一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法

专利名称：一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111220717.3

专利申请（专利权）人：交通运输部天津水运工程科学研究所
权利人地址：天津市滨海新区塘沽新港二号路2618号

专利发明（设计）人：金瑞佳,耿宝磊,张华庆,韩丽影,姜云鹏,沈文君,戈龙仔,张维,马隽,熊岩,陈汉宝

专利摘要：本发明提供了一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，应用SPH方法即光滑粒子流体动力学方法，使用SPH方法模拟不同比尺下开孔沉箱的水动力特性，通过对波面高度、波浪反射系数等物理信息的比较，对海岸工程物理模型实验比尺效应进行评估分析。本发明有益效果：本发明以开孔沉箱为例，使用SPH方法模拟不同比尺下开孔沉箱的水动力特性，通过对波面高度、波浪反射系数等物理信息的比较，揭示开孔沉箱的比尺效应。

主权利要求：
1.一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，其特征在于,包括以下步骤：S1、根据实际要求和主要作用力选取适当的相似准则；
S2、按照实验的要求并结合实验场地的大小和实验水动力参数确定模型和模型比尺；
S3、根据步骤S1中确定的相似准则选取不同的校验方法；
S4、选取用于评估海岸工程物理模型实验比尺效应的模型，使用步骤S3中选取的校验方法模拟步骤S2中的模型在不同模型比尺下的水动力特性；
S5、根据步骤S4中获取的不同模型比尺下的水动力特性参数，将采集到水动力特性参数与原型的水动力特性参数对比，对海岸工程物理模型实验比尺效应进行评估；
在步骤S4中，应用光滑粒子流体动力学方法模拟不同模型比尺下模型的水动力特性，通过对波面高度、波浪反射系数物理信息的比较，对海岸工程物理模型实验比尺效应进行评估分析，采用连续性方程和Navier‑Stokes方程进行校验：其中，下标“i”和“j”分别表示目标和相邻的粒子，ρ表示密度，ρi表示粒子i的密度，p表示压强，pi表示粒子i的压强，V表示粒子体积，u和r分别表示速度和位置向量，g为重力加速度，Wij＝W(ri‑rj,h)为核函数，其中h表示为光滑长度，h＝1.5dp，dp表示粒子的大小，α＝83
ν/(hc0)是人工黏性系数，其中v为流体运动粘度；ρ0＝1000kg/m 为参考密度，πij由下式定义：式(1)等号右侧的第二项提供了用于衰减固有密度噪声的人工扩散项，δ是取为0.1的
1/2
系数，c0是数值声速，c0＝10(gd) ，其中ψij的计算公式为：其中， 表示重整化的密度梯度，被定义为：
其中Li的计算公式为：
表示张量积；
由于式(1)和式(2)组成的流体控制方程是不闭合的，引入流体的状态方程：式中，γ是与流体压缩性质有关的系数；通过流体的状态方程建立了流体密度和压强之间关系，表明SPH数值模型中流体压强变化的本质，即流体密度的变化；
在步骤S4中，采用开孔沉箱作为评估海岸工程物理模型实验比尺效应的模型，同时采用开孔沉箱纵向断面代表开口沉箱模型，孔型为横条孔，沉箱外取3个浪高仪，在三种不同开孔率下进行三个周期的比尺效应的数值计算。
2.根据权利要求1所述的一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，其特征在于：在步骤S1中，相似准则通过对模型与原型在流场中的流体微团应用牛顿第二定律，再按照动力相似方法得出；
相似准则包括主要作用力为重力的弗劳德相似准则、主要作用力为粘滞力的雷诺相似准则、主要作用力为弹性力的柯西相似准则。
3.根据权利要求1所述的一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，其特征在于：在步骤S3中，校验方法包括SPH方法，SPH方法即光滑粒子流体动力学方法。
4.根据权利要求1所述的一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，其特征在于：对三个开孔率的不同比尺的模型进行数值计算，通过对比波面高度变化、反射系数变化来分析开孔沉箱模型实验的比尺效应。
