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1、中国石油大学海洋环境实验报告实验日期： 2013.12.10 成绩： 班级： 海油 11-2 班 学号： 11022106 姓名： 祁晓 教师： 刘志慧 同组者：杨凡、王玉亭、李贺、李金岩等。 具体实验内容：格式样板如下，字体均用宋体。立波波压力测定实验一、实验目的与要求1.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，两者完全迭加产生稳定的立波。2.掌握立波波高测量方法；了解立波特性及产生的条件；掌握 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。二、实验内容1.入射波 高 测量；2.立波 波高 测量及计
2、算 反射系数 ；3.观察立波 波腹及波节 出现的位置并作好记录；4.在直立墙上沿 高程 布置压力传感器，测量波压力分布。三、实验原理立波的特性是 波周期 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。1.反射系数的计算：若测量入射波高为 ，测量立波波高为 ，则反射系数 的计算公式为： Kr=Hr/Hi iHrHrK2.波压力的理论计算：波压力沿水深的分布是不同的。由波浪理论可知，波压力： )cos()()5.0( hkzcgzgPz 式中： 水密度； 重力加速度；. 波数；k 相位角； 静水水深；h 水面下深度。z波压力呈周期性变化，其最大值为波峰时的压力 ，最小值
3、为波谷时的压力 ；zPzP另一方面波压力又是水面下深度 z 的函数。3.水下动态波压力传感器线性输出，水压 P 与电压 U 的关系为：注意:此处水压、电压单位均为国际单位UP*2四、实验设备1. 波高仪 1 支；2. 压力传感器 1 只；3. 有机玻璃板 1 块；4. 固定架 2 只；5. 造波机 1 套6.其他： 秒表 、 电脑 五、实验准备、方法与步骤1.准备：要准备有机玻璃板，其宽度应与水槽宽相适应(要能将板放入水槽为准)，作为直立防波堤，沿高度方向每隔 3cm 钻一个孔作为安装压力传感器用，板的长度要适度。2.对浪高仪进行标定，求出标定系数 。K标定是在静水中进行的。（1）先将波高仪传
4、感器端放入水中大约 12，作为 零水位线 ，将显示仪表 调零 。（2）然后依次上提传感器 1cm ，每次都记录波高仪传感器上提高度 Fi 与仪表读数 hFi，直到上升 34cm，返回 零水位处 。（3）依上法再每次下降传感器 1cm ，记录波高仪下放高度 Ei 与仪表读数 hEi；下降 34cm 后，再返回 零水位处 。（4）然后根据每个高度处的波高仪读数求比例系数 ： Kei=|Ei/hei| 或 KKfi=|Fi/hfi| ；然后对二者取平均值，得到比例系数平均值 。注意：标定完成后，一定将波高仪测量器恢复到 零水线 位置。3.测量并记录 静水深度 h ； 4.将有机玻璃板放入水中，开启造
5、波机，调节频率旋钮，造出合适的波，并形成立波。测量立波的波高，波周期，波长和波压力。（1）利用波高仪测量立波的波高 rH读出波高仪上波峰与波谷对应的值，并记录二者的和 （单位 V） ，则可算得波高： rhH=K*hr 。（2）利用秒表测量立波周期 rT选定一个位置作为观察位置，测量连续数个波通过该位置所用的时间，求出每一个波的平均周期 Tr=T/(N-1) 。（3）利用卷尺测量立波波长 rL由于立波不具有向前传播的特性，因此 选定两个相邻的波峰 位置，并测量二者的距离，得到的便是立波波长 。r（4）利用水下动态波压力传感器和数据采集系统测量不同水深的波压力a.开启数据采集系统，利用桥压给传感器
6、供电 24V；设置采集通道的电压测量范围5000mV；b.将水下动态压力传感器至于 空气当中 ，此时对数据采集系统进行通道平衡，之后调零；c.设置合适的采样频率 20Hz-500Hz;本实验中采样频率设置的是 20-500Hz d.按下开始采集按钮，将水下动态压力传感器依次放入第一个孔中，第二个孔中，第三个孔中，第四个孔中，第五个孔中，并采集不同水深处的波压力；e.采集结束按下停止采集按钮；f.利用数据采集系统上的大步向前移选取采集得到的不同水深处的波压力，标注波压力的大小，并将数据另存为位图文件（最终得到 5 个水深处的带标注的位图文件） ；5.将有机玻璃板取出，测量 入射 波高 ，波周期
7、和波长 ；iHiTiL入射波 的波长具有向前传播的特点，在距离 的两个位置处，观察波峰（或波谷） ，L波浪向前推进时，记录同一个波峰经过前后两个位置的时间差 ，所以可得到入射波波长 ，其中 是波速；iii TLCC6.实验结束，关闭造波机，将位图文件拷出，整理试验台，在老师签字之后离开。六、实验数据处理（写出处理过程） （共 40 分）1.波高传感器标定系数 = 0.0422 K波 浪 过 程 线 （ 伏 特 ）米波 高 )(静水深度 0.218 米。h入射波：波周期 = 2.4 秒，波长 = 3.3 米，波高 = 0.138 米。iTiLiH立波：波周期 = 2.4 秒，波长 = 3.27
