CN114792075A - 一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法 - Google Patents

一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，包括如下步骤：S10提出基于线性波理论的波流共同作用下流场计算方法；S20构建波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型；S30建立波流共同作用下的淹没柔性植被消浪模型。本发明提供的波流共同作用下的柔性植被动力与消浪数值模拟方法，考虑波浪和水流的相互作用，对XBeach模型进行改进和开发，拓宽XBeach模型应用范围，提高了柔性植被受力运动模拟与波浪传播衰减的准确性，为研究柔性植被消浪奠定基础。

Description

一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法
技术领域
本发明涉及一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，属于海岸生态防护技术领域。
背景技术
随着海洋强国战略的提出，海洋在经济社会发展中的地位和作用更加重要。但是，海洋灾害对海岸岸滩、海洋工程以及人民的生命财产安全都造成了十分严重的破坏。海岸植被作为抵御海岸侵蚀和海洋灾害的一种具有成本效益的替代方案，其消浪能力及护岸作用对海岸防灾减灾具有重要意义，海岸植被消浪的数值模拟研究具有重要的研究价值。
我国江苏沿海及海岸带等近岸水域种植的盐沼植被以芦苇、碱蓬、互花米草和海三棱麃草等柔性植被为主。柔性植被的晃动特性使其阻力系数、消浪能力与机理较刚性植被更为复杂。因此，现有基于刚性假设的植被消浪模型并不适用于柔性植被消浪研究，需要在充分认识柔性植被动力特征的基础上研究柔性植被消浪规律。
在近岸区域，通常情况下波浪与水流是共同存在的，海岸波浪在传播过程中总是伴有水流流动。因波流相互作用而发生变化的流场可显著改变作用在柔性植被上的驱动力，动力发生变化的柔性植被进而会引起不同程度的波浪衰减，从而显著地影响波浪力。因此，当波浪与水流共同存在时，海岸植被的动力特征和消浪规律较单独波浪的情况有明显区别，为更准确的认识并掌握天然海岸波流联合作用下的柔性植被消浪机制，研究植被波浪衰减规律时有必要考虑水流对植被消浪的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，考虑波浪和水流的相互作用，对XBeach模型进行改进和开发，拓宽XBeach模型应用范围，提高了柔性植被受力运动模拟与波浪传播衰减的准确性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，包括如下步骤：
步骤1，基于线性波与恒定流理论，计算波流共同作用下的流场；
步骤2，基于线性波与恒定流共同作用的流场计算结果，结合淹没柔性植被动力数值模型，构建波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型，并计算得到柔性植被作用力；
步骤3，基于开源XBeach相位解析模型，用波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型计算得到的柔性植被作用力替换XBeach相位解析模型中的刚性植被作用力，构建波流共同作用下淹没柔性植被消浪模型。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤1的具体过程如下：
波流共同作用下的流场采用线性波流场线性叠加恒定流流场得到，具体计算公式如下：
Figure BDA0003623404600000021
Figure BDA0003623404600000022
式中，U和V分别为波流共同作用下的流场的水平速度和垂直速度，Uc为恒定流流速，ω为圆频率，ω＝2π/T，T为波周期，aw为振幅，k为波数，h为水深，z为质点垂直位置，t为时间，sinh为双曲正弦函数，cosh为双曲余弦函数。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2中，波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型在x轴和z轴方向的控制方程分别如下：
Figure BDA0003623404600000023
Figure BDA0003623404600000024
式中，θ为植被局部弯曲角，s为植被与坐标原点沿植被轴线方向距离，
Figure BDA0003623404600000031
为植被水平加速度，
Figure BDA0003623404600000032
为植被垂直加速度，E为植被弹性模量，I为惯性矩，ρv为植被材料密度，V1为单位长度植被的排水体积，FT为垂直于横截面的拉力，fB为净浮力，fD为拖曳力，fF为摩擦力，fIx为水平惯性力，fIz为垂直惯性力；
数值求解出单根柔性植被随时间变化的作用力：
Figure BDA0003623404600000033
Figure BDA0003623404600000034
式中，
Figure BDA0003623404600000035
和
Figure BDA0003623404600000036
分别为单根柔性植被在k时刻所受到的水平和垂直方向的总作用力，i为空间序号，k为时间序号，M为空间离散网格数；