5.根据权利要求4所述的一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，其特征在于：沉箱外3个浪高仪距离造波板的距离分别为X1L、X2L、X3L。 说明书 : 一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法技术领域[0001] 本发明属于海岸工程领域，尤其是涉及一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法。背景技术[0002] 物理模型实验是开展海岸工程研究的重要手段之一，具有实验过程直观、实验条件可控等优点，进行模型实验面临的首要问题是比尺的选择，由于比尺不同导致实验结果产生的差异称为比尺效应，又称缩尺效应。比尺效应产生的原因是为使模型反映原型实际情况，进而将模型实验结果应用于原型，模型、原型应保证流动相似，即在流动空间的各对应点和各对应时刻，表征流动过程的所有物理量各自互成一定的比例。这些物理量按其性质主要有四类，分别是表征流场几何形状的物理量，表征流体微团运动状态的物理量，表征流体微团动力性质的物理量和表征流场初始、边界条件的物理量，这些物理量的相似即为几何相似，运动相似，动力相似和初始、边界条件相似。任何系统的机械运动都必须服从牛顿第二定律，牛顿第二定律所表述的是形式最简单、最基本的运动微分方程，对模型与原型流场中的流体微团应用牛顿第二定律，再按照动力相似，使各种力大小的比例相等，进而推导出不同的相似准则，如主要作用力为重力的弗劳德相似准则、主要作用力为粘滞力的雷诺相似准则和主要作用力为弹性力的柯西相似准则等。理论上模型实验应同时满足所有相似准则，即要求模型、原型的弗劳德数、雷诺数、韦伯数和柯西数等一一对应相等，但是在实际工程中，以重力为主要作用力的流动现象最为广泛，如闸孔出流、闸坝泄流、波浪传播、潮汐、定床河工模型等，因为流体介质是水，且水的比重较大并且具有自由表面，重力的影响不可忽略，所以在缩尺模型实验中普遍使用以重力为主要作用力的弗劳德相似准则。相似准则确定后，模型比尺的确定再按照相关实验规程要求，综合实验场地的大小和实验水动力参数等条件选取。而实验中流体的变形、破碎会受液体表面张力的影响，流体的爬升、摩擦和流体的粘性力相关，结构的变形破坏则受弹性力的影响，因此重力相似准则下不同的比尺对流体和结构的不同物理量都会产生影响，所以近些年关于海岸工程建筑物的比尺效应越来越受到关注。发明内容[0003] 有鉴于此，本发明旨在提出一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，以解决上述问题中的不足之处。[0004] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：[0005] 一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法，应用SPH方法即光滑粒子流体动力学方法，使用SPH方法模拟不同比尺下开孔沉箱的水动力特性，通过对波面高度、波浪反射系数等物理信息的比较，对海岸工程物理模型实验比尺效应进行评估分析，其特征在于：在弱可压缩的SPH中的连续性方程和Navier‑Stokes方程为：[0006][0007][0008] 其中，下标“i”和“j”分别表示目标和相邻的粒子，ρ表示密度，p表示压强，V表示粒子体积，u和r分别表示速度和位置向量，g为重力加速度，Wij＝W(ri‑rj,h)为核函数，其中h表示为光滑长度，h＝1.5dp，dp表示粒子的大小，α＝8ν/(hc0)是人工黏性系数，其中υ为流3体运动粘度；ρ0＝1000kg/m为参考密度，πij由下式定义[0009][0010] 式(1)的右侧第二项提供了用于衰减固有密度噪声的人工扩散项，δ是取为0.1的1/2系数，c0是数值声速，c0＝10(gd) ，其中ψij的计算公式为：[0011][0012] 其中， 表示重整化的密度梯度，被定义为：[0013][0014] 其中Li的计算公式为：[0015][0016] 表示张量积；[0017] 由式(1)和式(2)组成的流体控制方程是不闭合的，为了解决这个问题，引入流体的状态方程：[0018][0019] 式中，γ是与流体压缩性质有关的系数，液相问题中一般取为7；通过流体的状态方程建立了流体密度和压强之间关系，表明SPH数值模型中流体压强变化的本质，即流体密度的变化。[0020] 进一步的，采用开孔沉箱纵向断面代表开口沉箱模型，孔型为横条孔，箱外取3个浪高仪，在三种不同开孔率下进行三个周期的比尺效应的数值计算；[0021] 实际工程环境下波浪和结构物的“原型”尺寸远大于使用的“模型”尺寸，在本此对比尺效应问题的研究中，为了便于对比和说明，将最大尺寸的模型简称为1:1模型，较小的称为1:3模型，最小的称为1:6模型。