海岸動力學實驗指示書

1、高等學校實驗教材海岸動力學實驗指示書重慶交通大學河海學院1二00六年十二月目錄、八、-丄前 言 .1.實驗一 波浪三要素測試實驗 .2.實驗二 波浪傳質(zhì)速度實驗 .7.實驗三 波浪傳播淺水變形實驗. 1.0實驗四 波浪作用下的泥沙運動實驗. 1.4實驗五 不規(guī)則波譜分析實驗. 1.8實驗六 岸灘演變演示實驗. 2.1實驗七 波浪與水流相互作用特性實驗. 2.4參考文獻. 2.8.1本海岸動力學實驗教材適用于港口、航道及海岸工程專業(yè)本科生、研 究生使用，也可供相關(guān)專業(yè)科研試驗參考。所列實驗項目基本上概括了海岸動 力學的主要內(nèi)容。本教材著重介紹了波浪要素、波浪的傳質(zhì)速度、波浪傳播淺 水變形和不規(guī)則

2、波產(chǎn)生的過程、現(xiàn)象和量測方法，以及波浪斜向入射破碎后引 起沙質(zhì)岸灘演變、波浪作用下泥沙運動規(guī)律、波浪與水流相互作用特性等，同 時，對儀器設(shè)備使用和測量技術(shù)以及成果整理分析也作了較詳細的敘述，力求 通過上述實驗鍛煉學生的實驗技能 ,使學生掌握實驗內(nèi)容、實驗的基本方法、量 測技術(shù)以及實驗資料整理和分析問題的能力，提高學生的動手能力，培養(yǎng)學生 的綜合實驗?zāi)芰?，為學生從事本學科試驗研究工作奠定基礎(chǔ)。重慶交通大學河海學院二 00 六年十二月2實驗一 波浪三要素測試實驗1. 實驗?zāi)康闹芷?、波高、波長是波浪的三要素。 本實驗是要求學生知道在實驗室如何 來測定這三要素以及影響波高、波長的其它因素采用彌散方程計

3、算其理論值 并與實驗值相比較。波要素測量是一切波浪實驗的基礎(chǔ)，必須要求學生切實學 會這些測量。2. 實驗內(nèi)容(1) 波高儀的使用和率定(2) 記錄儀的使用(3) 波周期 T(秒)的測定(4) 波高(米)的測量(5) 波長(米)的測量3. 設(shè)備(1) 秒表一只(2) 記錄儀一臺(3) 波高儀二套(4) 米尺一根(5) 記錄紙若干(6) 計算器4. 實驗準備工作(1) 初次進行波浪實驗 ,主意聽取實驗教師的課堂講解；(2) 細心熟悉各種不同類型實驗儀器的使用方法；(3) 將水槽充水，水深約 4050 厘米左右；(4) 調(diào)整造波機，使造出的波浪穩(wěn)定，有光滑的波面。35.注意事項(1) 注意用電安全和

4、保護自己；(2) 各種儀器、設(shè)備的電源開關(guān)不能反復(fù)開關(guān)或按壓，以免造成損壞；(3) 波浪周期應(yīng)從大到小，調(diào)整臂應(yīng)從小到大。以免損壞調(diào)速電機和造波 機；(4) 調(diào)整臂調(diào)整時應(yīng)停機進行；(5) 調(diào)整臂為旋轉(zhuǎn)部件，請學生注意安全。6試驗步驟6.1 波周期 T 的測定(1) .秒表測量調(diào)整造波機的推板往復(fù)運動的周期。測量連續(xù)數(shù)十個波所用的時間，求出 每一個波的平均周期= T/(N-1)。(2) .記錄儀測量首先確定記錄紙走紙速度 V，例如確定為每秒鐘記錄紙前進 10 毫米，然后 開動造波機，待波浪穩(wěn)定后(一般十個波峰過后)，開動記錄紙走紙馬達，至少記 錄十個波。例如可在記錄紙上測量出 N 個波形所走的

