本发明专利技术涉及一种线性分层水体环境中开闸式异重流分减速阶段运动速度的预测方法，包括以下步骤：步骤1测定环境地形数据和异重流自身参数；步骤3拟合几何结构参数；步骤3根据步骤1中测定的环境地形数据和异重流自身参数，确定本发明专利技术所需系数值；步骤4线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型：，其中f为异重流头部所占初始异重流的体积，I、J、G和M均为变量，其计算式分别为：变量；变量；变量；变量；将步骤1~3所得参数值带入上述预测模型即可计算得到线性分层水体环境中开闸式异重流分减速阶段的运动速度Uf0，方法简便且有效，准确度及可靠性高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于异重流研究领域，具体涉及一种线性分层水体环境中异重流减速阶段运动速度的预测方法。
技术介绍
异重流通常是指当两种或者两种以上具有不同密度的流体相互接触时，密度差异使得其中一种流体沿着交界面流动，并且在流动过程中不与其它流体发生全局性掺混的运动现象。异重流在分层环境下的运动特性是海洋、大气等研究领域重要的研究主题之一。长期以来，国内外关于异重流的研究主要集中在均匀水体环境中，但是在自然界中，由于温度、盐度等变化所致的流体密度差异普遍存在，异重流大多是在分层环境下形成并发展的，如海洋环境中的浊流、盐水楔、冷空气前锋、火电厂热水排放等。因此，弄清分层环境下异重流的运动机理对于深入理解大气中雾霾扩散、河口盐水楔入侵、港区淤积、湖泊中污染物输移、海底浊流引起的地貌变化与海底油气沉积层形成等问题有着重要的科学意义与实用价值。由于环境水体存在分层现象即密度不断增大，随着异重流沿斜坡往下运动，其运动的驱动力不断减小，运动速度也不断减小。按产生异重流方式的不同，异重流可分为连续入流式和开闸式。目前对于开闸式异重流运动速度的计算，所采取的方法主要基于1981年Beghin等人提出的“热理论”(thermal theory)。Beghin等人进行了一系列实验，表明异重流沿斜坡的运动的总体规律为：先加速，后减速。基于热理论和相关假设，Beghin等人提出了在减速阶段异重流运动速度的预测方法。然而，该预测方法只能运用在环境水体为均匀水体的情况下，当环境水体密度发生变化即水体分层时，此方法就不再适用。
技术实现思路
为了弥补现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种有效、准确、可适用于线性分层水体环境中异重流减速阶段运动速度的预测方法。为解决上述技术问题，本专利技术包括以下步骤：步骤1：数据获得测定目标研究区域的环境地形数据、目标异重流初始阶段和减速阶段的参数数据；步骤2：几何结构参数拟合根据几何结构参数的定义，拟合确定几何结构参数c；步骤3：系数参数确定根据步骤1中测定的环境地形数据和异重流自身参数数据，确定以下系数参数：异重流头部面积的形状系数；异重流头部周长的形状系数；异重流与环境水体的掺混系数；环境水体线性分层系数；其中H表示异重流头部厚度，L表示异重流头部长度，k表示异重流头部长度和宽度之比，kv = 2k = 2H/L，表示异重流头部增长角，表示初始异重流所在位置处环境水体密度，表示环境水体底部的密度，Ha表示异重流初始运动处距环境水体底部的垂直距离；步骤4：模型计算线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型为，其中f表示异重流头部所占初始异重流的体积，I、J、G和M均为变量，其计算式分别为：变量；变量；变量；变量；将步骤1、步骤2和步骤3中所得数据代入线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型，计算得到线性分层水体环境中异重流减速阶段的运动速度Uf。作为优选，所述步骤1中所需测定的目标研究区域的环境地形数据包括异重流运动的斜坡角度θ，初始异重流所在位置处环境水体密度，环境水体底部的密度和异重流初始运动处距环境水体底部的垂直距离Ha。作为优选，所述步骤1中所需测定的目标异重流初始阶段的参数包括初始异重流密度，初始异重流体积A0和初始异重流位置至异重流首次出现的椭圆形头部之间的距离Xf0。作为优选，所述步骤1中所需测定的目标异重流减速阶段的参数包括异重流头部增长角，异重流头部厚度H，异重流头部长度L和异重流头部位置Xf。作为优选，所述步骤2中几何结构参数c通过一系列实验室水槽实验拟合得到。作为优选，所述步骤2中几何结构参数c的拟合值定为0.022。作为优选，假定在异重流发展过程中，所述步骤4中异重流头部长度和宽度之比k保持恒定。作为优选，假定所述步骤5中异重流头部所占初始异重流的体积f保持恒定。作为优选，所述步骤5中异重流头部所占初始异重流的体积f的值设为1。本专利技术的有益效果：本专利技术所提出的预测方法中已经将水体线性分层情况对异重流减速阶段运动速度的影响考虑进去了，因此本专利技术可直接对线性分层环境中开闸式异重流减速阶段运动速度进行计算，简单方便且准确度高，有效解决了前人所提出的预测方法的适用性问题。本专利技术是在Beghin等人提出的“热理论”的基础上，结合环境水体线性分层系数，从而建立起线性分层环境中开闸式异重流减速阶段运动速度的预测模型，具有坚实的理论基础，可靠性较高。附图说明图1为线性分层水体环境中开闸式异重流的运动示意图；图2为线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度的实测值与利用本专利技术所得预测值之间的对比图。其中，图2中D.S.表示减速阶段。具体实施方式下面将对本专利技术作进一步的详细描述，并结合附图对本专利技术的优点作进一步的说明。本专利技术包括以下步骤：步骤1：数据获得测定目标研究区域的有关环境地形数据，包括异重流运动的斜坡角度θ，初始异重流所在位置处环境水体密度，环境水体底部的密度和异重流初始运动处距环境水体底部的垂直距离Ha。