[0022] 进一步的，对三个开孔率的不同比尺的模型进行数值计算，通过对比波面高度变化、反射系数变化来分析开孔沉箱模型实验的比尺效应；[0023] 开孔沉箱与传统直立沉箱相比，波浪可以通过开孔进入舱室，不同比尺下开孔宽度差别较大，当流体经过时，开孔对其粘性有较大影响，从而影响沉箱外波面高度变化和反射系数；[0024] 沉箱外3个浪高仪距离造波板的距离分别为1.1L、1.2L和1.3L。[0025] 相对于现有技术，本发明所述的一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法具有以下有益效果：[0026] 本发明所述的一种评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法以开孔沉箱为例，使用SPH方法模拟不同比尺下开孔沉箱的水动力特性，通过对波面高度、波浪反射系数等物理信息的比较，揭示开孔沉箱的比尺效应。附图说明[0027] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：[0028] 图1为本发明实施例所述的开孔沉箱计算示意图；[0029] 图2为本发明实施例所述的3个浪高仪的波高高度变化时间历时曲线示意图；[0030] 图2(a)为1号浪高仪的波高高度变化时间历时曲线；[0031] 图2(b)为2号浪高仪的波高高度变化时间历时曲线；[0032] 图2(c)为3号浪高仪的波高高度变化时间历时曲线；[0033] 图3为本发明实施例所述的不同开孔率、不同波高、波浪周期T＝1.2s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数示意图；[0034] 图3(a)为开孔率20％时不同波高、波浪周期T＝1.2s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0035] 图3(b)为开孔率25％时不同波高、波浪周期T＝1.2s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0036] 图3(c)为开孔率30％时不同波高、波浪周期T＝1.2s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；图4为本发明实施例所述的不同开孔率、不同波高、波浪周期T＝1.1s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数示意图；[0037] 图4(a)为开孔率20％时不同波高、波浪周期T＝1.1s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0038] 图4(b)为开孔率25％时不同波高、波浪周期T＝1.1s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0039] 图4(c)为开孔率30％时不同波高、波浪周期T＝1.1s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0040] 图5为本发明实施例所述的不同开孔率、不同波高、波浪周期T＝1.0s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数示意图；[0041] 图5(a)为开孔率20％时不同波高、波浪周期T＝1.0s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0042] 图5(b)为开孔率25％时不同波高、波浪周期T＝1.0s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0043] 图5(c)为开孔率30％时不同波高、波浪周期T＝1.0s(模型比尺1：6)开孔沉箱反射系数；[0044] 图6为本发明实施例所述的开孔沉箱三种比尺下工况的参数设置表格。具体实施方式[0045] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0046] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。