5、距離 M,便可算出相應(yīng)的波 周期 T。表 1-1 波浪周期記錄表走紙速度 V(米 /秒)波峰數(shù) N(個)距離 M (米)波周期 T=M/(V - (N-1)(秒)6.2 波高 H 的測定波高儀的標定要測波高，必須先對浪高儀進行標定，即求出比例系數(shù)K。一般電阻式波4高儀受溫度影響較大因此每次使用前都要標定。標定是在靜水中進行的。先 將浪高儀測針放入水中大約 1/2.記錄紙前進一點，作為零水位線，然后依次 下降測針 2cm，每次都前進一下記錄紙，下降 810cm 后，再返回零水位處。 依上法再每次上提 2cm，每次都前進記錄紙， 直到上升 810cm然后在記錄 紙上讀出最高線與最低線之差， 例如為

6、 Ncm,則比例系數(shù) K 為：K=8cm / N 或 K=10cm /N。表 1-2 波高儀標定記錄表波峰波谷Ki=8cm / N入水深記錄點偏移出水深記錄點偏移OO22446688注：線性系統(tǒng)的 K 為常數(shù)，且每支傳感器(或通道)均需標定，不可互換。波高的測定有了標定系數(shù) K，測波高就容易了。開動生波機等待波浪穩(wěn)定后記錄波浪,然后在記錄紙上量出波峰與波谷的和 h,則可算得波高：H=Kh(cm)表 1-3 波高標定記錄表EFh=E+FH=K-h注：E波峰高，F(xiàn)波谷高.5(3) 波長的測定假定在波浪槽中放二臺浪高儀的傳感器，它們之間的距離是 L。波浪向前推進時,同一個波峰經(jīng)過前后兩支傳感器的時間

7、差為 to在記錄紙上畫有二條波浪的過程線，波浪過程線上兩波峰的時間跨度即為 to如圖所示：兩條波浪過程線中兩個波峰之差是 t,則 L=C tC 是波速、C=L/T. T 是周期、L 是波長，所以 L=（L /T） t.L= L T/ t表 1-4 波長記錄表 L（米） t（秒）T(秒)L= L / t（米）67. 結(jié)果整理與分析填好上述各表，求出波長的實測值與理論值(通過彌散方程迭代求出波數(shù)k)8. 實驗報告(1) 整理數(shù)據(jù)，填好上面的表格；(2) 將波長的實測值與理論值進行比較，兩者的差別有多大() ,為什么 ?7實驗二 波浪傳質(zhì)速度實驗1. 實驗內(nèi)容、要求本實驗的主要內(nèi)容是測量線性波和非線

8、性波的傳質(zhì)速度，使學生了解線性 波沒有質(zhì)量輸移，而非線性波存在有質(zhì)量輸移，而且主要發(fā)生在近表面處；這 種輸移在近岸裂流和泥沙橫向輸移中有重要意義。2. 實驗?zāi)康囊饬x波浪傳質(zhì)速度即是波浪質(zhì)量輸移速度，是波浪非線性性質(zhì)的重要特性。但 對線性波而言 ,從理論上講，質(zhì)點軌跡是封閉的，故傳質(zhì)速度為零。本實驗就是 證明，在深水情況下，線性波沒有質(zhì)量輸移，而在淺水中非線性波存在質(zhì)量輸 移，并證明波浪的傳質(zhì)速度沿水深是變化的，且仍滿足流量平衡原理。由于波 浪的非線性性質(zhì)主要集中在表面，所以本實驗只測表面?zhèn)髻|(zhì)速度。如果要測量 整個斷兩上傳質(zhì)速度沿水深的分布，必須采用其他方法。因為這些方法過于困 難，這里不在贅述

9、。3. 儀器設(shè)備(1) .規(guī)則波造波機；(2) .秒表，米尺；(3) .記錄儀一臺；(4) .波高儀二套；(5) .塑料泡沫小球若干。4. 實驗準備工作(1) 將水槽充水，水深約 4050 厘米左右；(2) 調(diào)整造波機，使造出的波浪為線性波記下周期和調(diào)整臂的位置；(3) 再調(diào)整造波機 ,使造出的波浪為非線性波，記下相應(yīng)的周期和調(diào)整臂的位置；8(4) 做好塑料泡沫小球，用鐵絲適當增加小球重量，以防小球太輕。5. 實驗步驟(一)調(diào)整造波機的振幅，使之產(chǎn)生較小的波浪 (線性波 )；(1) 選用一個適當大小的塑料小球放入水中；(2) 造波機造波；(3) 待波浪穩(wěn)定后，記下小球在波峰時的位置，同時記下起

