分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種線性分層水體環(huán)境中開閘式異重流分減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，包括以下步驟：步驟1測定環(huán)境地形數(shù)據(jù)和異重流自身參數(shù)；步驟3擬合幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)；步驟3根據(jù)步驟1中測定的環(huán)境地形數(shù)據(jù)和異重流自身參數(shù)，確定本發(fā)明所需系數(shù)值；步驟4線性分層水體環(huán)境中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度預(yù)測模型：，其中f為異重流頭部所占初始異重流的體積，I、J、G和M均為變量，其計算式分別為：變量；變量；變量；變量；將步驟1~3所得參數(shù)值帶入上述預(yù)測模型即可計算得到線性分層水體環(huán)境中開閘式異重流分減速階段的運(yùn)動速度Uf0，方法簡便且有效，準(zhǔn)確度及可靠性高。
【專利說明】
分層水體中開闡式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于異重流研究領(lǐng)域，具體設(shè)及一種線性分層水體環(huán)境中異重流減速階段 運(yùn)動速度的預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 異重流通常是指當(dāng)兩種或者兩種W上具有不同密度的流體相互接觸時，密度差異 使得其中一種流體沿著交界面流動，并且在流動過程中不與其它流體發(fā)生全局性滲混的運(yùn) 動現(xiàn)象。異重流在分層環(huán)境下的運(yùn)動特性是海洋、大氣等研究領(lǐng)域重要的研究主題之一。長 期W來，國內(nèi)外關(guān)于異重流的研究主要集中在均勻水體環(huán)境中，但是在自然界中，由于溫 度、鹽度等變化所致的流體密度差異普遍存在，異重流大多是在分層環(huán)境下形成并發(fā)展的， 如海洋環(huán)境中的濁流、鹽水模、冷空氣前鋒、火電廠熱水排放等。因此，弄清分層環(huán)境下異重 流的運(yùn)動機(jī)理對于深入理解大氣中霧靈擴(kuò)散、河口鹽水模入侵、港區(qū)渺積、湖泊中污染物輸 移、海底濁流引起的地貌變化與海底油氣沉積層形成等問題有著重要的科學(xué)意義與實用價 值。
[0003] 由于環(huán)境水體存在分層現(xiàn)象即密度不斷增大，隨著異重流沿斜坡往下運(yùn)動，其運(yùn) 動的驅(qū)動力不斷減小，運(yùn)動速度也不斷減小。按產(chǎn)生異重流方式的不同，異重流可分為連續(xù) 入流式和開閩式。目前對于開閩式異重流運(yùn)動速度的計算，所采取的方法主要基于1981年 Be曲in等人提出的"熱理論"（thermal theoiy)。
[0004] Be曲in等人進(jìn)行了一系列實驗，表明異重流沿斜坡的運(yùn)動的總體規(guī)律為:先加速， 后減速?；跓崂碚摵拖嚓P(guān)假設(shè)，BegMn等人提出了在減速階段異重流運(yùn)動速度的預(yù)測方 法。然而，該預(yù)測方法只能運(yùn)用在環(huán)境水體為均勻水體的情況下，當(dāng)環(huán)境水體密度發(fā)生變化 即水體分層時，此方法就不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種有效、準(zhǔn)確、可 適用于線性分層水體環(huán)境中異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明包括W下步驟： 步驟1:數(shù)據(jù)獲得 測定目標(biāo)研究區(qū)域的環(huán)境地形數(shù)據(jù)、目標(biāo)異重流初始階段和減速階段的參數(shù)數(shù)據(jù)； 步驟2:幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)擬合 根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義，擬合確定幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)C; 步驟3:系數(shù)參數(shù)確定 根據(jù)步驟1中測定的環(huán)境地形數(shù)據(jù)和異重流自身參數(shù)數(shù)據(jù)，確定W下系數(shù)參數(shù)：
異重流頭部面積的形狀系數(shù) 異重流頭部周長的形狀系數(shù) 異重流與環(huán)境水體的滲混系 環(huán)境水體線性分層系數(shù)
其中/?示異重流頭部厚度，表示異重流頭部長度，A表示異重流頭部長度和寬度之 tk，片^ = 2A = 表示異重流頭部增長角，巧表示初始異重流所在位置處環(huán)境水體 密度，辟表示環(huán)境水體底部的密度，化表示異重流初始運(yùn)動處距環(huán)境水體底部的垂直距離； 步驟4:模型計算 線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速度預(yù)測模型文