采用步骤1的流场计算方法设置模型边界条件，基于物理模型实验数据对所建动力模型的计算结果进行验证。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤3中，XBeach相位解析模型为：
Figure BDA0003623404600000037
Figure BDA0003623404600000038
式中，x和t分别为水平和时间坐标，η表示水位，u为水深平均流速，h为水深，νh表示涡粘系数，
Figure BDA0003623404600000039
为水深平均压力，τbx为水底摩擦力，Fv表示x方向植被作用力，g为重力加速度，t为时间，ρ为水密度；
通过植被分布密度Nv来体现群体效应，柔性植被在k时刻所受到的总作用力为单根柔性植被在k时刻所受到的总作用力与植被分布密度Nv的乘积，即用步骤2波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型计算得到的植被作用力Fvx与植被分布密度Nv的乘积替换XBeach相位解析模型中的刚性植被作用力，实现波流共同作用下淹没柔性植被消浪模型。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明的波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，拓宽了现有淹没柔性植被动力与消浪模型计算范围，改进了现有XBeach植被消浪模块，构建了波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模型，实现了波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪数值模拟。
2、本发明揭示了波流共同作用下的海岸淹没柔性植被水域中的波浪衰减机制，提高了对海岸柔性植被消浪的认识，并可为生态植被护岸的工程实践提供科学依据。
附图说明
图1是本发明的波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例的实测图像与数值模拟的单根柔性植被运动比较图，水流流速从左至右增加(0、2、4、6、8、10cm/s)；
图3是本发明实施例的在叶尖最大水平位移(ZT(XT,max))与柯西数(Ca)下，标准化叶尖偏转度(ZT/l)的模型数据比较图；
图4是本发明实施例的纯波和波浪与同向流共同作用下海滨碱茅中波浪传播衰减模型验证结果图；其中，(a)为方案1纯波条件下验证结果，(b)为方案1波流共同作用下验证结果，(c)为方案2纯波条件下验证结果，(d)为方案2波流共同作用下验证结果；
图5是本发明实施例的纯波和波浪与同向流共同作用下大米草中波浪传播衰减模型验证结果图；其中，(a)为方案1纯波条件下验证结果，(b)为方案1波流共同作用下验证结果，(c)为方案2纯波条件下验证结果，(d)为方案2波流共同作用下验证结果；
图6是本发明实施例的不同波流条件下单根柔性植被的运动和水平受力图，水流流速从上至下增加(0、2、4、6、8、10cm/s)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例
为了拓宽现有淹没柔性植被动力与消浪模型的适用范围，本发明实施例公开了一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，提出基于线性波理论的波流共同作用下流场计算方法，改进XBeach模型，建立波流共同作用下的淹没柔性植被动力和消浪模型，从而实现对波流作用下的淹没柔性植被动力与消浪数值模拟。
本实施例的波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪数值模拟方法，如图1所示，包括如下步骤：
S10、提出基于线性波理论的波流共同作用下流场计算方法，具体如下：
基于线性波与恒定流理论，计算波流共同作用下的流场。共同作用下的流场采用线性波流场线性叠加恒定流流场，具体计算公式如下：
Figure BDA0003623404600000051
Figure BDA0003623404600000052
式中U和V分别为波流共同作用下的流场的水平速度和垂直速度，Uc为恒定流流速，ω为圆频率，ω＝2π/T，T为波周期，aw为振幅，k为波数，h为水深，z为质点垂直位置，t为时间，sinh为双曲正弦函数，cosh为双曲余弦函数。
S20、构建波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型，具体如下：
基于线性波与恒定流共同作用的流场计算结果，结合已有淹没柔性植被动力数值模型，构建波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型。
其中模型在x轴和z轴方向的控制方程为：
Figure BDA0003623404600000053
Figure BDA0003623404600000054
其中，θ为植被局部弯曲角，s为植被与坐标原点沿植被轴线方向距离，
Figure BDA0003623404600000055
为植被水平加速度，
Figure BDA0003623404600000061
为植被垂直加速度，E为植被弹性模量，I为惯性矩，ρv为植被材料密度，V1为单位长度植被的排水体积，FT为垂直于横截面的拉力，fB为净浮力，fD为拖曳力，fF为摩擦力，fIx为水平惯性力，fIz为垂直惯性力。
数值求解出单根柔性植被随时间变化的作用力：
