CN114878310A - 一种直接测量不同海床糙率单元影响下的床面剪切应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海底结构局部冲刷防护措施稳定性、波流边界层特性、泥沙输运等研究领域，提出了一种直接测量不同海床糙率单元影响下的床面剪切应力的方法。该方法能够直接测量底床水平力，准确获得计算床面剪应力。本发明不需要测量边界层的流动结构；同时也无需考虑不同糙率单元形状对理论底床零点z₀的随机影响作用；适用于光滑床面、粗糙床面等不同的床面形态。而且本发明不需要确定理论底床零点位置以及流速分布的对数律区间，因此不受相关经验预报公式带来的不确定性影响，极大的提高实验结果的可靠性。

Description

一种直接测量不同海床糙率单元影响下的床面剪切应力的 方法

技术领域

本发明属于海底结构局部冲刷防护措施稳定性、波流边界层特性、泥沙输运等研究领域，涉及一种直接测量不同海床糙率单元影响下的床面剪切应力的方法。

背景技术

随海洋资源开发利用工程的不断发展，各种形式的水下结构形式也不断涌现。如油气资源开发领域的输油管道、通信控制线缆、水下生产系统以及可再生能源利用领域的海上风电基础等。这些水下结构物通常直接放置到海床上，在流体的作用下，由于结构物的阻碍作用，使得结构周围海床的剪切应力τ发生放大效应，诱发结构基础发生严重的局部冲刷以及后续的在位失稳破坏，导致巨大的经济损失和严重的海洋环境污染灾难。为了抑制水下结构的局部冲刷，通常需要引入一定的冲刷防护措施，如沙被、抛石、仿生水草、扩大基础等。这些防护措施本身也存在在位失稳的问题。当流体流经这些防护措施时，防护措施会对流体运动产生一定的阻碍作用，在力学上表现为流体对冲刷防护措施的剪切作用。当冲刷防护措施经受的剪切力大于防护措施与海床的摩擦力时，会导致冲刷防护措施的失稳，这也是一些冲刷防护措施失效的重要原因。另一方面，冲刷防护措施的引入会改变原始海床面的形态特征以及边界层流动特性，从而进一步改变剪切引力在时间和空间上的宏观分布特性。因此，有关剪切应力的评估，不仅可以为冲刷防护措施的在位稳定性设计、安全评估提供重要的科学依据，同时也会对边界层理论的丰富起到积极的推动作用。需要说明的是，冲刷防护措施的引入会形成新的海床面，在后续的论述中，除非特殊说明，由冲刷防护措施形成的新的海床面统一简称为床面或者海床面。

目前，有关床面剪应力的分析通常采用间接方法：该方法需要测量边界层内的水平流速的剖面的时空分布，然后根据不同的分析理论计算获得床面的剪切应力。分析床面剪切应力的间接方法主要有三种：对数律拟合、动量积分和雷诺应力法。

对于对数律拟合方法，振荡流边界层内流体的水平速度满足如下动量方程：

上式中，在近底的边界层内，

项与其他项相比为小量，因此该流动可以认为近底处的流动与时间无关，因此边界层水平流速的空间分布规律遵循由τ(t)/ρ和k_s控制的对数规律，如公式(2)所示。

根据公式(2)，通过最小二乘法，分析得到床面摩阻流速U_f，再通过公式(3)计算得到床面剪应力τ。

其中，u(z)表示高度z处流体的水平速度；U_f表示摩阻流速；k_s表示Nikuradse等效粗糙高度；κ表示卡门常系数，通常取κ＝0.4；z₀表示理论底床零点；ρ表示水体的密度。

