一种双溃坝模型模拟多形式复合海啸涌波的方法和系统与流程

本发明属于海啸涌波研究，尤其涉及一种双溃坝模型模拟多形式复合海啸涌波的方法和系统。

背景技术：

1、海啸涌波因其强烈的破坏性而成为海岸工程与灾害防治领域的研究热点。当多道海啸波连续到达并相互叠加时，其复合效应往往会进一步放大灾害影响。因此，在实验室中真实再现复合海啸涌波，并定量评估其对海岸结构物的作用，具有重要的科学意义和工程价值。

2、目前，溃坝法是实验室生成海啸涌波最常用的方法之一，其原理基于水力学中的非恒定流理论，通过快速开启闸门释放水库水体来模拟涌波。然而，传统的单溃坝方法仅能生成单一涌波，无法模拟实际海啸中多波叠加或“先退后涨”的复杂波形。针对这一问题，文献号cn 121496878 a的中国专利中提出了一种用于生成复合海啸的快速溃坝装置，通过先后开启两个闸门实现涌波耦合，为复合海啸的物理模拟提供了硬件基础。然而，该申请主要聚焦于溃坝装置的机械结构设计与闸门的快速提升实现，未揭示波形类型的可控生成条件，也未建立涌波强度与水深比之间的定量控制模型。

3、在数值模拟方面，文献号cn119249953b的中国专利中提出了一种isph结合修正的k-ε湍流模型模拟常规波浪作用下结构物周围泥沙侵蚀的方法。然而，该申请主要针对常规波浪条件下的泥沙侵蚀数值模拟，未涉及复合海啸涌波的生成、传播及爬坡过程的数值模拟，也未建立复合涌波强度与波形形态之间的对应关系。

技术实现思路

1、针对上述不足，本发明提出一种双溃坝模型模拟多形式复合海啸涌波的方法和系统。旨在通过建立水深比与波形类型的明确对应关系、推导输入弗劳德数与涌波强度的定量关联，并引入改进的isph数值模型与动量通量评估方法，完整解决复合海啸涌波的“可控生成—动态验证—定量评估”问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一方面是：一种双溃坝模型模拟多形式复合海啸涌波的方法，方法步骤如下：

4、s1，构建双溃坝物理模型：在实验水槽一端设置一沙坡岸滩，另一端设置第一闸门和第二闸门，并将水源依次划分为下游静水区、第一水库和第二水库，其中下游静水区水深为，第一水库水深为，第二水库水深为，且满足，或；

5、s2，生成复合海啸涌波：通过调节闸门两侧的初始水深比来精确控制输入弗劳德数，从而模拟不同强度的涌波流态：

6、首先开启第一闸门释放第一水库中的水体，生成第一道海啸涌波，间隔预定时间后开启第二闸门释放第二水库中的水体，生成第二道海啸涌波，两道涌波在传播过程中发生叠加，形成复合连续涌波或n型涌波；

7、s3，采集实验数据：利用数据采集单元采集涌波的自由表面高程时间历程、瞬时流速及爬升高度；

8、s4，建立双溃坝数值模型：基于不可压缩光滑粒子水动力学isph方法，建立与物理模型相对应的二维数值水槽模型，采用修正的湍流闭合模型求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程，通过引入应力限制系数和梯度修正动态稳定格式，抑制非物理湍流并减少数值耗散；

9、s5，数值模拟与验证：利用所述isph数值模型模拟复合海啸涌波的生成、传播、爬坡和回落过程，将数值模拟结果与物理实验数据进行对比验证，包括：对比数值模拟与物理实验的自由表面高程时间历程、流速时间历程，以及涌波爬升高度的测量值与经验公式预测值。