其中/表示異重流頭部所占初始異重流的體積，/、/、巧禮放勻為變量，其計算式分別為：
將步驟1、步驟2和步驟3中所得數(shù)據(jù)代入線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段 運(yùn)動速度預(yù)測模型，計算得到線性分層水體環(huán)境中異重流減速階段的運(yùn)動速度&。
[0007]作為優(yōu)選，所述步驟1中所需測定的目標(biāo)研究區(qū)域的環(huán)境地形數(shù)據(jù)包括異重流運(yùn) 動的斜坡角度0，初始異重流所在位置處環(huán)境水體密度A，環(huán)境水體底部的密度/?和異重 流初始運(yùn)動處距環(huán)境水體底部的垂直距離化。
[000引作為優(yōu)選，所述步驟1中所需測定的目標(biāo)異重流初始階段的參數(shù)包括初始異重流 密度Pk;，初始異重流體積心和初始異重流位置至異重流首次出現(xiàn)的楠圓形頭部之間的距 幫 JCfOo
[0009] 作為優(yōu)選，所述步驟1中所需測定的目標(biāo)異重流減速階段的參數(shù)包括異重流頭部 增長角口日，異重流頭部厚度化異重流頭部長度和異重流頭部位置龍。
[0010] 作為優(yōu)選，所述步驟2中幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)C通過一系列實驗室水槽實驗擬合得到。
[0011] 作為優(yōu)選，所述步驟2中幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)C的擬合值定為0.022。
[0012] 作為優(yōu)選，假定在異重流發(fā)展過程中，所述步驟4中異重流頭部長度和寬度之比A 保持t旦定。
[0013] 作為優(yōu)選，假定所述步驟5中異重流頭部所占初始異重流的體積/保持恒定。
[0014] 作為優(yōu)選，所述步驟5中異重流頭部所占初始異重流的體積端]值設(shè)為1。
[0015] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所提出的預(yù)測方法中已經(jīng)將水體線性分層情況對異重 流減速階段運(yùn)動速度的影響考慮進(jìn)去了，因此本發(fā)明可直接對線性分層環(huán)境中開閩式異重 流減速階段運(yùn)動速度進(jìn)行計算，簡單方便且準(zhǔn)確度高，有效解決了前人所提出的預(yù)測方法 的適用性問題。本發(fā)明是在Be曲in等人提出的"熱理論"的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境水體線性分層 系數(shù)，從而建立起線性分層環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測模型，具有堅實 的理論基礎(chǔ)，可靠性較高。
【附圖說明】
[0016]圖1為線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流的運(yùn)動示意圖； 圖2為線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速度的實測值與利用本發(fā)明所 得預(yù)測值之間的對比圖。
[0017]其中，圖帥D. S.表示減速階段。
【具體實施方式】
[0018]下面將對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，并結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)點作進(jìn)一步的說 明。
[0019]本發(fā)明包括W下步驟： 步驟1:數(shù)據(jù)獲得 測定目標(biāo)研究區(qū)域的有關(guān)環(huán)境地形數(shù)據(jù)，包括異重流運(yùn)動的斜坡角度0，初始異重流所 在位置處環(huán)境水體密度巧，環(huán)境水體底部的密度/?和異重流初始運(yùn)動處距環(huán)境水體底部 的垂直距離化。
[0020]測定目標(biāo)異重流初始階段的參數(shù)，包括初始異重流密度;PcO,初始異重流體積心和 初始異重流位置至異重流首次出現(xiàn)的楠圓形頭部之間的距離Xw 選取減速階段的某一時刻，測定目標(biāo)異重流減速階段的參數(shù)，包括異重流頭部增長角 ?0，異重流頭部厚度化異重流頭部長度幻^異重流頭部位置去。
[0021 ]步驟2:幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)擬合 通過水槽實驗所測得的線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段頭部位置的數(shù)據(jù) 與相應(yīng)計算值之間的對比，得出幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)C的擬合值為0.022。
[0022] 步驟3:系數(shù)參數(shù)確定 根據(jù)步驟1中測定的環(huán)境地形數(shù)據(jù)和異重流自身參數(shù)數(shù)據(jù)，確定W下系數(shù)參數(shù)：