10、始時間；(4) 待過 N 個波后再記下小球在波峰 (第 N 個波峰 )處的位置和時間(5) 測量兩個位置之間的距離 L 和歷時 t；(6) 重復(fù)進行步驟(3)(5)。(二)調(diào)整造波機，使之產(chǎn)生較大的波浪 (非線性波 )，并重復(fù) (一)組中的步驟(1) (6)。6. 注意事項在調(diào)整造波機時應(yīng)遵守如下原則：(1).即波周期應(yīng)從大到小，調(diào)整臂應(yīng)從小到大。以免損壞調(diào)速電機和造波 機。(2) .調(diào)整臂調(diào)整時應(yīng)停機進行。(3) .調(diào)整臂為旋轉(zhuǎn)部件，請學生注意安全。七.結(jié)果整理與分析僅測量自由表面?zhèn)髻|(zhì)速度。這種方法簡單易行， 是用目測加秒表進行。 選用一塊適當大小的塑料泡沫 小球放入水中。然后造波機造波，待

11、波浪穩(wěn)定后。立即記下小球所在波峰時的 位置，同時記下其起始時間，待過 N 個波后又記下小球在波峰處的位置，并記 下其終止時間，測量兩個位置之間的距離 L 和歷時則波浪傳質(zhì)速度為：V= L / ( t N)N 要大于 5，最好 5 10 個波9記錄格式為（1）線性波：波周期 T=_ 秒， 波長 L=_ 厘米,波高 H=_ 厘米。表 2-1 線性波實驗記錄表次數(shù)12345平均傳質(zhì) 速度（厘米/秒） t（秒） L（厘米）傳質(zhì)速度（厘米/秒）（2）非線性波：波周期 T=_ 秒，波長 L=_ 厘米,波高 H=_ 厘米。表 2-2 非線性波實驗記錄表次數(shù)12345平均傳質(zhì) 速度（厘米/秒） t（秒） L（

12、厘米）傳質(zhì)速度（厘米/秒）8.實驗報告（1） 填好上面的表格；（2） 比較線性波和非線性波表面質(zhì)量輸移的差別，為什么?10實驗三 波浪傳播淺水變形實驗1. 實驗內(nèi)容、要求波浪傳播淺水變形包括：波浪折射、繞射和破碎等較多內(nèi)容。折射、繞射 需要在較大的港泄中進行波浪破碎可在水槽中進行。本次實驗只在水槽中進 行波浪在人造斜坡上的增水、破碎、減水、爬高等試驗，并將測量的結(jié)果與理 論值進行比較(1) 測量入射波浪周期、波高、波長；(2) 測量破波前的水深，斜坡坡度；(3) 測量破波水深，破波高；(4) 測量破波后的水深及波高；(5) 測量爬高；(6) 記錄入射波、坡波帶、坡波后波浪的過程線；(7) 求出

13、其增、減水值及平均水位分布圖。2. 實驗?zāi)康囊饬x本實驗是一個綜合性實驗。該實驗綜合了波浪行進到岸邊時形態(tài)的變化， 是岸灘演變、泥沙運動，港口、航道淤積的主要原因。要求學生了解波浪在水 深變淺過程中出現(xiàn)的增水、減水、破碎、爬高等現(xiàn)象以及出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因 及其物理機制。并測量出：(1) 破波高與破波水深的關(guān)系；(2) 波浪破碎后的波高、波長與水深的關(guān)系；(3) 波浪爬高。加強學生對波浪及其變形的物理意義與作用機制的認識和理解。3. 儀器設(shè)備(1) 30 米水槽及規(guī)則波造波機；(2) 人造斜坡 (可變坡度 )；(3) 浪高儀 (三臺)；11(4) 直尺；(5) 波形記錄儀等。4. 實驗準備工作(1

14、) 該實驗用的人造斜坡長度至少 3 米，才能觀察到波浪傳播在水深變淺 過程中的變化的全過程；(2) 斜坡坡度要可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同水深和不同周期的波浪；(3) 實驗人員要預(yù)先做好預(yù)備實驗 ,調(diào)整水深，波周期、波高和斜坡坡度。 使斜坡上的波浪能產(chǎn)生明顯的增水、減水、破碎和爬高，且容易測量；(4) 調(diào)整好波形記錄儀；(5) 標定好傳感器及波高儀；(6) 調(diào)節(jié)好適當?shù)膶嶒炈睢?. 實驗步驟(1) 根據(jù)預(yù)備實驗，再次調(diào)整好水深、波周期、波高和斜坡坡度；(2) 記下斜坡與靜水位交點 A(在斜坡水邊上);(3) 記錄儀走紙，記下靜水位位置；(4) 開動造波機造渡，待波浪穩(wěn)定后，測出入射波浪的波要素(T、