10、进一步的，步骤s2中，形成复合连续涌波或n型涌波是通过控制闸门开启条件实现的，采用弗劳德数对瞬变自由表面流动进行分析：

11、判定闸门两侧水面高度差，定义涌波强度计算公式为：

12、

13、当f > 1时，形成正向推进的涌波；

14、式中，为涌波波前速度，取溃坝水流前锋速度或断面平均流速；为静水区长波波速，为重力加速度；

15、涌波强度与涌波后的水深、流速关系式为：

16、

17、

18、式中，为涌波后的流速，为涌波波后区域的水体水深，为水槽中的静水深度，为涌波波速。

19、进一步的，根据特征线理论，从水库静水区发出的正特征线满足黎曼不变量守恒，此时，闸门两侧的水深比与涌波强度的函数关系为：

20、

21、进一步的，步骤s2中：所述复合连续涌波的生成条件为：，第一道涌波与第二道涌波先后到达斜坡岸滩并发生叠加；所述n型涌波的生成条件为：，第一闸门开启时静水区水体先回落至第一水库，随后第二闸门开启形成水面先下降后上升的波形。

22、进一步的，所述复合涌波至少包括两种强度不同的涌波组合。

23、进一步的，所述方法还包括：基于isph数值模型的动量通量离散表达式，计算坡脚处涌波的动量通量：

24、

25、其中为粒子质量为粒子沿坡面方向的速度分量，用于定量评估复合涌波的动力强度。

26、进一步的，在近岸非衰减涌波条件下，涌波的最大爬升高度与初始输入涌波强度保持稳定的正相关关系，之间的关系式为：

27、

28、另一方面是：一种双溃坝模型模拟多形式复合海啸波的系统，包括：

29、一个双溃坝物理模型单元，用于生成多形式复合海啸涌波，所述双溃坝物理模型单元包括：

30、物理实验水槽，其下游端设置有斜坡岸滩；

31、第一闸门，设置于所述实验水槽中，位于所述斜坡岸滩的上游，用于将实验水槽分隔为下游静水区和上游水库区；

32、第二闸门，设置于所述上游水库区，用于将上游水库区进一步均匀分隔为第一水库和第二水库；

33、所述第一闸门和第二闸门分别连接有闸门控制装置，用于控制两个闸门的开启时序、开启速度和开启高度；

34、数据采集单元，设置于所述实验水槽及斜坡岸滩上，用于采集涌波的波高、流速及压力参数；

35、isph数值模拟单元，用于建立与所述双溃坝物理模型单元相对应的二维数值水槽模型，并基于不可压缩光滑粒子水动力学isph方法对复合海啸涌波的生成与传播过程进行数值模拟。

36、进一步的，所述的物理实验水槽总长度为33.4m，宽1.5m，高2m，水槽下游端设置沙子斜坡，斜坡岸滩长5米，坡度为1:25，采用粒径为0.18mm的沙子铺设而成，第一闸门设置在斜坡岸滩上游8.4米处。

37、进一步的，所述二维数值水槽模型的总长度为33.6m，高1.1m，斜坡岸滩设置在水槽下游端，其坡度为 1:25，数值粒子的直径分别设置为0.01和0.005，时间步长范围控制在到，分别使用20核和40核运行，分别在坡脚和距坡脚6m、10.3m、13.3m的斜坡岸滩上设置多个数值波高测点，在坡脚处设置数值流速测点，用于在模拟过程中收集对应位置的流速数据。

38、本发明的有益效果是：

39、1.实现复杂海啸波形的可控物理模拟：本发明通过设置双闸门及三个不同水深区域，并控制闸门依次启闭，能够生成复合连续涌波及n型涌波。相比传统单溃坝方法，可更真实模拟实际海啸中多波次叠加或先退后涨的复杂过程。

40、2.提供明确的波形生成条件：根据水深关系（或），可分别稳定获得复合连续涌波或n型涌波，使实验方案具有高度可控性和可重复性。

41、3.提升了数值模拟精度与稳定性：基于改进的isph方法，引入修正的湍流模型、应力限制系数λ3及梯度修正动态稳定格式，有效抑制非物理湍流和数值耗散，显著提高海啸涌波生成、传播及爬坡过程的模拟精度。

42、4.物理实验与数值模拟双向验证：综合利用高精度实验数据（自由表面高程、流速、爬高）与isph数值模型进行对比验证，既增强了数值结果的可靠性，也为揭示物理实验中难以观测的流场细节提供手段。