謝佳明

重慶交通大學(xué)

探究光滑斜坡上波浪能量衰減變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

謝佳明

重慶交通大學(xué)

防波堤是港口水域的重要建筑物之一，也是港口水域造價(jià)最高的建筑物。因此，通過實(shí)驗(yàn)研究水深、底坡、波要素等多因素對(duì)波浪能量損失影響，以得出有效消除波浪能量的有效方法，從而為防波堤的布設(shè)提供參考價(jià)值，減少工程造價(jià)，對(duì)于港口水域建設(shè)具有重要意義。本文提出探究光滑斜坡上波浪能量衰減變化規(guī)律的一種實(shí)驗(yàn)方案，以研究多因素對(duì)波浪能量損失影響。

光滑斜坡；能量衰減；方案設(shè)計(jì)；底坡；波要素

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過實(shí)驗(yàn)，研究不同底坡條件下，同一水槽中固定幾點(diǎn)的波浪能量衰減值，以探究底坡變化對(duì)波浪能量衰減的影響，為實(shí)際工程提供參考。分別改變底坡（改變3組）和波要素（3組），研究這兩個(gè)因素改變對(duì)波浪能量衰減值的影響程度。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在海岸動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的水槽內(nèi)的底板范圍內(nèi)建立坐標(biāo)原點(diǎn)，并距離坐標(biāo)原點(diǎn)所確定的y軸一定距離選擇有代表性的幾點(diǎn)，設(shè)置水槽底坡分別為：5度，10度，15度，分別用傳感器測(cè)量不同底坡情況下，波浪入射前各波浪要素值和波浪入射后所選幾點(diǎn)的各波浪要素值，并根據(jù)理論公式（斯托克斯2階波能量隨波高及波長變化公式）計(jì)算幾點(diǎn)處的波浪能量值，進(jìn)而計(jì)算不同水深條件下兩點(diǎn)處的波能衰減值。然后在底坡固定的條件下，改變初始波要素值，以探究初始波要素變化對(duì)波浪能量衰減的影響。最后利用MAT?LAB根據(jù)已測(cè)數(shù)據(jù)擬合出兩點(diǎn)處的波能衰減值隨底坡及波要素變化曲線，以探究底坡及波要素變化對(duì)波浪能量衰減的影響，為實(shí)際工程提供參考。

3.實(shí)驗(yàn)方法

在同一水槽內(nèi)選擇四個(gè)固定點(diǎn)，改變底坡，分別把傳感器安放在選擇的幾個(gè)固定點(diǎn)位置，以測(cè)量這四點(diǎn)位置處的波浪參數(shù)，并計(jì)算這四點(diǎn)處的波浪能量，進(jìn)一步計(jì)算這四點(diǎn)處的波能衰減值。對(duì)比底坡改變前后四點(diǎn)處的波能衰減值，以探究底坡變化對(duì)波浪能量衰減的影響。

并嘗試在不同底坡條件下，通過多組實(shí)驗(yàn)測(cè)量多組數(shù)據(jù)，探究底坡變化對(duì)波浪能量衰減值的影響；繼而改變?cè)觳C(jī)轉(zhuǎn)速，從而通過改變初始波要素值以探究波浪能量衰減值隨單位底坡變化值相對(duì)于波要素改變值的敏感度。從而為實(shí)際工程中防波堤的設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案布置圖

表1 實(shí)驗(yàn)水深記錄表

4.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作：固定轉(zhuǎn)軸并計(jì)算同一位置處相應(yīng)高度從而調(diào)整底板坡度。

（2）入射前水深的測(cè)定：在底板前一定距離處選擇一點(diǎn)X，用鋼板尺測(cè)量該點(diǎn)所在橫斷面的水深。

（3）傳感器的布置：4個(gè)傳感器按序號(hào)順序（0-3號(hào)）距離坐標(biāo)原點(diǎn)依次排列，本實(shí)驗(yàn)只使用固定于X點(diǎn)的2號(hào)傳感器以測(cè)量入射前波要素和移動(dòng)于A-D點(diǎn)的0號(hào)傳感器以測(cè)量入射后底板上A-D點(diǎn)的相應(yīng)波浪能量參數(shù)。

（4）靜水線的測(cè)定：當(dāng)水槽內(nèi)水靜止時(shí)，使用多過程跟蹤流速儀，測(cè)定相應(yīng)參數(shù)，從而標(biāo)定靜水面線為波浪曲線的橫軸。

（5）波浪過程線的測(cè)定：啟動(dòng)造波機(jī)，分別控制造波機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min,400 r/min和500 r/min，從而達(dá)到調(diào)節(jié)初始波浪參數(shù)的目的。再分別測(cè)量1-4（A-D）點(diǎn)的波能要素值，并分別描繪A、D點(diǎn)的波形圖（z-t）變化曲線。并用CAD算出此曲線與橫軸所圍面積（正負(fù)半軸面積）之和。從而計(jì)算出比例系數(shù)α。α=S2/S1=E2/E1；(其中S2代表波浪入射后波形圖與橫軸所圍面積；其中S1代表波浪入射前波形圖與橫軸所圍面積)運(yùn)用Stokes二階斷面總波能量公式計(jì)算入射波波能E1，從而求得E2。

（6）數(shù)據(jù)整理與分析：比較同一底坡條件下每次改變波要素時(shí)，固定兩點(diǎn)（X,D）間的波能損失值，從而探究波要素改變對(duì)斜坡上波能損失的影響，并分別描繪相同底坡條件，不同波要素（3組）條件下的波能沿程變化曲線（用A-D點(diǎn)對(duì)應(yīng)波能值）擬合得到。

（7）改變底坡坡度，設(shè)置其值分別為5°，10°和15°，探究固定初始波要素前提下，底坡坡度改變時(shí)波能損失的影響，并分別描繪相同初始波要素條件下，不同底坡（3組）條件下的波能沿程變化曲線（用A-D四點(diǎn)對(duì)應(yīng)波能值擬合得到）。

（8）關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，探索底坡和波要素改變對(duì)波能損失的復(fù)合影響（求敏感度系數(shù)β）。

5.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式大多是考慮平底時(shí)，波浪傳播過程中的能量損失。而本實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于考慮了既有斜坡，又改變初始波要素時(shí)，能量損失和水深以及周期之間的關(guān)系；并且本實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)確研究波能損失規(guī)律，定義了波能衰減率的概念，探究了底坡和波要素對(duì)于波浪能量衰減的影響，從而較為準(zhǔn)確地研究了光滑斜坡上波浪能量衰減變化規(guī)律。

[1]徐績青.波浪對(duì)斜坡作用力的研究[D].重慶：重慶交通學(xué)院，2005