一种基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，属于海岸生态防护技术领域。它包括如下步骤：S10、基于柔性植被动力模型，构建柔性植被波能耗散模型；S20、基于柔性植被波能耗散模型，构建柔性植被动力模型与XBeach相位平均波浪模型的耦合模型；S30、构建耦合模型中植被拖曳力系数的计算模型；S40、基于步骤S30计算模型计算的植被拖曳力系数及步骤S20的耦合模型，模拟分析不同波浪与植被特征条件下的柔性植被消浪。本发明专利技术弥补了现有XBeach波浪模型在模拟柔性植被消浪方面的不足，拓宽了XBeach波浪模型应用范围，完善了海岸植被消浪的模拟理论及方法，丰富了海岸动力学中波浪传播变形的基础理论体系，并可为海岸生态植被护岸的工程设计提供科学依据。生态植被护岸的工程设计提供科学依据。生态植被护岸的工程设计提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法


[0001]本专利技术属于海岸生态防护
，更具体地说，涉及一种基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法。

技术介绍

[0002]海洋强国战略与生态文明建设已对我国海岸灾害防护工作提出了更高要求，因同时具有生态效益与护岸作用，植被消浪已成为海岸工程的前沿问题。
[0003]国内外在刚性植被引起的波浪衰减研究方面取得了较为丰富的成果，相比之下柔性植被消浪研究起步较晚，同时因其更为复杂的消浪机制，柔性植被消浪研究目前仍存在一些不足，且已有的植被消浪数值模拟研究大多将水生植被简化为刚性体来进行分析，并未考虑植被摇摆运动和惯性力作用。
[0004]例如，以XBeach相位平均波浪模型为例的现有成熟近岸波浪模型仅能模拟刚性植被消浪作用，尚无法模拟柔性植被引起的衰减作用；此外，现阶段植被消浪数值模拟研究大都在线性波假设的前提下开展，鲜有研究从非线性波理论出发模拟分析柔性植被消浪，对非线性波作用下柔性植被的消浪认识还有待进一步提高。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题至少之一，根据本专利技术的一方面，提供了一种基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，包括如下步骤：
[0006]S10、基于柔性植被动力模型，构建柔性植被波能耗散模型；
[0007]S20、基于柔性植被波能耗散模型，构建柔性植被动力模型与XBeach相位平均波浪模型的耦合模型；
[0008]S30、构建耦合模型中植被拖曳力系数的计算模型；/>[0009]S40、基于步骤S30计算模型计算的植被拖曳力系数及步骤S20的耦合模型，模拟分析不同波浪与植被特征条件下的柔性植被消浪。
[0010]根据本专利技术实施例的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，可选地，步骤S10具体如下：
[0011]S11、基于柔性植被动力模型计算波浪作用下单根柔性淹没植被运动与受力时间序列，采用如下控制方程，
[0012][0013][0014]f
B
＝(ρ
‑
ρ
v
)gV1，
[0015][0016][0017][0018][0019]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，为植被水平加速度，为植被垂直加速度，E为植被弹性模量，I为惯性矩，ρ
v
为植被材料密度，V1为单位长度植被的排水体积，F
T
为垂直于横截面的拉力，f
B
为净浮力，f
D
为拖曳力，f
F
为摩擦力，f
Ix
为水平惯性力，f
Iz
为垂直惯性力，ρ为水密度，g为重力加速度，b
v
为植被宽度，C
D
为植被拖曳力系数，C
f
为植被摩擦力系数，C
m
为植被附加质量系数，V2为与附加质量相关体积，u
w
为波浪水质点水平速度，w
w
为波浪水质点垂向速度，为波浪水质点水平加速度，为波浪水质点垂向加速度，为植被水平加速度，为植被垂直加速度；
[0020]S12、根据步骤S11的计算结果，构建柔性植被波能耗散模型，
[0021][0022]其中，D
v
为单位水平面积上沿水深平均的波能耗散时均速率，T为波周期，l
v
为植被长度，N
v
为植被空间分布密度。
[0023]根据本专利技术实施例的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，可选地，步骤S20的耦合模型为：
[0024][0025]其中，A＝E
w
/σ，E
w
为每个方向单元的波能密度，σ为角频率，c
gx
为波群速度、角频率和波群速度根据线性色散方程求解，D
w
为波浪破碎引起的能量耗散，D
f
为底部摩擦力引起的能量耗散，D
v
为步骤S12获得。
[0026]根据本专利技术实施例的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，可选地，步骤S30具体为：
