CN110412312B - 涌潮流速垂向分布的一种计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了涌潮流速垂向分布的一种计算方法，该方法包括以下步骤：获取相关数据；判定涌潮类型；若判定为波状涌潮，则利用式(4)计算涌潮流速的垂向分布；若判定为漩滚涌潮，则利用式(8)计算涌潮流速的垂向分布。本发明以涌潮实测数据与水槽试验数据为依据，详细研究了涌潮流速在垂线上的分布特性，针对波状涌潮与漩滚涌潮在垂向分布特性的明显差异，基于数理统计方法分别提出了涌潮流速沿垂线分布的计算公式。经资料验证，该公式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。本发明可为工程设计或涌潮研究中计算垂线上各位置处的涌潮流速值提供有力工具。

Description

涌潮流速垂向分布的一种计算方法
技术领域
本发明涉及流体力学领域，尤其涉及涌潮流速垂向分布的计算方法、组件及存储介质。
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”或“强涌潮”。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。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，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垂向分布的数据。但是上述成果大多是零星垂线的涌潮观测资料或室内试验数据，尚未形成具有普适意义的涌潮流速垂向分布的计算公式或方法。
发明内容
本发明的一个目的在于针对现有技术的不足，提供一种涌潮流速垂向分布的计算方法。该方法可根据判定的涌潮类型，利用已知点位的流速值计算涌潮在垂线上的流速分布。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：涌潮流速垂向分布的计算方法，包括以下步骤：
步骤一，获取相关数据。通过现场观测或试验测量的方法，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(Fr)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)，
Figure GDA0002187806180000021
Figure GDA0002187806180000022
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，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)，
Figure GDA0002187806180000023
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)，
Figure GDA0002187806180000024
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)，
Figure GDA0002187806180000025
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)，
Figure GDA0002187806180000026
如果Z'1>0.6，则采用的是式(7)，
Figure GDA0002187806180000031
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)，
Figure GDA0002187806180000032
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。实测资料来源于近期开展的钱塘江河口涌潮观测数据，其中，涌潮流速采用专用浮动平台加装多普勒流速剖面仪进行自动流速流向观测，记录了水平方向正北、正东方向和铅垂方向三个方向的流速，每1min记录1次，垂向上根据涨落潮期间的水深情况分5层～10层，每层间隔为0.5m。试验数据来源于涌潮玻璃水槽的试验结果，该水槽通过Bore2010涌潮测控系统生成不同潮前水深、潮前流速及涌潮高度的涌潮，采用三维声学多普勒流速仪(ADV)测量垂线上不同位置的涌潮流速。基于上述的数据资料，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)。采用该公式可利用已知点位的流速值计算出涌潮在垂线上任何点位的流速大小。
涌潮流速垂向分布的计算组件，其包括，
存储模块，用于存储实现上述方法的程序和/或参与运算的数据；
运算模块，用于实现上述方法的运算过程。
还包括，
输入输出组件，用于讲所述的参与运算的数据输入和结果的输出；
通讯模块，用于从远端接收所述的运算的数据和/或将结果传到远端。
一种存储介质，用以储存一计算机程序，该计算机程序包括多个程序代码，其用以加载至一电子装置，使得该电子装置执行本申请的方法。
本发明的有益效果是：本发明以涌潮实测数据与水槽试验数据为依据，通过数理统计方法，提出了涌潮流速沿垂线分布的计算公式，即式(4)和式(8)。该计算公式表明：波状涌潮到达时刻的垂向最大流速位于表层，其垂线分布特征来看，与一般潮汐河口的流速垂线分布特征相似；漩滚涌潮在垂向上最大流速出现在潮前静水位附近的中层，其垂线分布成抛物型曲线，与一般潮汐河口的流速垂线分布存在明显差异。经实测数据或试验数据验证，所提出的计算公式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。该方法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为本发明的实施流程图；
图2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3为漩滚涌潮流速垂线分布计算值与实测或试验值对比图；
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：涌潮流速垂向分布的计算方法，实施流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤一，获取相关数据。即获取计算所需的参数，采用现场观测或试验测量的方法，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。通过历史数据的对比，进一步核实上述数据的合理性。
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)，
Figure GDA0002187806180000041
Figure GDA0002187806180000042
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，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、根据已知的离河底距离为Z1处的涌潮流速V1计算垂向最大流速Vmax，采用的是式(3)，
Figure GDA0002187806180000051
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)，
Figure GDA0002187806180000052
式(4)是根据波状涌潮的实测和试验所获取的垂向分布数据经拟合后得到的计算公式，其垂线分布特征是垂向最大流速位于表层，经与实测或试验数据对比，该式具有较高的计算精度，如图2所示。
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)，
Figure GDA0002187806180000053
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)，
Figure GDA0002187806180000054
如果Z'1>0.6，则采用的是式(7)，
Figure GDA0002187806180000055
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)，
Figure GDA0002187806180000056
式(8)是根据漩滚涌潮的实测和试验所获取的垂向分布数据经拟合后得到的计算公式，其垂线分布特征是垂向最大流速出现在潮前静水位附近的中层，成抛物型曲线，经与实测或试验数据对比，该公式具有较高的计算精度，如图3所示。
涌潮流速垂向分布的计算组件，其特征在于：包括，
存储模块，用于存储实现上述方法的程序和/或参与运算的数据；
运算模块，用于实现上述方法的运算过程。
还包括，
输入输出组件，用于讲所述的参与运算的数据输入和结果的输出；
通讯模块，用于从远端接收所述的运算的数据和/或将结果传到远端。
一种存储介质，用以储存一计算机程序，该计算机程序包括多个程序代码，其用以加载至一电子装置，使得该电子装置执行本实施例前述的方法。
由于方法的代码化，代码的封装及硬件的组合采用的本领域普通常规选择和实现方式，本领域普通技术人员所熟知，因此不再赘述。
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。
首先，利用上述的潮前水深、涌潮高度、潮前流速，由式(1)、(2)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，代入式(5)，计算其相对位置Z'1＝0.77。由于Z'1>0.6，则将V1和Z'1代入式(7)计算得到垂向最大流速Vmax＝4.18m/s。
最后，由式(8)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。
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 (4)

