海浪观测实验

波浪水槽综合实验

一、实验目的：

1、了解波浪水槽实验的基本原理和理论基础：包括基本造波方法、波浪理论、相似理论和近岸波浪传播现象

2、了解造波机、浪高仪的基本构成和测量原理。

3、 通过实验采集一组波浪信号，分析波浪频谱特征

4、 观测海堤附近波浪现象和越浪形态。

二、实验原理：

1.造波方法和基本波浪理论

自由表面重力波是船舶工程、海洋工程和海岸工程领域十分普遍的现象，配备造波机的波浪水槽是模拟波浪与二维结构物相互作用的常用实验设备。

通过给定造波信号由液压泵或步进电机控制推板运动，在波浪水槽中产生特定波列。距离造波板2-3个波长外可以略去局部非传播模态的影响，可认为水槽中为行进波。在水槽中通过浪高仪可以测量水槽中不同位置的波面时间过程线。水槽中常用测力天平和压力传感器测量水动力载荷。水槽末端设置多孔介质构成的消波区，消除反射波。

图1 波浪水槽示意图

2.相似原理

自由表面重力波的恢复力是重力，进行以重力为主要作用的流动实验通常采用重力相似准则或傅汝德数相似，其定义为/Fr v =，其中为流速，L 为

特征长度，为重力加速度。

v g 波浪断面模型实验一般按重力相似准则设计。 若取几何比尺

/2L p m L L 0

λ==，有关物理模型比尺如下：

时间比尺： 4.47t λ==

速度比尺：

4.47

v λ==

重度比尺： 3

8000W

L λλ==

单宽流量比尺：89.44

Q λ==

式中

为工程原型长度，为模型长度。

p

L m

L 风速模拟通常按重力相似，风速测点位于测量断面上方中心。

3 近岸波浪现象

3.1 线性波浪理论

在平底均匀水深域中，根据势流理论波浪呈周期性分布。单色行波波浪参数包括波浪周期T ，波长L ，波高H 和水深h ，如图2所示。周期、波长和水深满

足色散关系，对于线性波浪其表达式为，

，其中波浪圆频率2tanh gk kh ω=2/T ωπ=，波数2/k L π=。

波高水深比为小量的波浪称为小振幅波，可用线性波浪理论描述，见图

3。波高水深比为有限值的波浪称为有限振幅波，需考虑波幅非线性影响。

/H h /H h

图2 波浪特征参数 图3 小振幅波和有限振幅波

对于水中的自由表面重力波，波浪的传播速度与水深和波长相关。给定水深，不同波长的波浪依不同速度传播。水深波长比是描述波浪色散特性的无量纲参数。满足>1/2的波浪称之为深水波，色散显著，水质点运动轨迹为封闭圆形，如图4。满足<1/20的波浪称之为浅水波，几乎无色散，波浪下水质点运动轨迹如图4。介于深水波和浅水波之间的波浪称为中等水深波。

/h L /h L /h L

图4 深水波、中等水深波和浅水波质点运动轨迹

3.2 非线性波浪和随机波浪理论

当波高水深比为有限值时，需考虑波幅非线性影响，通常采用非线性波浪理论，常用的如三阶Stokes 波浪、五阶Stokes 波浪、椭圆余弦波和流函数波浪理论。典型的浅水非线性波浪如图5。

图5 典型浅水非线性波波面形状

实际海洋中的波浪频率具有一定波谱分布。观测到的频谱形状随风速、风的持续时间和风吹距、风浪的成长阶段、涌浪的存在与否以及地形水深等情况而变化。目前造波机常采用规范谱、PM 谱、布氏谱和JONSWAP 谱模拟实际海洋中的随机波浪。

3.3 常见的二维波浪现象

风是海洋中波浪形成的基本因素，在实验室中开动风洞风机造风也可观察到风浪随风速和风吹距的变化情况。实际海岸带中的波浪传播还受到海底边界层的影响，如图6。海底边界层的存在对泥沙输运具有显著影响。

图6 风浪形成和海底边界层

在水槽中摆放不同的结构物时可观察到波浪的反射和透射现象。图7给出了直墙

前的立波和透水结构附近的透射现象。波浪在缓坡海底上传播会发生波浪浅化现象，波浪变形较小，波浪反射可忽略。当海床底坡较大时，波浪变形较大，波形不对称现象显著，如图8。当波浪变形足够大时，会发生波浪破碎现象，典

型的波浪破碎形态如图9所示。波浪破碎后，波高降低，波能减少。在斜坡堤上，波浪在海堤上还会发生波浪爬高现象，如图10。波浪爬高是设计海堤高程和控制越浪量的重要因素。

射和透射

化和波浪变形

图7 波浪反

图8 波浪浅

图9 典型波浪破碎形态

图

10 波浪爬高

三、实验设备、仪器：

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院波浪水槽长56米、净宽0.8米，净深1.2米，最大实验水深0.8米。水槽配备不规则造波机，可模拟各种给定波谱，最大波高0.4米。水槽配备造风装置，最大风速10米/秒。

四、实验内容：

1 介绍波浪水槽、造波机和波浪采集系统

2 开启风洞风机，观测不同位置波浪形态

3 采用造波机造波，介绍水槽中波浪的基本要素和不同波浪类型，在信号采集系统进行波面采集、波浪谱分析。

4 观测海堤附近各种波浪现象

参考资料

Dean, R.G. and Dalrymple, R.A. 1991 WATER WAVE MECHANICS FOR ENGINEERS AND SCIENTISTS.

Singapore: World Scientific Publishing Co.

俞聿修 2003 随机波浪理论及其工程应用 大连理工大学出版社

赵振兴 何建京 2005 水力学 清华大学出版社