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波浪正向入射对斜坡作用实验

一、试验目的及意义
波浪正向入射对斜坡的作用力是海岸工程等方面常见的基础问题。但因其作用机理相当复杂，经典波浪理论是基于不可压缩理想流体的势流理论，它反映的是波浪传播过程中的表现，面对波浪对斜坡作用时发生的涡旋，掺气、突变、分汊等复杂现象已经不合适了。
目前，我们无法根据现有理论建立数学力学方程精确求解，再加上对其作用机理没有深刻的认识，也难以应用数值方法计算一般规律。所以国内、外尚未见相关的研究成果，在此领域基本属于一片空白，而工程实践又急需理论指导，有必要对其进行全面的试验研究。
通过卷积波浪正向入射打击斜坡的实验，分析波浪对斜坡的作用力分布及最大压差分布。验理解“波压陡”的概念并拟合出经验公式。
二、试验条件
试验是在实验室内30 m（长）×0．5 m（宽）×1 m（高）水槽内进行的。采用推板式造波机造波，试验用倾斜斜坡应用宽50 cm、厚10 mm 的塑料板制作，斜坡上传感器在波峰波谷间多布置，安装了8支压力传感器，用计算机采集和处理数据。根据当天适时标定显示，量测系统最大相对误差≤1% 。
三、实验方案
1、水深条件
0.1<d/L <0.35
式中，d为水深，L为波长，属于有限水深的范围；
2、波周期
T= 0.8s、1.0s、1.2s、1.4s、1.6s
3、波高
D =6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、
4、采样频率
f = 400 Hz；
5、入射波向角
= 90°
6、斜坡倾角
= 19°
7、测量波周期、波高、水深、对斜坡的压力、波浪在斜坡上的爬高等。
四、实验步骤
（一） 实验准备阶段
1、仪器的检查
对实验设备做检查，确定能否正常工。如电脑、AD板、线路、信号放大器、压力传感器、供电电源等。
接通8个传传感器线路，开启电脑数据采集系统。对每一个传感器进行数据采集，并分析数据的正确性，以确定仪器是否连通及好坏。
2、仪器的安装
由于在仪器检查的时候发现部分原有安装的传感器已经损坏，因此，要对损坏的压力传感器进行更换。去掉已损坏的压力传感器部分线路，接通更换后的压力传感器，重新对8个压力传感器进行编号，确保各线路的正确连通。
考虑压力传感器的测量频率及精度等因素，在每个传感器线路上安装一个100uF的电容，对采集数据的噪声点进行滤波处理。
各压力传感器的线路连通及传感器做相应保护措施以后，重新对各个压力传感器做第一步的仪器检查，确保线路准确，各传感器采集数据正常等。
3、仪器的标定
仪器线路连通及采集数据正确的情况下，对各个传感器进行标定。标定的方法为：
a) 打开电脑中压力传感器标定系统；
b) 将压力传感器探头用橡皮管接到长U型玻璃管一端，另一端与大气压连通；
c) 在U型玻璃管里加水，保持U型玻璃管两端的气压为大气压，密闭U型玻璃管接有压力传感器一头，并对其加压使U型玻璃管两端保持一定的水位差，记录水位差，等待一段时间，观察水位是否变化，确定U型玻璃管标定系统不漏气；
d) 等待U型玻璃管两端水位持平，记录压力传感器0值（本实验以大气压为零点）；
e) 改变压力传感器探头一头的气压，U型玻璃管两端保持一定的水位差，结合系统数据采集进行标定，加压通常是等间距加压，并且是从小到大，再从大到小的一个往返加减压力过程。
表1 各传感器标定时的K值
传感器编号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
8#
K值编号
K(0)
K(1)
K(2)
K(3)
K(4)
K(5)
K(6)
K(7)
K值
0.8346
0.8657
0.8139
0.8338
0.9180
0.8404
0.8369
0.8344
（二） 实验测量阶段
1、实验前仪器的校正
压力传感器测量精度较高，对传感器摆放位置及大气压的变化反应比较敏感。且因标定时是套在橡皮管里且方向朝上和时间不同等因素，在准备测量前应对压力传感器进行校正。
校正的方法与前面压力传感器标定时有所不同。在标定的过程中，主要是通过测量数据来确定各个传感器电压值与压力值的转换关系，即定出对应的斜率及初值。而在此阶段，主要是标定零点。因此，将压力传感器安装到斜坡上以后，通过电脑数据采集，验证各个传感器采集的数据是否接近零点，若不接近，则对相应的传感器初值进行调整，直到各个传感器采集到的数据在大气压力下接近零点为止。
2、实验测量程序
对实验各仪器校正好以后，将斜坡板放到水槽里，安置好后就可放水试水。
在实验的过程中，实验条件的各波要素是通过调节水深、造波机推行速度、造波机转动频率等来控制的。
根据实验方案，调节水深、造波机推行速度、造波机转动频率，并观察波浪在卷积打击斜坡时的效果是否明显。若不明显，则要对造波机推行速度、造波机转动频率进行调节；若打击明显，则要查看打击处，即卷积波下落打到斜坡处，是否正好打击到压力传感器，可对水槽进行放水或加水（增加或减小水深），来调节打击点。以观测到波浪斜向入射打击斜坡时，压力最大值。
反复调节水深、造波机推行速度、造波机转动频率等，观测25组数据。

五、实验数据分析
（一）斜坡布置及结果图

（二）实验测量数据
1、流浪打击斜坡时传感器实测数据

2、流浪打击斜坡后静水压力

3、最大压力分布图

3、正向波压力与负向波压力分析图
T=0.86s, H=0.421m 时，各传感器正向波压力与负向波压力图。为A9，A10和A14组实验对比分析：

T=1.1s, H=0.428m时，各传感器正向波压力与负向波压力图。为A3，A5，A6，A12，A21和A22组实验对比分析：

T=1.25s, H=0.431m时，各传感器正向波压力与负向波压力图。为A2，A4，A7，A11，A16和A19组实验对比分析：

T=0.93s, H=0.425m时，各传感器正向波压力与负向波压力图。为A13，A24，和A25组实验对比分析：

4、正向波压陡与负向波压陡分析图
T=0.86s, H=0.421m 时，各传感器正向波压陡与负向波压陡图。为A9，A10和A14组实验对比分析：

T=1.1s, H=0.428m时，各传感器正向波压力与负向波压力图。为A3，A5，A6，A12，A21和A22组实验对比分析：

T=1.25s, H=0.431m时，各传感器正向波压陡与负向波压陡图。为A2，A4，A7，A11，A16和A19组实验对比分析：

T=0.93s, H=0.425m时，各传感器正向波压陡与负向波压陡图。为A13，A24，和A25组实验对比分析：

5、波压陡与波陡关系分析图

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作者签名:
二〇一〇年九月二十日

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作者签名:
二〇一〇年九月二十日
致 谢

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