1.涌潮流速垂向分布的计算方法，适用于一电子装置，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：获取相关数据
通过现场观测或试验测量的方法，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，公式如下：
Figure FDA0002976664850000011
Figure FDA0002976664850000012
式(1)和式(2)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、计算得到涌潮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：涌潮类型为波状涌潮的流速垂向分布，具体方法如下：
a、根据已知的离河底距离为Z1处的涌潮流速V1计算垂向最大流速Vmax，采用的是式(3)，
Figure FDA0002976664850000013
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处的涌潮流速V，采用的是式(4)，
Figure FDA0002976664850000014
式(4)中，Z≤h+H，
步骤四：涌潮类型为漩滚涌潮的流速垂向分布，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，
Figure FDA0002976664850000021
b、根据计算得到相对位置Z'1及涌潮流速V1，计算垂向最大流速Vmax，若Z'1≤0.6，则采用的是式(6)，若Z'1>0.6，则采用式(7)，
Figure FDA0002976664850000022
Figure FDA0002976664850000023
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处的涌潮流速V，采用的是式(8)，
Figure FDA0002976664850000024
式(8)中，Z≤h+H。
2.涌潮流速垂向分布的计算组件，其特征在于：包括，
存储模块，用于存储实现如权利要求1所述的方法的程序和/或参与运算的数据；
运算模块，用于实现如权利要求1所述的方法的运算过程。
3.如权利要求2所述的涌潮流速垂向分布的计算组件，其特征在于：还包括，
输入输出组件，用于将所述的参与运算的数据输入和结果的输出；
通讯模块，用于从远端接收所述的运算的数据和/或将结果传到远端。
4.一种存储介质，用以储存一计算机程序，其特征在于：所述的计算机程序包括多个程序代码，其用以加载至一电子装置，使得该电子装置执行如权利要求1所述的方法。
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