摩阻流速與垂線(xiàn)平均流速的關(guān)系探討

1、摩阻流速與垂線(xiàn)平均流速的關(guān)系探討摘 要：底邊界層在從水平流動(dòng)中抽取能量并在產(chǎn)生紊動(dòng)方面扮演著重要的角色，對(duì)水體的垂向混合，潮能耗散方面有著特殊的意義。在研究水流底邊界層時(shí)，摩阻流速是反應(yīng)底邊界層水流摩阻特性的重要物理量，摩阻流速是以壁面切應(yīng)力與流體密度之比的平方根計(jì)算出的、具有速度量綱的參數(shù)。該文采用王港西洋海域的水文實(shí)測(cè)資料對(duì)近底邊界層摩阻流速與垂線(xiàn)平均流速之間的關(guān)系進(jìn)行探討，分析了兩者之間的相位關(guān)系和線(xiàn)性擬合關(guān)系，得出在一個(gè)潮次中，摩阻流速要先于平均流速到達(dá)最大值，形成這種相位差的原因是沿水深各層最大流速存在相位差，海底的紊動(dòng)切應(yīng)力較大，因此摩阻流速最先到達(dá)平衡;從漲潮加速、漲潮

2、減速、落潮加速和落潮減速這4個(gè)時(shí)段對(duì)摩阻流速與平均流速進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得出潮流加速時(shí)摩阻流速值往往會(huì)被低估，減速時(shí)被高估，為以后研究底部邊界層摩阻特性提供參考。關(guān)鍵詞：摩阻流速 垂線(xiàn)平均流速 底邊界層 摩阻特性中圖分類(lèi)號(hào)：TV133  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791202106a-0056-03計(jì)算區(qū)域所屬的海域位于黃海南部，隸屬江蘇省南通市的如東縣海域，為粉砂質(zhì)海岸性質(zhì)。由于粉砂質(zhì)海岸泥沙具有易起動(dòng)、沉降快的特點(diǎn)，所以形成了特殊的地形地貌特征，而且水沙運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。該海域的潮流特性屬典型的半日潮，漲落潮非常明顯，且潮流強(qiáng)，潮差大。測(cè)

3、區(qū)內(nèi)有太陽(yáng)沙、鯽魚(yú)沙、河豚沙、火星沙、西太陽(yáng)沙等沙洲，岸邊局部有相當(dāng)寬闊的潮間帶。該文采用王港西洋海域的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在該海域布設(shè)的3個(gè)臨時(shí)潮位站進(jìn)行潮位觀測(cè)、布置了22條水文測(cè)驗(yàn)垂線(xiàn)按大、中、小各實(shí)測(cè)一個(gè)全潮水文測(cè)驗(yàn)。大潮觀測(cè)時(shí)間是2021年5月24日5：00到5月25日5：00，小潮觀測(cè)時(shí)間為2021年5月30日5：00到5月31日5：00，圖1和圖2為大、小潮流速矢量圖。從流速矢量圖可以看出，無(wú)論大、小潮，測(cè)區(qū)北部外海一側(cè)的流速大于南部靠岸一側(cè)的流速，潮流通道內(nèi)的流速大于通道邊緣上的流速，順直通道的流速大于彎曲通道的流速。顯示出水流和地形之間存在一定程度的相互作用。1 

4、摩阻流速與平均流速的求解摩阻流速確實(shí)定方法有多種，如紊動(dòng)動(dòng)能耗散率法、高頻觀測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)拖曳力系數(shù)法、圣維南方法以及流速剖面法等，其中流速剖面法又可細(xì)分為最小二乘法、霍夫變換結(jié)合最小二乘法、枚舉法結(jié)合最小二乘法。流速剖面法是常用方法，此方法應(yīng)用比較廣泛，而流速分布有多種，該文假設(shè)垂線(xiàn)流速服從對(duì)數(shù)分布模式：將對(duì)數(shù)分布公式改寫(xiě)成：應(yīng)用全水深的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)lnzuz繪的關(guān)系圖，通過(guò)直線(xiàn)的斜率k可求出摩阻流速u(mài)*u*=kk。垂線(xiàn)平均流速確實(shí)定方法：一種方法是通過(guò)插值得到整點(diǎn)時(shí)刻的流速與流向后，用垂線(xiàn)平均六點(diǎn)法加權(quán)平均法求垂線(xiàn)平均流速：計(jì)算時(shí)要注意，不能簡(jiǎn)單地直接用速度代入這條公式計(jì)算，因?yàn)樗俣仁且粋€(gè)矢量，

