实验讲义1

实验一波浪实验简介
一、实验目的
1. 了解模型试验的目的及种类；
2. 了解波浪实验的主要设备和主要仪器；
3. 了解海岸工程水力模型试验要求。

二、实验原理
港口、海洋工程建筑物一般位于近海地区，经常受到波浪、水流等海岸动力因素的作用。

因此，在港口建设中规划其平面布置、设计各种海洋工程建筑物、防浪建筑物时，都必须掌握海洋动力因素的变化规律，预计可能发生的对建筑物的作用力。

研究解决此类问题，一般采用数学模型和物理模型两种方法。

数学模型的方法，变换条件容易，节省人力和经费等优势；但由于有些实际工程问题，所涉及到的自然现象和边界条件比较复杂，由此带来的计算技术方面的问题是相当困难和复杂的；
物理模型的方法，它是将原型有关的动力因素，根据相似原理，通过比尺的缩小，使原型有关现象在模型中复演，比较直观，以便进行研究。

1. 模型试验的目的
（1）对于难以计算的问题，提供设计依据；
（2）验证应用理论的正确性；
（3）寻找规律、发现理论的解答；
（4）配合数值计算解决问题。

2. 模型试验的种类
根据试验任务不同，可选用不同的模型来满足试验要求。

（1）整体、半整体模型试验；
（2）断面模型试验；
（3）正态、变态模型试验；
（4）动床、定床试验。

3. 试验用的主要设备
港口、海洋工程建筑物的水力模型试验，主要设备是港池、水槽、造波机及造流系统。

（1）港池平面尺寸长50 m、宽8 m、深1m。

前端有不规则造波机、出流口，后端有出流口、消能坡、消能网，主要用于整体模型试验。

（2）水槽平面尺寸长47 m、宽1 m、深1.3m。

前端有不规则造波机、出流口，后端有出流口、消能坡、消能网，主要用于断面模型试验。

（3）造流系统包括在港池和波浪槽的前端、后端、留有水流出口，并匹配加流设备（泵、阀门、管系）使水流方向与波浪方向正向或反向，用以模拟波流共同作用试验研究。

（4）造波机安放在港池、水槽的前端，作为人工模拟波浪，造波机能造规则波和不规则波。

4．试验用的主要仪器
（1）水面波动的测量：《CBY-Ⅱ型波高测量控制系统》
（2）流速测量：《LGY—Ⅲ型多功能智能流速仪》，《小威龙流速仪》
（3）力的测量：《CSW-Ⅱ型压强和总力测量系统》，《压力传感器》《LY－100型多点压力仪》《DJ800多功能监测系统》
5．海岸工程水力模型试验要求
（1）对整体模型试验的要求
整体模型试验应采用正态模型，模型比尺不应小于1:150。

（2）对斜坡堤断面模型试验的要求
斜坡堤断面试验应采用正态模型，模型比尺不应小于1:40。

（3）对直立堤断面模型试验的要求
模型比尺不应小于1:40，模型在水槽中放置位置应满足距造波板的距离大于6倍波长的要求。

（4）对桩、墩式建筑物模型试验的要求
波浪与桩、墩式建筑物的相互作用，一般按重力相似模拟。

模型比尺不应小于1:60。

三、讨论
实验二波浪要素测定
一、实验目的
1.观察实验槽中各种波浪现象，加深对波浪运动的感性认识；
2.掌握测量浅水推进波和立波的波浪要素，加深对波浪理论的理解。

