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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。而且本发明专利技术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。果的可靠性。果的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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：
[0005][0006]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。
[0007]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。
[0008][0009][0010]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。
[0011]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。
[0012][0013][0014]其中，U
∞
为边界层外的最大流速。
[0015]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。
[0016][0017]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，本专利技术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，本专利技术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。

技术实现思路

[0018]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，本专利技术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。
[0019]本专利技术的技术方案：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：
[0020]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；
[0021]步骤2、通过输出电压，根据公式(7)进行受力计算：
[0022][0023]步骤3、将步骤2计算获得的力进行分析处理；
[0024]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；
[0025]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：
[0026][0027]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；
[0028]两种条件下，均获得床面最大剪应力τ
max
；
[0029][0030]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。
[0031]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％
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈占杰，唐国强，吕林，滕云飞，乔东生，王滨，高山，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：