異重流頭部面積的形# 異重流頭部周長的形# 異重流與環(huán)境水體的i 環(huán)境水體線性分層系邀 其中示異重流頭部長度和寬度之比，= 2A = 2^/^; 根據(jù)化i等人的假定，在異重流發(fā)展過程中，可認(rèn)為A值保持恒定。
[0023] 步驟4:模型計算 線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速度預(yù)測模型：
，其中/ 表示異重流頭部所占初始異重流的體積，/、/、巧禮放勻為變量，其計算式分別為： 變量

將步驟I中測得的環(huán)境地形數(shù)據(jù)和異重流自身參數(shù)、步驟2中擬合得到的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù) 和步驟3中確定的系數(shù)參數(shù)代入所述的線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速 度預(yù)測模型，并根據(jù)Be曲in等人的研究，假定異重流頭部所占初始異重流的體積/=1，計算 得出線性分層水體環(huán)境中異重流減速階段的運(yùn)動速度&。
[0024]其中線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速度預(yù)測模型建立過程如 下： 根據(jù)1981年Be曲in等人提出熱理論的假設(shè)，異重流發(fā)展過程中其頭部增長角可認(rèn)為不 變，異重流的初始位置不是閩口處，而是根據(jù)頭部增長角所確定的位于閩口后而處的一個 "虛擬點源"（Vbtual化igin)，線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流運(yùn)動方式如圖1所示，異 重流反動討巧中，描冰擇軍流反動的動量方程為：
(1) 其中，媽異重流運(yùn)動的斜坡角度，&為異重流頭部質(zhì)點的速度，&為異重流頭部的有 效重力，其計算式為：
(2) 描述異重流運(yùn)動的質(zhì)量守恒方程為：
(3) 置由.巧fci見甫流生部占巧措水化，巧的卷吸率。方程（3)可轉(zhuǎn)化為W下形式：
(4) 在線性分層水體環(huán)境中，異重流頭部質(zhì)點所在位置的環(huán)境水體密度戶?？杀硎緸椋?br>(5) 將方程(2)、（4)和式巧)代入（1)中：
[00巧]對式(6)進(jìn)行積分：
其中，/?為初始異重流頭部質(zhì)點速度。
[0026] 由于異重流的頭部速度遠(yuǎn)比異重流頭部質(zhì)點的速度容易測定，式(7)可轉(zhuǎn)化為W A郁仿晉巧斗郁巧底責(zé)甚準(zhǔn)的業(yè)標(biāo)累.
(8) 其中，&為線性分層水體環(huán)境中異重流減速階段的運(yùn)動速度，由于異重流從靜止?fàn)顟B(tài) 開始運(yùn)動，故化》= 0。當(dāng)異重流進(jìn)入減速階段時，可認(rèn)為：>，即：
(9) 將式(8)和式(9)代入式(7)中，并引入幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)C，可得：
(10)其中/為異重流頭部所占初始異重流的體積，/、/、巧日姐勻為變量，其計算式分別為：
， 式(10)即為線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測公式。
[0027] 所述步驟1中各種數(shù)據(jù)的測定方法均為目前物理海洋研究領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[002引本發(fā)明所提到的"熱理論"和Dai等的假定等的具體內(nèi)容分別記載在Journal Of Fluid Mechanics 雜志 1981 年第 107 其月的《Gravitational convection from instantaneous sources on inclined boundaries》中和2013年第731 其月的《Experiments on gravity currents prop曰gating on different bottom slopes》中。
[0029]為進(jìn)一步說明本發(fā)明線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù) 測方法的可信度及有效性，本發(fā)明在玻璃水槽中開展了 4組線性分層水體環(huán)境中的開閩式 異重流沿斜坡運(yùn)動的實驗，測量了該異重流運(yùn)動過程中頭部位置和頭部速度，其中異重流 流體最前端的位置即為異重流的頭部位置，異重流減速階段的運(yùn)動速度即為頭部速度，同 時測定本發(fā)明步驟1中列舉的參數(shù)，并將其帶入本發(fā)明預(yù)測方法中，計算得出水槽中該異重 流減速階段的運(yùn)動速度。將實驗所得的異重流運(yùn)動速度實測值與通過本發(fā)明預(yù)測方法所得 的模型預(yù)測值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示，在線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流運(yùn)動的減速 階段，異重流減速階段運(yùn)動速度的實測值與模型預(yù)測值展現(xiàn)出良好的一致性。由此可見，本 發(fā)明所提出的預(yù)測方法可有效地直接應(yīng)用于線性分層水體環(huán)境中開閩式異重流減速階段 運(yùn)動速度的計算。