15、H、C);(5) 在斜坡上找出破波位置，做好標記，測出該點到水邊線 (A 點)的距離Xb、波高 Hb，水深 hb,并記錄下該處的波浪過程線；(6) 在破波帶以內(nèi)選取一適當?shù)狞c做好標記， 測出該點到水邊線 (A 點)的距 離 Xx、波高 Hx、水深 hx，并記錄下該處的波浪過程線；(7) 找出波浪在斜坡上的最大爬高位置，做好標記并測出最大爬高nmax(8) 根據(jù)各測點的波浪過程線求出其增、減水值和破波指標丫；(9) 畫出平均水位分布圖。126.記錄表格波高儀及傳感器標定系數(shù)：K1=_ ,K2=_K3=_ ,斜坡坡度B=_ 度，坡前水深 h=_ 米。表 3-1 實驗記錄表測量次數(shù)123備注波周期

16、T （秒）波高 H （厘米）破波帶破波高 Hb（厘米）破波水探 hb （厘米）距 A 點距離 Xb （厘米）破 波后波高 Hx（厘米）相應(yīng)水深 hx （厘米）距 A 點距離 Xx （厘米）7.結(jié)果整理與分析（1）.破波指標實驗（2）破波帶上的減水值n（a）在記錄紙上找出靜水位位置；（b）在記錄紙上找出破波帶的平均水位（見圖 3-1）;Y=Hb/hb,理論值Y=(1.406.85tg3,)Y=1.09,將以上結(jié)果加以比較（取三次平均值）當 tg 0.0713（c）由（a）、（b）求得n。（3）.最大爬高實測值:Rmax=(厘米)；理論值：Rmax=(K hb”(1-K) +n(厘米)；式中：K=

17、1/(1+8/32)=0.194Y=0.801比較以上結(jié)果。.利用第步的方法，找出破波后的增水值n；(5) .破波后的波高實測 Hx=(厘米);理論值 HX=Y(h+n)(厘米);比較以上結(jié)果。8.實驗報告(1) 整理試驗成果；(2) 描述波浪傳播在水深變淺過程中的形態(tài)變化14實驗四 波浪作用下的泥沙運動實驗1. 實驗內(nèi)容、要求(1) 觀察泥沙在波浪作用下的運動形式。同河流一樣，泥沙在波浪作用下 形成的沙紋是推移質(zhì)運動的一種方式。沙紋的存在對泥沙運動有極大的影響， 在波浪的作用下尤其如此。河流中的沙紋是不對稱的。在波浪作用下泥沙形成 的沙紋是接近對稱的，隨著波浪水流呈現(xiàn)不對稱性，形成的沙紋也呈

18、現(xiàn)不對稱 性。(2) 觀察并描述在波浪作用下沙紋上泥沙的搬運和輸移方式。沙紋的存在 使波浪作用下的泥沙運動具有非常復(fù)雜的性質(zhì)。當水流強度不大，沙紋背后形 成的旋渦強度不大，不足以使泥沙懸移時泥沙僅沿著沙紋床面作往復(fù)推移。 由于非線性波浪的不對稱性，正向波浪作用時推移距離大于反向波浪作用時的 推移距離，這時泥沙將沿波浪傳播方向產(chǎn)生凈輸移。但當水流強度較大，沙紋 背后形成較強的旋渦時，情況就變得十分復(fù)雜。在一定的條件下泥沙可能逆 著波浪傳播方向而輸移。(3) 觀察并描述在波浪作用下沙紋上泥沙運動的四個階段。2. 實驗?zāi)康囊饬x通過本實驗，使學生認識泥沙在波浪作用下的運動與河流中的泥沙運動不 同。建立

