(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210537497.5 (22)申请日 2022.05.18 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 申请人 中国电建集团华 东勘测设计 研究院 有限公司 (72)发明人 陈占杰　唐国强　吕林　滕云飞　 乔东生　王滨　高山　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/56(2006.01)G01N 3/24(2006.01) G01M 10/00(2006.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明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。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 114878310 A 2022.08.09 CN 114878310 A 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 得到的力进行求平均值， 获得 水平力； 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： 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； 两种条件下， 均获得床面 最大剪应力 τmax， 得出无量纲床面摩擦系数fw； 式中， ρ 表示水体的密度； U∞为边界层外的最大流速， fw为无量纲的底摩阻系数。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114878310 A 2一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 技术领域 [0001]本发明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。 背景技术 [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ks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Uf， 再通过公式(3)计算得 到床面剪应力 τ。 [0008] [0009] 说　明　书 1/5 页 3 CN 114878310 A 3