8、米，波高 = 0.145 米。i i i表 1 波高仪标定记录表（5 分）波峰 波谷入水深 /米iE波高仪读数 （V）iEhiEK出水深 /米iF波高仪读数 （V）iFhiFK0 0.0008 0 0.0113 0.0085 0.1744 0.0490 -0.0105 -0.2571 0.03910.0195 0.4750 0.0411 -0.02 -0.490 0.03990.0240 0.5293 0.0454 -0.0295 -0.7509 0.03870.04 0.04平均值iEK0.0452 平均值iFK0.0392平均值 0.0422 ）（ iEK*5.0 入射波波高图立波波高图表
9、 2 波高记录表（5 分）1 2 3 4 平 均Eih2.359 2.330 2.340 2.337 2.342F0.928 0.915 0.915 0.934 0.923ii3.287 3.245 3.255 3.271 3.265入射波 ，米iihKH0.138Erh2.285 2.239 2.274 2.222 2.255F1.199 1.178 1.162 1.193 1.183rr3.484 3.417 3.436 3.415 3.438立波 ，米rh0.145ir/1.051波压力原始图形（贴图在此下方）位置 1 对应波压力原始图位置 2 对应波压力原始图位置 3 对应波压力原始图
10、位置 4 对应波压力原始图位置 5 对应波压力原始图求波压力的测定值:表 3 波压力原始数据处理表传感器位置 1 2 3 4 平均波压力/paymax/mv 572 566 569 567 569 1138第一个孔ymin/mv 380 378 387 380 381 762ymax/mv 737 718 729 731 729 1458第二个孔ymin/mv 544 552 547 551 549 1098ymax/mv 872 868 873 875 872 1744第三个孔ymin/mv 705 709 704 708 707 1414ymax/mv 1046 1034 1048 104
11、5 1043 2086第四个孔ymin/mv 865 859 873 871 867 1734ymax/mv 1170 1180 1179 1179 1177 2354第五个孔 ymin/mv1014 1015 1019 1015 1016 2032根据线性波浪理论的波压力公式： ，)cos()(hz)21( kcHgzPz 其中 =1000kg/m 3,g=9.8m/s2,H=0.145m,k=2/L=2*3.14/3.27=1.92,h=0.218m；波峰处，cos()=1;波谷处，cos()=-1。将 z 值代入上式可得波压力理论值，如 z=-0.188m,Pz+=-1000*9.8*(
12、-0.188)+0.5*1000*9.8*0.145*ch1.92*(-0.188+0.218)/ch(1.92*0.218)=2495.97（Pa）;实验误差=|测定值-理论值|/理论值，如 z=-0.188m 时，波峰实验误差为|2354-2495.97|/2495.97*100%=6.05%.表 4 波压力记录表（5 分）实验组次 1 2 3 4 5Z /m -0.068 -0.098 -0.128 -0.158 -0.188测定值 /PazP1138 1458 1744 2086 2354测定值 /Pa762 1098 1414 1734 2032理论计算 /Paz1346.151 1
13、630.299 1916.669 2205.238 2495.986理论计算 /Pa 936.648 1240.501 1532.130 1841.562 2138.813波峰实验误差/% 15.46 10.57 9.01 5.41 5.69波谷实验误差/% 18.65 11.49 7.71 5.84 4.992. 波腹波节的位置，并说明为什么；（5 分）答：波腹位于距挡板 0、L/2、L处，波节大约位于距挡板 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，波频相同仅仅是传播方向相反，两者的初始相位相差为 ，波遇到挡板是发生全反射，挡板处为波腹位置。3. 直立堤上波峰
14、、波谷时波压力和波浪动水压力沿水深分布曲线；（10 分）答：根据表 4 数据得直立堤上波峰、波谷时波压力沿水深分布曲线为：表 5 波浪动水压力沿水深分布表Z（m） -0.068 -0.098 -0.128 -0.158 -0.188波峰动水压力（Pa） 680 670 662 657 654波谷动水压力（Pa） -680 -670 -662 -657 -654根据表 5 数据得直立堤上波峰、波谷时波浪动水压力沿水深分布曲线为：4. 分析直立堤上波峰、波谷时立波波压力测定值与计算值的误差及其影响因素；（5 分）答:波峰处立波波压力的测定值与计算值误差较小，而波谷处立波波压力的测定值与计算值误差较
15、大。影响因素：1）本实验立波波高与静水深之比为 H/D=0.145/0.218=0.67，不符合线性波理论波高与静水深之比为无限小量的假设，故用线性波理论的波压力公式计算波压力，会产生较大误差；2）入射波不能完全反射，所以实际观察到的波并不完全是入射波和反射波的叠加，会引起误差；3）本实验静水深度 d 较小，而波高 H 较大，因此用线性波理论求波压力会产生较大误差；4）实验仪器本身会产生系统误差；5）在测量相关数据时和，由于人为因素，有些误差是不可避免的，同时处理数据时也可能产生误差；6）我们组的每个孔的处波峰、波谷点值采集了一组数据，使数据比较单一，由此也会产生一定误差。5.本实验中波高传感器应放置在水槽上什么位置，并说明为什么。 （5 分）答:应放入水中约 1/