5、不同方向的速度是不能累加的。一般的做法是把每一個(gè)速度分為北分量VN和東分量VE，在北分量和東分量分別求垂線(xiàn)平均值，得到的垂線(xiàn)平均流速的北分量和東分量的矢量疊加，就是垂線(xiàn)平均速度。另一種方法是采用積分沿水深平均求解，得出的平均流速為：其中h為總水深。2 摩阻流速與平均流速的相位關(guān)系研究摩阻流速與平均流速隨時(shí)間變化過(guò)程的相位關(guān)系，對(duì)理解和模擬洪水預(yù)報(bào)以及模擬淺海水流、泥沙運(yùn)輸、污染物擴(kuò)散和生物過(guò)程有重要作用。圖3是摩阻流速與平均流速相位關(guān)系比較圖。由圖3可以看出摩阻流速與平均流速，在數(shù)值大小方面，兩者有大致相同的變化趨勢(shì);在相位方面，最大摩阻流速到達(dá)時(shí)間都要比最大平均流速提前一些。由此可

6、見(jiàn)，在一個(gè)潮次中，摩阻流速要先于流速到達(dá)最大值。形成這種相位差的原因是沿水深各層最大流速存在相位差。海底的紊動(dòng)切應(yīng)力較大，因此摩阻流速最先到達(dá)平衡，即較沿水深的平均流速先取得最大值。3 二者的線(xiàn)性擬合關(guān)系李占海指出摩阻流速與中部水層的流速的線(xiàn)性關(guān)系最好，這說(shuō)明中部水層的流速能較好地反映摩阻流速的變化，與表、底層流速的線(xiàn)性關(guān)系較差，其原因與表層流速受風(fēng)和風(fēng)浪的影響較大、底層流速受底床摩擦作用的影響對(duì)整個(gè)水層的加減速反應(yīng)不靈敏有關(guān)。因此，該文將潮流過(guò)程分成漲潮加、減速，落潮加、減速4個(gè)階段對(duì)摩阻流速與平均流速進(jìn)行線(xiàn)性擬合是有實(shí)際意義的。從圖4和圖5可以看出，摩阻流速與平均流速在漲潮加、減

7、速和落潮加、減速階段線(xiàn)性擬合的相關(guān)系數(shù)都比較大，相關(guān)系數(shù)范圍在0.60.9之間，說(shuō)明兩者在各階段的線(xiàn)性相關(guān)性比較高，從給出的摩阻流速與平均流速擬合出來(lái)的線(xiàn)性公式可以看出，斜率k反應(yīng)潮流運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)，截距b反映了潮流的非恒定性。擬合公式也都呈現(xiàn)一定規(guī)律，即潮流處于加速階段時(shí)，公式中的b為負(fù)數(shù)，潮流處于減速階段時(shí)，公式中的b為正數(shù)。因此得出潮流加速時(shí)摩阻流速值往往會(huì)被低估，減速時(shí)被高估。4 結(jié)語(yǔ)該文比較分析了摩阻流速與平均流速的相位關(guān)系以及兩者的線(xiàn)性擬合關(guān)系，得出在一個(gè)潮次中，摩阻流速要先于平均流速到達(dá)最大值。形成這種相位差的原因是沿水深各層最大流速存在相位差，海底的紊動(dòng)切應(yīng)力較大，因此摩阻流速最先到達(dá)平衡，即較沿水深的平均流速先取得最大值。從兩者的線(xiàn)性擬合關(guān)系中得出潮流處于加速階段時(shí)對(duì)數(shù)公式計(jì)算出來(lái)的摩阻流速比實(shí)際的要小，即低估了摩阻流速值，同理得出潮流處于減速階段我們會(huì)高估摩阻流速。參考文獻(xiàn)【1】倪志輝，宋志堯.江蘇西洋海域潮流流速剖面參數(shù)的相位分析J.海洋通報(bào)，20213：1-9.【2】杜曉琴，高抒，汪亞平.潮灘水流加減速階段邊界層流速剖面的比較J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2021，265：10.【3】郝嘉凌.河口海