探究光滑斜坡上波浪能量衰减变化规律实验方案设计

2017-09-16谢佳明

科学中国人 2017年20期

关键词：水槽斜坡波浪

谢佳明

重庆交通大学

探究光滑斜坡上波浪能量衰减变化规律实验方案设计

谢佳明

重庆交通大学

防波堤是港口水域的重要建筑物之一，也是港口水域造价最高的建筑物。因此，通过实验研究水深、底坡、波要素等多因素对波浪能量损失影响，以得出有效消除波浪能量的有效方法，从而为防波堤的布设提供参考价值，减少工程造价，对于港口水域建设具有重要意义。本文提出探究光滑斜坡上波浪能量衰减变化规律的一种实验方案，以研究多因素对波浪能量损失影响。

光滑斜坡；能量衰减；方案设计；底坡；波要素

1.实验目的

通过实验，研究不同底坡条件下，同一水槽中固定几点的波浪能量衰减值，以探究底坡变化对波浪能量衰减的影响，为实际工程提供参考。分别改变底坡（改变3组）和波要素（3组），研究这两个因素改变对波浪能量衰减值的影响程度。

2.实验内容

在海岸动力学实验室的水槽内的底板范围内建立坐标原点，并距离坐标原点所确定的y轴一定距离选择有代表性的几点，设置水槽底坡分别为：5度，10度，15度，分别用传感器测量不同底坡情况下，波浪入射前各波浪要素值和波浪入射后所选几点的各波浪要素值，并根据理论公式（斯托克斯2阶波能量随波高及波长变化公式）计算几点处的波浪能量值，进而计算不同水深条件下两点处的波能衰减值。然后在底坡固定的条件下，改变初始波要素值，以探究初始波要素变化对波浪能量衰减的影响。最后利用MAT⁃LAB根据已测数据拟合出两点处的波能衰减值随底坡及波要素变化曲线，以探究底坡及波要素变化对波浪能量衰减的影响，为实际工程提供参考。

3.实验方法

在同一水槽内选择四个固定点，改变底坡，分别把传感器安放在选择的几个固定点位置，以测量这四点位置处的波浪参数，并计算这四点处的波浪能量，进一步计算这四点处的波能衰减值。对比底坡改变前后四点处的波能衰减值，以探究底坡变化对波浪能量衰减的影响。

并尝试在不同底坡条件下，通过多组实验测量多组数据，探究底坡变化对波浪能量衰减值的影响；继而改变造波机转速，从而通过改变初始波要素值以探究波浪能量衰减值随单位底坡变化值相对于波要素改变值的敏感度。从而为实际工程中防波堤的设计提供参考。

图1 实验方案布置图

表1 实验水深记录表

4.实验步骤

（1）实验前的准备工作：固定转轴并计算同一位置处相应高度从而调整底板坡度。

（2）入射前水深的测定：在底板前一定距离处选择一点X，用钢板尺测量该点所在横断面的水深。

（3）传感器的布置：4个传感器按序号顺序（0-3号）距离坐标原点依次排列，本实验只使用固定于X点的2号传感器以测量入射前波要素和移动于A-D点的0号传感器以测量入射后底板上A-D点的相应波浪能量参数。

（4）静水线的测定：当水槽内水静止时，使用多过程跟踪流速仪，测定相应参数，从而标定静水面线为波浪曲线的横轴。

（5）波浪过程线的测定：启动造波机，分别控制造波机转速为300 r/min,400 r/min和500 r/min，从而达到调节初始波浪参数的目的。再分别测量1-4（A-D）点的波能要素值，并分别描绘A、D点的波形图（z-t）变化曲线。并用CAD算出此曲线与横轴所围面积（正负半轴面积）之和。从而计算出比例系数α。α=S2/S1=E2/E1；(其中S2代表波浪入射后波形图与横轴所围面积；其中S1代表波浪入射前波形图与横轴所围面积)运用Stokes二阶断面总波能量公式计算入射波波能E1，从而求得E2。

（6）数据整理与分析：比较同一底坡条件下每次改变波要素时，固定两点（X,D）间的波能损失值，从而探究波要素改变对斜坡上波能损失的影响，并分别描绘相同底坡条件，不同波要素（3组）条件下的波能沿程变化曲线（用A-D点对应波能值）拟合得到。

（7）改变底坡坡度，设置其值分别为5°，10°和15°，探究固定初始波要素前提下，底坡坡度改变时波能损失的影响，并分别描绘相同初始波要素条件下，不同底坡（3组）条件下的波能沿程变化曲线（用A-D四点对应波能值拟合得到）。

（8）关闭实验仪器，结束实验，进一步进行数据处理工作，探索底坡和波要素改变对波能损失的复合影响（求敏感度系数β）。