立波波压力测定实验报告

大学 海洋工程环境 实验报告

实验日期： 2011年5月16日 成绩：

班级： 学号： ： 教师： 同组者：

立波波压力测定实验

一、实验目的与基本原理

1. 实验目的

通过实验增加学生对立波的感性认识，了解波浪反射的工作特性，从波浪理论可知波浪正向入射到光滑不透水直墙时，反射波与入射波的波要素绝对值相等，两者完全叠加产生稳定的立波。立波的特性是周期T 和波长L 不变，波高H 增加一倍，相应的波压力也大大增加。要求学生学会反射系数和波压力的测量方法，培养学生的实际动手能力和通过实验手段验证波压力计算方法的能力。

2. 实验原理 ⑴ 入射波高测量；

⑵ 立波波高测量及计算反射系数；

⑶ 观察立波波腹及波节出现的位置并做好记录； ⑷ 在直立墙上沿高程布置压力传感器，测量波压力分布。

二、实验

1. 实验过程

⑴ 准备:准备一块木板，其宽度应与水槽宽相适应，作为直立防波堤，沿高度方向每隔5cm 钻一个孔作为安装压力传感器用，板的长度要适应。

⑵ 对波高仪和压力传感器进行标定，求出各自的标定系数K 、a 、b 。 ⑶ 在没有放置板的条件下，测量入射波高为H i ，然后放入再测量立波波高为H r ，然后计算反射系数。

⑷ 波压力测量:

波压力沿水深的分布是不同的，有波浪理论可知，波压力：

Pz=-ρ·g ·z ﹢

2

1

ρ·g ·H ·

(){}()()θcos c h k ch h z k h •+

式中：ρ——水密度；

g——重力加速度；

k——波数；

θ——相位角；

h——静水水深；

z——水面下深度。

+，然后与计算值比但是波压力呈周期性变化，其最大值为波峰时的压力P

z

较绘出压力沿水深分布与静水压力分离出来得到波峰和波谷时波浪动水压力沿水深的分布曲线。

2. 实验结果

传感器的标定：压力传感器标定系数a= 5327.8 ，b= -6044.5 （b

=）

⋅

U

P+

a

波高传感器标定系数K= 4.14 （物理波高h

H⋅

=，h为波浪过程线波高

K

/V）；

入射波：波周期T= 2.181 秒，波长L=3.149 米，波高H= 2.19 厘米。

立波：波周期T= 2.145 秒，波长L= 3.14 米，波高H= 6.38 厘米。

⑴实验数据

表1 波高仪标定记录表

表2 压力传感器标定

表3 波高记录表

由以上数据可以看出，入射波的波高比立波的波高差很多，实际上应该是立波波高是入射波波高的2倍，造成此原因可能是波高仪的位置不在波腹处而在其他处。

表4 波压力记录表

max U /mv

1.38 1.47 1.57 1.59 min U /mv

1.27

1.37

1.46

1.48

测定值+

z P

(b U a P z

+⋅=+m ax )

1307.864 11787.366

2320.146 2426.702

测定值-

z P

(b U a P z +⋅=-

min )

721.806

1254.35 1734.088 1840.644

(2)理论值计算 由公式(){}()

θρρcos 21g -h k ch h z k ch H g z P Z ⋅+⋅⋅⋅+

⋅⋅=可以算出不同位置处的压力值，记录于表5 波压力记录表。

(3)波压力和静波压力沿水深分布的曲线图

图1 波压力沿水深分布的曲线图

图2 静波压力沿水深分布的曲线图

(4)不同水深时波压力波形图

图3 水深为0.065m处波压力波形图

图4 水深为0.115 m处波压力波形图

图5 水深为0.165m处波压力波形图

图6 水深为0.215m处波压力波形图

(5)画出波幅、波节图，并说明为什么

图7 波幅波节位置图

原因：波腹位于距挡板0、L/2、L ···处；波节位于距挡板L/4、3L/4、5L/4···处。因为，向右推进的波和向左推进的波波幅，波数，波频相同仅仅是方向相反。向右推进的波和向左推进的波的波面方程相加后得到立波波面方程，其中向左推进的波是向右推进波的镜像，其两者初始相位相差π。所以波腹波节的位置如上所示。

三、实验结果分析、讨论

（1）由波压力实测结果与理论计算结果

-2

-1.5 -1 -0.5 0

0.5 1 1.5 2 -2

-1.75

-1.5

-1.25

-1

-0.75

-0.5

-0.25 0 x/L

h/a

表5 波压力记录表

（2）实验误差分析

由记录表中所计算的结果可知，实验值和理论值存在一定的误差，出现误差的原因可能是：

①波高仪的位置不是波腹处，而是接近波节处，使得测出的立波波高比入射波还小；

②入射波并不能完全反射，所以所测得的立波周期与波长与入射波比有些不同；

③压力传感器比较灵敏，而现场的干扰又比较多，所以对所测数据有比较大的影响；

④由于上述误差，使得在计算理论压力值时，一些误差被放大跌加，在最终结果中产生了更大的误差。

四、实验心得

在此次实验中，我们重新温习了实验仪器设备的使用方法以及对数据的处理。在实验中，观察到立波的产生，对立波有了更加直观的认识，同时对立波的特点有了更好的了解。