[0047] SPH方法即光滑粒子流体动力学方法，在模拟强非线性粘性流体运动问题上优势显著。本发明以开孔沉箱为例，使用SPH方法模拟不同比尺下开孔沉箱的水动力特性，通过对波面高度、波浪反射系数等物理信息的比较，揭示开孔沉箱的比尺效应。[0048] 流体运动方程由连续性方程和Navier‑Stokes方程控制，假设流体是弱可压缩的流体，密度变化很小，可以在参考密度附近线性化状态方程，得到密度与压强的关系。并且出于稳定性的考虑，在动量方程中加入了人工粘性项。根据上述假设，在弱可压缩的SPH中的连续性方程和Navier‑Stokes方程为：[0049][0050][0051] 其中，下标“i”和“j”分别表示目标和相邻的粒子，ρ表示密度，p表示压强，V表示粒子体积，u和r分别表示速度和位置向量，g为重力加速度，Wij＝W(ri‑rj,h)为核函数，其中h表示为光滑长度，h＝1.5dp，dp表示粒子的大小，α＝8ν/(hc0)是人工黏性系数，其中υ为流3体运动粘度。ρ0＝1000kg/m为参考密度，πij由下式定义[0052][0053] 式(1)的右侧第二项提供了用于衰减固有密度噪声的人工扩散项，δ是取为0.1的1/2系数，c0是数值声速，c0＝10(gd) ，其中ψij的计算公式为：[0054][0055] 其中， 表示重整化的密度梯度，被定义为：[0056][0057] 其中Li的计算公式为：[0058][0059] 表示张量积；[0060] 由式(1)和式(2)组成的流体控制方程是不闭合的，为了解决这个问题，引入流体的状态方程：[0061][0062] 式中，γ是与流体压缩性质有关的系数，液相问题中一般取为7。通过流体的状态方程建立了流体密度和压强之间关系，表明SPH数值模型中流体压强变化的本质，即流体密度的变化。[0063] 开孔沉箱算例的计算域示意图如图1所示，图1中舱室宽度为B，水深为h，波长为L，B/3表示舱室宽度的1/3，采用开孔沉箱纵向断面代表开口沉箱模型，孔型为横条孔，箱外取3个浪高仪。在三种不同开孔率下进行三个周期的比尺效应的数值计算，具体参数设置如图6所示。实际工程环境下波浪和结构物的“原型”尺寸远大于使用的“模型”尺寸，在对比尺效应问题的研究中，为了便于对比和说明，将最大尺寸的模型简称为1:1模型，较小的称为1:3模型，最小的称为1:6模型。[0064] 对三个开孔率的不同比尺的模型进行数值计算，通过对比波面高度变化、反射系数变化来分析开孔沉箱模型实验的比尺效应。[0065] 开孔沉箱与传统直立沉箱相比，波浪可以通过开孔进入舱室，不同比尺下开孔宽度差别较大，当流体经过时，开孔对其粘性有较大影响，从而影响沉箱外波面高度变化和反射系数。沉箱外3个浪高仪距离造波板的距离分别为1.1L、1.2L和1.3L，图2为不同位置的浪高仪记录的波面时间历程曲线。[0066] 通过图2可以看出三个浪高仪的波面高度变化均呈现模型比尺1:1情况下波面高度变化最大，1:6时波面高度变化最小，有比较明显的比尺效应出现，原因是在小比尺模型开孔处水质点经过时消耗能量更多，使得小比尺的波面变化高度减小，出现粘性力的比尺效应。[0067] 反射系数也是开孔沉箱消浪效果的一个重要参数。通过不同比尺反射系数的对比，可以分析不同模型比尺下开孔沉箱反射波高，探究模型比尺对开孔沉箱是消浪效果的影响，图3到图5分别为各个开孔率下反射系数随波陡kA的变化规律。[0068] 通过图3、4和5可以发现，在三种开孔率下，大比尺的反射系数均大于小比尺的反射系数，同样因为小比尺的波浪在开孔处消耗了能量，根据反射系数的公式，入射波高通过比尺缩放相同，则小比尺的反射波高较小，使得小比尺的反射系数较小，反射系数同样受比尺大小影响较大。[0069] 综上所示，通过采用SPH方法对可以评估海岸工程物理模型实验比尺效应的方法。[0070] 本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。[0071] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。[0072] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。[0073] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：天津

专利申请日期：2021-10-20

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113947044B