[0027]S31、构建植被拖曳力系数C
D
与KC数的关系式，
[0028]C
D
＝δ+(κ/KC)
γ
，
[0029]其中，δ、κ及γ均为需要确定的参数；
[0030]S32、收集整理柔性植被消浪水槽物模实验实测数据，结合步骤S20的耦合模型，计算植被拖曳力系数；
[0031]S33、根据步骤S32获取的植被拖曳力系数，采用最小二乘法确定步骤S31中关系式的各需要确定的参数，得到植被拖曳力系数的计算模型。
[0032]根据本专利技术实施例的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，可选地，步骤S40具体为：
[0033]S41、在给定不同波浪与植被特征参数条件时，根据步骤S30的计算模型计算植被拖曳力系数；
[0034]S42、根据步骤S41计算的植被拖曳力系数，基于H/gT2值及d/gT2值，选取适用波浪理论，并计算流场驱动柔性植被动力模型及波能耗散项，其中，H为波高，d为水深，T为波周期；
[0035]S43、将步骤S42的计算结果带入步骤S20的耦合模型进行计算，模型分析不同波浪与植被特征条件下的柔性植被消浪；
[0036]根据本专利技术的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本专利技术的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法中的步骤。
[0037]根据本专利技术的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本专利技术的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法中的步骤。
[0038]有益效果
[0039]相比于现有技术，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0040]本专利技术的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，弥补了现有XBeach波浪模型在模拟柔性植被消浪方面的不足，提供了一种定量分析海岸柔性植被消浪的方法，拓宽了XBeach波浪模型的应用范围，完善了海岸植被消浪的模拟理论及方法，丰富了海岸动力学中波浪传播变形的基础理论体系，并可为海岸生态植被护岸的工程设计提供科学依据。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本专利技术的一些实施例，而非对本专利技术的限制。
[0042]图1示出了本专利技术的基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法流程图；
[0043]图2示出了本专利技术的耦合模型原理图；
[0044]图3示出了本专利技术实施例1的均匀柔性植被消浪验证图；
[0045]图4示出了本专利技术实施例1的非均匀柔性植被消浪验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S10、基于柔性植被动力模型，构建柔性植被波能耗散模型；S20、基于柔性植被波能耗散模型，构建柔性植被动力模型与XBeach相位平均波浪模型的耦合模型；S30、构建耦合模型中植被拖曳力系数的计算模型；S40、基于步骤S30计算模型计算的植被拖曳力系数及步骤S20的耦合模型，模拟分析不同波浪与植被特征条件下的柔性植被消浪。2.根据权利要求1所述的一种基于植被波浪耦合模型的柔性植被消浪模拟方法，其特征在于，步骤S10具体如下：S11、基于柔性植被动力模型计算波浪作用下单根柔性淹没植被运动与受力时间序列，采用如下控制方程，采用如下控制方程，f
B
＝(ρ
‑
ρ
v
)gV1，，，，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，为植被水平加速度，为植被垂直加速度，E为植被弹性模量，I为惯性矩，ρ
v
为植被材料密度，V1为单位长度植被的排水体积，F
T
为垂直于横截面的拉力，f
B
为净浮力，f
D
为拖曳力，f
F
为摩擦力，f
Ix
为水平惯性力，f
Iz
为垂直惯性力，ρ为水密度，g为重力加速度，b
v
为植被宽度，C
D
为植被拖曳力系数，C
f
为植被摩擦力系数，C
m
为植被附加质量系数，V2为与附加质量相关体积，u
w
为波浪水质点水平速度，w
w
为波浪水质点垂向速度，为波浪水质点水平加速度，为波浪水质点垂向加速度，为植被水平加速度，为植被垂直加速度；S12、根据步骤S11的计算结果，构建柔性植被波能耗散模型，其中，D
v
为单位水平面积上沿水深平均的波能耗散时均速率，T为波周期，l
v
为植被长度，N
v
为植...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷锴，徐宿东，郝建新，龚尚鹏，刘春雨，刘佰文，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：