Figure BDA0003623404600000062
Figure BDA0003623404600000063
其中，
Figure BDA0003623404600000064
和
Figure BDA0003623404600000065
分别为柔性植被在k时刻所受到的水平和垂直方向的总作用力，i为空间序号，k为时间序号，M为空间离散网格数，θ为植被局部弯曲角，fB为净浮力，fD为拖曳力，fF为摩擦力，fIx为水平惯性力，fIz为垂直惯性力。
采用步骤S10的流场计算方法设置模型边界条件，基于物理模型实验数据对所建动力模型的计算结果进行验证。
进一步地，本实施例对单根淹没柔性植被动力模型的可靠性和准确性进行验证。收集单根淹没柔性植被受力运动图像，结合步骤S20建立波流共同作用下淹没柔性植被动力模型。本实施例中，在波浪条件(T＝2s，Uw＝7.8cm/s)保持不变的情况下，水流流速以2cm/s的增量从0cm/s增加到10cm/s(图中从左到右)。图2为本发明示例单根柔性植被在一个波浪周期内的运动实测图像和模拟运动结果对比图。比较结果表明数值模型模拟的单根淹没柔性植被叶片摇摆运动与实际的运动大致相同。
为进一步评估所建波流共同作用下淹没柔性植被动力模型复演植被动力特性的能力，本实例收集整理了单根柔性植被物模实验数据，选取6种不同波流工况，表1和表2分别列出了植被特性和流场条件。
表1单根柔性植被物理模型实验中的植被特性
Figure BDA0003623404600000066
Figure BDA0003623404600000071
表2单根柔性植被物理模型实验中的流场条件
流场条件 周期(s) 波速(cm/s) 流速(cm/s)
方案1 5.19 25.80 12.10
方案2 4.29 17.30 13.20
方案3 2.80 9.45 12.90
方案4 5.19 24.40 6.00
方案5 4.29 15.90 5.63
方案6 2.80 9.64 4.77
基于波流共同作用下淹没柔性植被动力模型，建立相应的模型，确定边界条件以及参数设置，通过计算并比较各工况下柯西数(Ca)的大小，分析模型计算结果的准确性和可信度。柯西数(Ca)的计算公式如下：
Figure BDA0003623404600000072
图3显示了在叶尖最大水平位移(ZT(XT,max))与柯西数(Ca)下，标准化叶尖偏转度(ZT/l)的模型计算结果与实验数据吻合良好，表明该模型能较好地模拟波流共同作用下淹没单根柔性植被的运动，可进一步应用于淹没柔性植被消浪数值模拟研究。
S30、建立波流共同作用下的淹没柔性植被消浪模型，具体如下：
基于开源XBeach模型，将波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型计算的植被作用力项添加进XBeach相位解析模型中，替换原有XBeach模型中的刚性植被作用模块(vegetation.F90)，构建波流共同作用下淹没柔性植被消浪模型，基于物理模型实验数据对所建消浪模型的计算结果进行验证。
XBeach模型相位解析控制模型为：
Figure BDA0003623404600000073
Figure BDA0003623404600000074
其中，x和t分别为水平和时间坐标，η表示水位，u为水深平均流速，h为水深，νh表示涡粘系数，
Figure BDA0003623404600000081
为水深平均压力，τbx为水底摩擦力，Fv表示x方向植被作用力，g为重力加速度。现有XBeach模型中假定植被均为刚性，所采用的植被作用力计算公式为：
Figure BDA0003623404600000082
其中，ρ为水密度，CD为拖曳力系数，bv为单位长度植被垂直于流体流动方向的投影面积，Nv为植被分布密度，u为水深平均流速。
通过植被分布密度Nv来体现群体效应，柔性植被在k时刻所受到的总作用力为单根柔性植被在k时刻所受到的总作用力与植被分布密度Nv的乘积，即用步骤S20波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型计算得出的植被作用力Fvx与植被分布密度Nv的乘积替换XBeach相位解析模型中的刚性植被作用力，实现波流共同作用下淹没柔性植被消浪模型。
进一步地，本实施例对波流共同作用下的淹没柔性植被消浪模型的可靠性和准确性进行验证。收集整理淹没柔性植被消浪物模实验数据，表3列出了两种柔性植被的植被特性，表4列出了耦合模型的验证工况。基于波流共同作用下淹没柔性植被消浪模型，建立相应的模型网格和边界条件，调试确定模型网格尺寸、计算时间步长以及阻力系数等关键参数。
表3两种群体柔性植被的植被特性
Figure BDA0003623404600000083
表4耦合模型验证工况
工况 波高(m) 波周期(s) 水深(m) 流速(m/s)
方案1 0.20 1.2 0.4 0.3
方案2 0.20 1.7 0.6 0.3
图4中的(a)、(b)、(c)和(d)以及图5中的(a)、(b)、(c)和(d)分别为纯波和波浪与同向流共同作用下的海滨碱茅和大米草中波浪传播衰减模型验证结果，其中，(a)为方案1纯波条件下验证结果，(b)为方案1波流共同作用下验证结果，(c)为方案2纯波条件下验证结果，(d)为方案2波流共同作用下验证结果。结果表明波流共同作用下的柔性植被消浪模型可以较好地模拟不同流场条件下波浪在真实柔性植被水域中的传播过程，验证了模型的可靠性。