19、凈向位移、凈輸沙率、 泥沙沙紋尺度與波浪要素和泥沙粒徑的關(guān)系 增 強近岸泥沙運動對港口、航道和岸灘演變的影響，加強工程意識。3. 實驗儀器和設(shè)備(1)30 米水槽及規(guī)則波造波機；(2)波高儀 2 支；(3)模型沙，米尺；(4)記錄儀等。4. 實驗準備在上課前由實驗人員在水槽底部鋪設(shè)厚約 5 厘米、至少 5 米長的模型沙并 攤平。調(diào)整造波機，選擇好波要素及適當水深。使該泥沙在波浪作用下運動形 成的泥沙沙紋易于觀測。155. 實驗步驟(1) 恢復(fù)地形；將水槽中模型沙鋪平，測量水深；(2) 啟動造波機， 仔細觀察泥沙運動和沙紋形成的過程， 泥沙云的運動形 態(tài)和波峰、波谷的關(guān)系；(3) 測量波要素；(

20、4) 停止造波機，測量沙紋的波長，波高；(5) 重復(fù)步。6. 注意事項模型沙如采用天然沙，必須預(yù)先將沙洗凈，去掉懸移質(zhì)，以免水槽中的水變得太渾濁而不易觀察。7. 結(jié)果整理與分析(1) 仔細描述沙紋上泥沙云的運動和波浪運動的關(guān)系，分四個階段：(a) 波峰到來階段；(b) 波浪由波峰過渡到波谷轉(zhuǎn)向階段；(c) 波谷階段；(d) 波浪由波谷過渡到波峰轉(zhuǎn)向階段。 以上階段要求用圖形加以說明。(2) 判定輸沙方向 計算：(a) 水流強度系數(shù)1(sh (kh )H 12 sh(kh)式中：?s泥沙比重；匸一水的比重；k 波數(shù) k =2 二/L ；g 重力加速度；D 泥沙中值粒徑；16(b) 厄塞爾參數(shù)U

21、=HL2/h3式中：H 波高；L 波長；h 水深；T 周期；(c)比較當 F0.28U1/4時，泥沙凈離岸輸沙;當 F11HlIIII口libIIIIPI:消：IIilinliiihin11ilI11l!IIVIHIll坡II|l坡!I!lifeIl 1rti imilIId：iIihmll11lIIPIiliIIhiIIIItmll1Nili|life11Ml!IIII11H|41liill|ihIIll11l11PIW|i|iIIliIIIIIIiN11ililhi11ill!liHi im41IIli|ihnill11l11州IIhiil iItnikl11ll41iii|J|I|Iii

22、ftlilliiiiit24實驗七 波浪與水流相互作用特性實驗1. 實驗內(nèi)容、要求本實驗的主要內(nèi)容為水流對波浪外形尺寸的影響。 考慮到實驗的難度， 只 研究規(guī)則波浪和水流同向的情況。至于波浪對流場的影響，由于一般流速儀不 能測往復(fù)流速，本實驗不作研究通過這個實驗，要求學生增強由于水流的存在， 波浪的外形尺寸會有變化， 學會測量和計算波浪的這種改變。2. 實驗?zāi)康囊饬x通常在海上波浪與水流同時存在，在水流較強的區(qū)域，它的影響將不容忽 視。它不僅改變了波浪的尺度及傳播方向，而且由于流場的改變也將影響近、 離岸工程結(jié)構(gòu)的受力狀況。這一點對于在波流共存條件下，如何應(yīng)用 Morison 方程具有重要意義。

23、3. 實驗儀器設(shè)備(1) 能加水流的水槽及規(guī)則波造波機；(2) 波高儀 2 支；(3) 波形記錄儀；(4) 流速儀或電磁流量計。4. 實驗準備工作由于該實驗難度較大，實驗人員應(yīng)做好預(yù)備試驗。調(diào)整好水深、流量及相 應(yīng)的波要素，固定波要素及水深不變，至少應(yīng)有三種流量的實驗數(shù)據(jù)。5. 實驗步驟(1) 調(diào)整水深到預(yù)定水深 h；(2) 按預(yù)先調(diào)整好的波周期、波高造波；(3)測量出沒有水流條件下的波高 Hs,波長 Ls,波周期 Ts 后停止造波；(4) 加水流，先放一小流量 QI，并保持原來水深；25(5) 用流速儀或電磁流量汁測出斷面平均流速u;(6) 造波機造波(保持原定波要素)，測量出波周期 T，波高 H 波長 L 后, 停止造波；(7) 加大流量，并保持原來水深；(8) 重復(fù)步驟;(9) 再加大流量，重夏步驟 (6)。記錄格式：u=0 時：Ts=_秒； Cs=_