动量积分法获得底床剪切力主要通过对边界层的流动方程，如公式(4)所示，左右两边同时积分得到任意高度z处剪应力，相关的形式如公式(5)所示。

其中，U_∞为边界层外的最大流速。

雷诺应力法通过对公式(6)所示相关物理量的计算分析得到剪切应力。在高度湍流的情况下，雷诺应力是动量在边界层向上传递的主要机制，考虑剪切应力控制雷诺平均。

其中，u'表示水平方向流速的脉动值，w'表示垂直方向流速的脉动值。雷诺应力的物理含义为流体速度u和w湍流脉动的相关性，海床的糙率单元会加剧湍流的脉动。相关的研究表明：上述三种间接测量方法分析得到的床面剪切应力有所差异，其宏观的规律通常为：对数律拟合>动量积分>雷诺应力法。对于动量积分方法，由于忽略了底床糙率单元形状阻力的影响作用，导致该方法低估了床面剪应力；雷诺应力的方法需要获得雷诺应力项，需要通过开展PIV(Particle Image Velocimetry)实验获得边界层流动结构的详细信息。但是，受限于空间分辨率(空间分辨率通常大于1mm)，PIV测量湍流强度的能力相对有限，对更小尺度的湍流脉动量的测量精度较低。根据混合长度理论，涡的特征尺度随距离底床高度的增加而增大，边界层上部的涡少。由于靠近底部的湍流涡流的大小与底部粗糙度单元的物理尺度成正比，尤其是光滑平坦海床，湍流度相对较小，使得雷诺应力被严重低估，因此对于剪切应力分析的准确性也会降低；而对数律拟合方法需要确定理论底床零点高度z₀。由于糙率单元形状的多样性，目前有关理论底床零点的分析计算尚无统一的定量化分析方法，而主要借助经验性的预报方法。经验性的分析方法由于缺乏充分的理论支持，导致通过对数律拟合得到的床面剪切应力也存在一定的随机性和较大的误差。此外，上述三种方法的分析精度均强烈依赖于流速剖面的测量精度，但实验测量的精度较难精确控制，因此通过间接测量法获得的床面剪切力的可靠性需要开展进一步的验证。为克服上述缺点，本发明提出了一种新的直接测量底床水平力，进而获得准确的计算床面剪应力的方法。该方法的优势为：不需要测量边界层的流动结构；同时也无需考虑不同糙率单元形状对理论底床零点z₀的随机影响作用。因此，本发明方法的建立对海底结构物局部冲刷防护措施的稳定性设计具有重要的参考价值。

发明内容

随海洋资源利用工程的发展，水下结构物，如海底管道、油气资源开发的水下生产系统、海上风机基础等的建设日益增多，快速、准确的计算床面剪切力对这些水下结构的设计和稳定性评价具有重要的意义。针对已有的测量海床剪切应力方法存在的局限性和不确定性，本发明提出了一种直接测量床面剪切力的方法。该方法适用于光滑床面、粗糙床面等不同的床面形态。

本发明的技术方案：一种直接测量不同海床糙率单元影响下的床面剪切应力的方法，步骤如下：

步骤1、不同糙率单元3构成床面；处于测量段4的床面内安装有总力传感器7，床面的上表面通过内部的支撑板9支撑，总力传感器7上端与床面之间使用螺栓10进行刚性连接，下端利用不锈钢质薄片6和螺栓10进行固定，不锈钢质薄片6固定在床面内；

步骤2、通过输出电压，根据公式(7)进行受力计算：

步骤3、将步骤2计算获得的力进行分析处理；

对于均匀流条件，根据步骤2对不同时间下得到的力进行求平均值，获得水平力；

对于波浪条件，根据步骤2得到的水平力与床面面积相除，再通过相位平均法获得随时间变化的床面剪应力如下式：

式中，τ表示在波浪传播方向上的剪应力，N为波周期总数，T是波浪周期；

两种条件下，均获得床面最大剪应力τ_max；

式中，ρ表示水体的密度；U_∞为边界层外的最大流速，f_w为无量纲的底摩阻系数。

开展试验前，根据已有的经验公式对床面的剪切力获得估计值；估计值在总力传感器7量程的20％-80％之间；试验区域8床面的几何尺寸，保证测量分析得到的床面剪切应力τ换算成无量纲的底摩阻系数f_w的相关结果不依赖于床面的几何尺寸；冲刷过程中测量段4的变形保证总力传感器7测量的数值为底床所受的水平力。

本发明的有益效果：底面剪应力是进行水下结构物冲刷防护措施设计和稳定性评估的重要参数，准确的获得该参数具有重要的科学研究意义和工程应用价值。本发明所提出的方法，通过力传感器与底床直接连接分析得到不同底床形态下的床面剪切应力，并且可与间接法分析得到的床面剪切应力进行对比研究，对间接方法获得的海床剪切应力进行分析校正。

对于间接测量法来说，理论床面零点、边界层对数律区间的确定需要根据经验性的方法确定，这些经验性方法的理论依据不充分。理论底床零点取值以及对数律区间取值的不同，会导致间接测量方法分析得到的海床剪切应力存在较大的差异。而本发明所提出的方法，不需要确定理论底床零点位置以及流速分布的对数律区间，因此不受相关经验预报公式带来的不确定性影响，极大的提高实验结果的可靠性。

此外，本发明所提出的方法可应用于不同形态底床剪切应力的确定，测量结果规避床面形态的影响，应用范围广，且操作简单。

依据本实验所提出的方法，快速准确的得到床面最大剪切力τ_max，通过公式(9)可得到无量纲床面摩擦系数f_w。

附图说明

图1为本发明实施例提供的实验装置总体示意图。

图2为本发明实施例提供的试验段装置细节图。

图3(a)为本发明实施例提供的粗糙单元示意图。

图3(b)为本发明实施例提供的粗糙单元侧视图。

图4为本发明实施例提供的地形铺设俯视图。

图5为本发明实施例提供的床面剪应力变化分析结果。

图中：1-造波板；2-消波装置；3-糙率单元；4-测量段；5-实验地形；6-不锈钢质薄片；7-总力传感器；8-试验区域；9-支撑板；10-螺栓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更清楚，下面将结合本发明的实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行进一步描述。在此处附图中的描述和展示出的本发明实施例的组件可以根据具体的需求进行重新布置和设计，方法和原理都是一致的。

