当判定为漩滚涌潮时，计算涌潮流速垂向分布，具体方法如下：
a、由已知的离河底距离Z1，计算该处的相对位置Z'1，即式(5)，
b、根据上述公式(5)得到相对位置Z'1及涌潮流速V1，计算垂向最大流速Vmax，如果Z'1≤0.6，则采用的是式(6)，
如果Z'1>0.6，则采用的是式(7)，
c、根据式(6)或式(7)得到垂向最大流速Vmax，计算离河底任一距离Z(Z≤h+H)处的涌潮流速V，采用的是式(8)，
本发明的原理是：本发明采用实测资料分析与涌潮水槽试验相结合的方法对涌潮流速在垂线上的分布特性进行了系统研究。基于钱塘江河口涌潮观测和涌潮水槽试验的数据资料，采用相对位置、相对流速等无量纲指标对涌潮流速沿垂线分布进行优化拟合，提出了计算公式，即式(4)和式(8)。在此基础上编写计算程序，以水文采集装置或涌潮数值模型所获取的潮前水深、潮前流速等数据为输入，以涌潮流速的垂向分布图为输出，构建完整的专用组件。
本发明的有益效果是：本发明以涌潮流速沿垂线分布的计算公式为理论基础，采用水文采集装置或涌潮数值模型获取输入条件，得到了涌潮流速的垂向分布。经实测数据或试验数据验证，输出结果较好的反映了涌潮流速在垂线上的分布特征，误差较小。该组件能够作为工程设计或涌潮研究中用于计算垂线上各位置处的涌潮流速值的有力工具。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明实施例计算机程序简要流程示意图；
图3为波状涌潮流速垂线分布计算值与实测或试验值对比图；
图4为漩滚涌潮流速垂线分布计算值与实测或试验值对比图；
图5本发明计算机与水文采集装置或涌潮数值模型连接示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，包括至少一计算机、一系列水文采集装置或涌潮数值模型，计算机连接水文采集装置或接收涌潮计算数据，计算机能对水文采集装置采集的水文数据或接收的潮位和潮前流速等计算数据，通过涌潮流速垂向分布计算模型进行处理并将所得的结果输出。其流程如图1～图2。
水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(ADV)、回声测深仪。
水文数据或涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度、离河底某一距离处的涌潮流速。
计算机与所述水文采集装置之间的连接方式，如图5所示，包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。
实施例2：以下以涌潮实测数据进行进一步说明。
通过自记水位仪与三维声学多普勒流速仪(ADV)现场观测，获得某一涌潮的潮前水深h＝1.8m、潮前流速v＝-1.47m/s、涌潮高度H＝2.6m、离河底距离为Z1＝3.4m处的涌潮流速V1＝4.15m/s。将上述数据传输到计算机中进行处理。
首先，利用上述的潮前水深、涌潮高度、潮前流速，由计算机存储的程序计算得到Fr＝2.02。由于Fr≥1.7，则判断该涌潮为漩滚涌潮。
接着，由已知的离河底距离Z1＝3.4m及潮前水深、涌潮高度，由计算机存储的程序，计算其相对位置Z'1＝0.77。由于Z'1>0.6，则由计算机存储的程序计算得到垂向最大流速Vmax＝4.18m/s。
最后，由计算机存储的程序计算得到的离河底距离Z＝0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0及4.4m的流速分别为3.39、3.53、3.68、3.86、4.06、4.18、4.13、3.91及3.61m/s。
实施例3：
计算机程序控制步骤如下：
a、读取水文数据；
b、判断涌潮类型；
c、计算波状涌潮或漩滚涌潮流速垂向分布；
d、输出数据文件。
尽管已结合优选的实施例描述了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里列出的主题实施各种改变、同等物的置换和修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。

Claims (6)

1.用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，其特征在于：包括，
至少一计算机，用于实现涌潮流速垂向分布的计算；
所述的计算机连接水文采集装置或接收涌潮计算数据；所述的计算机能对水文采集装置采集的水文数据或接收的潮位和潮前流速等计算数据，通过所述涌潮流速垂向分布计算模型进行处理并将所得的结果输出。
2.根据权利要求1所述的用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述的水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(ADV)、回声测深仪等。
3.根据权利要求1所述的用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述的水文数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度、离河底某一距离处的涌潮流速。
4.根据权利要求1所述的用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述的涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度、离河底某一距离处的涌潮流速。
5.根据权利要求1所述的用于涌潮流速垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述的计算机与所述的水文采集装置之间的连接方式包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。
6.所述的涌潮流速垂向分布计算模型，其特征在于，包括如下步骤：
a、通过上述方法，获取相关水文数据；
b、通过计算机存储的程序，计算涌潮的Froude数，判断涌潮是波状涌潮还是漩滚涌潮；
c、通过计算机中存储的程序，计算波状涌潮或漩滚涌潮的涌潮流速垂向分布；
d、结合实验及现场观测的流速点位分布，将计算出的涌潮流速垂向分布作图，输出数据文件。
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