测定目标异重流初始阶段的参数，包括初始异重流密度，初始异重流体积A0和初始异重流位置至异重流首次出现的椭圆形头部之间的距离Xf0；选取减速阶段的某一时刻，测定目标异重流减速阶段的参数，包括异重流头部增长角，异重流头部厚度H，异重流头部长度L和异重流头部位置Xf。步骤2：几何结构参数拟合通过水槽实验所测得的线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段头部位置的数据与相应计算值之间的对比，得出几何结构参数c的拟合值为0.022。步骤3：系数参数确定根据步骤1中测定的环境地形数据和异重流自身参数数据，确定以下系数参数：异重流头部面积的形状系数；异重流头部周长的形状系数；异重流与环境水体的掺混系数；环境水体线性分层系数；其中k表示异重流头部长度和宽度之比，kv = 2k = 2H/L；根据Dai等人的假定，在异重流发展过程中，可认为k值保持恒定。步骤4：模型计算线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型为，其中f表示异重流头部所占初始异重流的体积，I、J、G和M均为变量，其计算式分别为：变量；变量；变量；变量；将步骤1中测得的环境地形数据和异重流自身参数、步骤2中拟合得到的几何结构参数和步骤3中确定的系数参数代入所述的线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型，并根据Beghin等人的研究，假定异重流头部所占初始异重流的体积f=1，计算得出线性分层水体环境中异重流减速阶段的运动速度Uf。其中线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型建立过程如下：根据1981年Beghin等人提出热理论的假设，异重流发展过程中其头部增长角可认为不变，异重流的初始位置不是闸门处，而是根据头部增长角所确定的位于闸门后X0处的一个“虚拟点源”（Virtual Origin），线性分层水体环境中开闸式异重流运动方式如图1所示，异重流运动过程中，描述异重流运动的动量方程为： （1）其中，θ为异重流运动的斜坡角度，Um为异重流头部质点的速度，Bc为异重流头部的有效重力，其计算式为： （2）描述异重流运动的质量守恒方程为： （3）其中，E为异重流头部与环境本文档来自技高网...
【技术保护点】
分层水体中开闸式异重流减速阶段运动速度的预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：数据获得测定目标研究区域的环境地形数据、目标异重流初始阶段和减速阶段的参数数据；步骤2：几何结构参数拟合根据几何结构参数的定义，拟合确定几何结构参数c；步骤3：系数参数确定根据步骤1中测定的环境地形数据和异重流自身参数数据，确定以下系数参数：异重流头部面积的形状系数；异重流头部周长的形状系数；异重流与环境水体的掺混系数；环境水体线性分层系数；其中H表示异重流头部厚度，L表示异重流头部长度，k表示异重流头部长度和宽度之比，kv = 2k = 2H/L，表示异重流头部增长角，表示初始异重流所在位置处环境水体密度，表示环境水体底部的密度，Ha表示异重流初始运动处距环境水体底部的垂直距离；步骤4：模型计算线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型为，其中f表示异重流头部所占初始异重流的体积，I、J、G和M均为变量，其计算式分别为：变量；变量；变量；变量；将步骤1、步骤2和步骤3中所得数据代入线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型，计算得到线性分层水体环境中异重流减速阶段的运动速度Uf。
【技术特征摘要】
1.分层水体中开闸式异重流减速阶段运动速度的预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：数据获得测定目标研究区域的环境地形数据、目标异重流初始阶段和减速阶段的参数数据；步骤2：几何结构参数拟合根据几何结构参数的定义，拟合确定几何结构参数c；步骤3：系数参数确定根据步骤1中测定的环境地形数据和异重流自身参数数据，确定以下系数参数：异重流头部面积的形状系数；异重流头部周长的形状系数；异重流与环境水体的掺混系数；环境水体线性分层系数；其中H表示异重流头部厚度，L表示异重流头部长度，k表示异重流头部长度和宽度之比，kv = 2k = 2H/L，表示异重流头部增长角，表示初始异重流所在位置处环境水体密度，表示环境水体底部的密度，Ha表示异重流初始运动处距环境水体底部的垂直距离；步骤4：模型计算线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型为，其中f表示异重流头部所占初始异重流的体积，I、J、G和M均为变量，其计算式分别为：变量；变量；变量；变量；将步骤1、步骤2和步骤3中所得数据代入线性分层水体环境中开闸式异重流减速阶段运动速度预测模型，计算得到线性分层水体环境中异重流减速阶段的运动速度Uf。2.根据权利要求1所述的分层水体中开闸式异重流减速阶段运动速度的预测方法，其特征在于所述步骤1中所需测定的目标研究区域的环境地形数据包括异重流运动的斜坡角度θ，初始异重流所在位置处环境水体密度，环境水体底部...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺治国，赵亮，林颖典，胡鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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