【主權(quán)項】
1. 分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，其特征在于包括以下步 驟： 步驟1:數(shù)據(jù)獲得 測定目標(biāo)研究區(qū)域的環(huán)境地形數(shù)據(jù)、目標(biāo)異重流初始階段和減速階段的參數(shù)數(shù)據(jù)； 步驟2:幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)擬合 根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義，擬合確定幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)c; 步驟3:系數(shù)參數(shù)確定 根據(jù)步驟1中測定的環(huán)境地形數(shù)據(jù)和異重流自身參數(shù)數(shù)據(jù)，確定以下系數(shù)參數(shù)： 異重流頭部面積的形狀系數(shù)馬=π/4 ; 異重流頭部周長的形狀系數(shù)·5:= (π/23勺; 異重流與環(huán)境水體的摻混系數(shù)(6 = 2??/aass2); 環(huán)境水體線性分層系數(shù)μ = 0? ; 其中#示異重流頭部厚度4表示異重流頭部長度，々表示異重流頭部長度和寬度之 比，h = 21 = 277/Ζ，》·??表示異重流頭部增長角，Μ表示初始異重流所在位置處環(huán)境水體 密度，/?表示環(huán)境水體底部的密度，私表示異重流初始運(yùn)動處距環(huán)境水體底部的垂直距離； 步驟4:模型計算 線性分層水體環(huán)境中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度預(yù)測模型戈其中/ 表示異重流頭部所占初始異重流的體積，I J 6和似均為變量，其計算式分別為：將步驟1、步驟2和步驟3中所得數(shù)據(jù)代入線性分層水體環(huán)境中開閘式異重流減速階段 運(yùn)動速度預(yù)測模型，計算得到線性分層水體環(huán)境中異重流減速階段的運(yùn)動速度2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，其 特征在于所述步驟1中所需測定的目標(biāo)研究區(qū)域的環(huán)境地形數(shù)據(jù)包括異重流運(yùn)動的斜坡角 度〃，初始異重流所在位置處環(huán)境水體密度/?，環(huán)境水體底部的密度/?和異重流初始運(yùn)動 處距環(huán)境水體底部的垂直距離仏。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，其 特征在于所述步驟1中所需測定的目標(biāo)異重流初始階段的參數(shù)包括初始異重流密度A〇,初 始異重流體積瓜和初始異重流位置至異重流首次出現(xiàn)的橢圓形頭部之間的距離X/?。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，其 特征在于所述步驟1中所需測定的目標(biāo)異重流減速階段的參數(shù)包括異重流頭部增長角議沒， 異重流頭部厚度仏異重流頭部長度Z和異重流頭部位置5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，其 特征在于所述步驟2中幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)di過一系列實驗室水槽實驗擬合得到。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法， 其特征在于所述步驟2中幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)^的擬合值為0.022。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，其 特征在于假定在異重流發(fā)展過程中所述步驟3中異重流頭部長度和寬度之比對呆持恒定。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法，其 特征在于假定所述步驟4中異重流頭部所占初始異重流的體積/保持恒定。9. 根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的分層水體中開閘式異重流減速階段運(yùn)動速度的預(yù)測方法， 其特征在于所述步驟4中異重流頭部所占初始異重流的體積f前值設(shè)為1。
【文檔編號】G06F19/00GK105956402SQ201610300767
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】賀治國, 趙亮, 林穎典, 胡鵬
【申請人】浙江大學(xué)