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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程線的測(cè)定：?jiǎn)?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(guò)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(jī)青.波浪對(duì)斜坡作用力的研究[D].重慶：重慶交通學(xué)院，2005