在单根验证模型基础上，保持入射波况不变，水流流速以恒定增量增加，增加波流边界条件工况，模拟分析恒定流流速变化对波流共同作用下淹没柔性植被受力与运动过程的影响规律。
不同水流流速对波流共同作用下的柔性植被动力模型结果可产生显著影响。本实施例中，在波浪条件(T＝2s，Uw＝7.8cm/s)保持不变的情况下，水流流速以2cm/s的增量从0cm/s增加到10cm/s(图中从左到右)。图6给出了随着水流流速的增加，柔性植被受力运动与水平受力的变化情况。模型计算结果较好地再现了波流共同作用下一个周期内单根柔性植被的受力过程。比较分析可知，随着水流流速的增加，单根柔性植被水平方向上受到的力也随之增加。
本实施例的波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，拓宽柔性植被消浪数值模型的适用范围，有助于发挥数值模拟在植被消浪研究中的优势，使现有数值模型更具实用性。同时提高对海岸柔性植被消浪的认识，有助于海岸防灾减灾新的理念和工程措施的发展，可为生态植被护岸的工程实践提供科学依据。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，基于线性波与恒定流理论，计算波流共同作用下的流场；
步骤2，基于线性波与恒定流共同作用的流场计算结果，结合淹没柔性植被动力数值模型，构建波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型，并计算得到柔性植被作用力；
步骤3，基于开源XBeach相位解析模型，用波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型计算得到的柔性植被作用力替换XBeach相位解析模型中的刚性植被作用力，构建波流共同作用下淹没柔性植被消浪模型。
2.根据权利要求1所述的波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：
波流共同作用下的流场采用线性波流场线性叠加恒定流流场得到，具体计算公式如下：
Figure FDA0003623404590000011
Figure FDA0003623404590000012
式中，U和V分别为波流共同作用下的流场的水平速度和垂直速度，Uc为恒定流流速，ω为圆频率，ω＝2π/T，T为波周期，aw为振幅，k为波数，h为水深，z为质点垂直位置，t为时间，sinh为双曲正弦函数，cosh为双曲余弦函数。
3.根据权利要求1所述的波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型在x轴和z轴方向的控制方程分别如下：
Figure FDA0003623404590000013
Figure FDA0003623404590000014
式中，θ为植被局部弯曲角，s为植被与坐标原点沿植被轴线方向距离，
Figure FDA0003623404590000015
为植被水平加速度，
Figure FDA0003623404590000021
为植被垂直加速度，E为植被弹性模量，I为惯性矩，ρv为植被材料密度，V1为单位长度植被的排水体积，FT为垂直于横截面的拉力，fB为净浮力，fD为拖曳力，fF为摩擦力，fIx为水平惯性力，fIz为垂直惯性力；
数值求解出单根柔性植被随时间变化的作用力：
Figure FDA0003623404590000022
Figure FDA0003623404590000023
式中，
Figure FDA0003623404590000024
和
Figure FDA0003623404590000025
分别为单根柔性植被在k时刻所受到的水平和垂直方向的总作用力，i为空间序号，k为时间序号，M为空间离散网格数；
采用步骤1的流场计算方法设置模型边界条件，基于物理模型实验数据对所建动力模型的计算结果进行验证。
4.根据权利要求3所述的波流共同作用下的淹没柔性植被动力与消浪模拟方法，其特征在于，所述步骤3中，XBeach相位解析模型为：
Figure FDA0003623404590000026
Figure FDA0003623404590000027
式中，x和t分别为水平和时间坐标，η表示水位，u为水深平均流速，h为水深，νh表示涡粘系数，
Figure FDA0003623404590000028
为水深平均压力，τbx为水底摩擦力，Fv表示x方向植被作用力，g为重力加速度，t为时间，ρ为水密度；
通过植被分布密度Nv来体现群体效应，柔性植被在k时刻所受到的总作用力为单根柔性植被在k时刻所受到的总作用力与植被分布密度Nv的乘积，即用步骤2波流共同作用下的淹没柔性植被动力模型计算得到的植被作用力Fvx与植被分布密度Nv的乘积替换XBeach相位解析模型中的刚性植被作用力，实现波流共同作用下淹没柔性植被消浪模型。
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CN117077542A (zh) * 2023-10-12 2023-11-17 河海大学 基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法
CN117077542B (zh) * 2023-10-12 2024-01-26 河海大学 基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法

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