因此，对以下附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本实施例在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室溢油水槽进行，水槽长22m，宽0.8m，深0.8m。设计均匀流流速为0.4m/s～0.5m/s并且配有推板式造波系统。以造波周期T＝2.5s，水深H＝40cm为例，波高最大达到0.14m。本实施例采用直接测量方法测量不同糙率单元所组成的海床所受到的水平力，进而计算相对应的底床剪切应力。测量的基本参数是：

(1)使用声学多普勒测速仪(Acoustic Doppler Velocimetry，ADV)测量底床边界层内的速度场；

(2)使用总力传感器7获得测量段4海床总的剪切力；

(3)采用两个浪高仪采集波浪基本参数。

本实验所使用的实验装置如图1所示。系统的主要部分分为：水槽、造波板1、ADV流速仪、总力传感器7、浪高仪和消波装置2。下面将对地形铺设、仪器系统及其校验进行介绍

试验中，首先铺设一定的地形用来安装海床模型，相关的物理实验设置如图1所示。总力传感器7及其支撑结构安装在水槽底部，根据其高度在铺设地形时预留了深度为0.09m的沟槽。在距离出水口5.5m位置处设置0.8m×0.8m的试验段，为保证试验段流动的连续性和均匀性，在试验段前后方分别铺设了长为2.5m的过渡段，并且保证该过渡段地形的厚度、宽度与试验段一致。为保证入射波浪平缓过渡到实验地形5，在过渡段前后均设置了1:10的斜坡段。在造波过程中，为尽量避免测量区域的床面不发生肉眼可见的位移、旋转及变形，沿波浪的传播方向，床面长度不宜过大，通过反复试验验证，试验段中心处0.12m×0.12m的正方形区域作为测量段4获得良好的实验效果。测量段4与总力传感器7通过螺丝刚性连接。试验段的非测量区域底部采用有机玻璃板进行支撑，保证与测量段4高度相同，具体布置如图2所示。

实验中的测力传感器的原理为传感器与被测试段发生微小的相对运动，因此在力的测量段4与非测量段之间设置一定的缝隙；经反复试验验证，缝隙宽度设置为2mm得到良好的实验效果。设置的缝隙不能过大，防止板下产生较大的湍流，确保总力传感器7测量得到测量段4床面的水平力。缝隙使得水体渗透到测量段4的内部，并发生一定的波动，影响力的测试精度。实验中，采用硅胶填充缝隙，阻止水体进入到测量段4的内部；测量段4与试验段软连接，试验段受力不传递到测量段4。

本实施例采用的底床模型为三棱柱；三棱柱的侧棱长4cm，横截面为等腰三角形，具体的结构如图3所示。实验中，通过改变三棱柱的排列方式来模拟不同的底床形态。在测量段4中心处正上方布置ADV流速仪，ADV流速仪固定于一个带有滑轮的平台上，通过移动平台测量不同位置处的流速剖面；试验段前后1m处各布置了一个浪高仪用于波浪参数的测量。

实验中，总力传感器7长期处于水下，因此总力传感器7采用防水胶进行防水处理。防水措施导致传感器标定系数发生改变，所以在使用前重新对传感器灵敏度系数进行标定。实验中，传感器采样频率为50Hz，采样时长为80s；不同的波浪周期，根据奈奎斯采样定理得到采样的时间长度；总力传感器7输出值为电压，输出电压的精度为10^-4V，通过公式7将电压值转换为床面所受到的水平力。均匀流条件下，不同时间下得到的力进行求平均值，获得水平力；波浪条件下，将计算得到的水平力与床面面积相除，再通过相位平均法获得随时间变化的床面剪应力；根据两种条件下的床面最大剪应切力τ_max，得出无量纲床面摩擦系数f。

Claims (1)

1.一种直接测量不同海床糙率单元影响下的床面剪切应力的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、不同糙率单元(3)构成床面；处于测量段(4)的床面内安装有总力传感器(7)，床面的上表面通过内部的支撑板(9)支撑，总力传感器(7)上端与床面之间使用螺栓(10)进行刚性连接，下端利用不锈钢质薄片(6)和螺栓(10)进行固定，不锈钢质薄片(6)固定在床面内；

步骤2、通过输出电压，根据下式进行受力计算：

步骤3、将步骤2计算获得的力进行分析处理；

对于均匀流条件，根据步骤2对不同时间下得到的力进行求平均值，获得水平力；

对于波浪条件，根据步骤2得到的水平力与床面面积相除，再通过相位平均法获得随时间变化的床面剪应力如下式：

式中，τ表示在波浪传播方向上的剪应力，N为波周期总数，T是波浪周期；

两种条件下，均获得床面最大剪应力τ_max，得出无量纲床面摩擦系数f_w；

式中，ρ表示水体的密度；U_∞为边界层外的最大流速，f_w为无量纲的底摩阻系数。

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