二、实验仪器及设备
实验水槽、造波机、卷尺、秒表
三、实验原理
1.波浪
波浪是一种波动现象，是一种水质点振动与传播的现象。

波浪现象的基本特征是水体自由表面作有规律的起伏波动，水质点作往复振荡运动。

产生波浪的原因很多，风、地震、爆炸、滑坡、行船、造波机等。

2.波浪的分类
（1）按液体波动时质点移动的性质可分为：
推进波—质点沿着封闭的轨迹运动；
立波—原始推进波和反射波叠加后生成的波，也称为驻波。

（2）按水流底部是否对波浪有影响可分为：深水波和浅水波。

（3）波浪要素是否随时间改变可分为：规则波和不规则波。

3.波浪要素
波峰：在静水面以上的波浪部分（水面以下波谷）
波顶：波峰的最高点（最低点波底）
波高：波顶与波底间的垂直距离（H）
波长：两相邻波顶（波底）间的水平距离（L）
波浪周期：波顶向前推进一个波长所需要的时间（T）
波浪中线：等分波高的水平线，一般在静水面以上，其超出的高度成为超高
四、实验内容
1.观察浅水推进波波动现象；
2.测量浅水推进波三组实验数据、立波一组实验数据；
测量：波高、周期、波长、水面超高；
五、实验数据
（1）已知数据
实验槽宽b= 厘米
水深= 厘米
六、实验报告内容要求
1. 将实验数据填入上述表内，用实验周期计算理论波长将理论值与实测值进行比较分析。

2．对本次实验进行讨论。

实验三流速测定
一、实验目的
1.学会用各种方法测量流速值；
2.学会使用流速测量仪器
二、实验仪器及设备
实验水槽、造流系统，LGY—Ⅲ型多功能智能流速仪
三、测量方法介绍
1.漂浮法
将比重较小的纸片、软木块、腊皮或铝粉等放在水流中，使其随水漂浮，并且每经过一定时间间隔，连续测记它们的位置或拍摄它们的轨迹，这样即可测出表面流速。

2.毕托管
水在流动过程中总是遵循机械能转化与守恒定律，但对每一种具体的水流情况，它们之间究竟怎么发生转化，这就取决于水流的具体的边界条件。

当水流受到迎面物体的阻碍，被迫向周边分流时，在物体表面上受到水流顶冲的A点（如图示）所示水流的流速为零，叫做水流的驻点。

在驻点处的水流的动能全部转化为压能。

简单的毕托管就是一根弯称90度的开口的细管。

测量某点的流速时，将弯管的一端放在A点，正对来流方向，如图5－12所示。

这时由于受水流顶冲，管内的水面上升至H高度。

A点为驻点，H包括了A点在未受毕托管阻碍时动水
压强水头P A/g与该点的动能转化而成的压能，即A点的流速水头U A2/2g ，这
样
2
2g
U
P
H A
A+
=
γ
;如果把A点原来的动水压强水头
γ
A
p
P
H=也测出来，则
u
A
P
A
u
gh
u
H
H
g
u
h2
2
2
=
-
=
=
3.流速仪
目前实验室一般用旋浆光电流速仪如《LGY—Ⅲ型多功能智能流速仪》，激光流速仪如《小威龙流速仪》。

四、实验内容
用《LGY—Ⅲ型多功能智能流速仪》测实验水槽的流速
五、实验报告内容要求
1.写出实验中测定流速的方法；
2.将实验数据填入上述表格中，分别画出水平和垂直面上的流速分布图，对结果进行讨论。

实验四不规则波浪要素测定
一、实验目的
1.观察不规则波波浪现象；
2.学会测量不规则波波浪要素；
3.学会使用不规则波造波程序。

二、实验仪器
实验水槽、造波机、计算机
三、实验原理
自然界中，海面上的波浪都是高高低低、长长短短、此起彼伏、瞬息万变的。

但经过仔细分析和统计大量观测资料后，人们发现海浪是一种随机现象，具有统计规律，可以利用概率统计理论进行研究，这种理论称为随机波浪理论。

随机波浪对海工结构物的作用比较复杂，因此对此类研究也是非常重要的。

既然海浪视为平稳的随机过程，不仅可以从海浪外在表现研究其特征，得出前述各种海浪要素的概率分布，而且也可以从海浪内部结构上研究其特征，进行谱分析，用一个非随机的谱函数描述。

所谓谱分析就是阐明海浪的能量相当于波浪频率、波浪传播方向或其它独立变量的分布规律，建立其函数关系。

实验中模拟不规则波Jcnswap谱。

海面波动的时间过程
四、实验内容
1.不规则波造波程序介绍
2.输入实验数据，水深、波高（有效波高H1/3）、周期（有效周期T=1.15T(平均)）等。

四、实验报告内容要求
1.整理实验数据；
2.谈谈你对实验的体会。