立波作用下的沙波运动规律试验研究

立波作用下的沙波运动规律试验研究 学生:刘慧平 指导老师:徐继青 摘要: 关键词: 1研究背景: 泥沙在波浪作用下形成的沙纹是推移质运动的一种方式。沙纹的存在对泥沙运动有极大的影响，同时不同形态的波浪对沙纹的影响也不尽相同 2立波作用下的沙波运动规律实验条件 2.1试验装置设计 为了更好地掌握泥沙在不同水流状态下的运动机理，有必要对其水力特性进行试验研究。该实验在长为30米的玻璃水槽中进行，水槽底部铺设厚约5厘米、 3至少5米长的模型沙(、D,0.2mm)并摊平，把三个波高仪均,,2650kg/m50 匀布置在良好沙纹段，调整造波机，选择较好波要素及适当水深，使该泥沙在波浪作用下运动形成的泥沙沙纹易于观测且不会损坏造波机。为了获得精确地实验数据，试验通过专门的流速采集系统和人为细致筛选相结合的办法来采集数据。 2.2试验水流条件设置 通过改变造波机转速和玻璃水槽中的水深来设置不同的水流参数。立波与推进波的实验设备唯一区别就是:立波条件是在波浪推进方向的模型沙后方，竖直加入一挡板，从而形成立波。 3立波作用下的沙波运动规律实验研究 3.1对比泥沙在“推进波”和“立波”的不同水流强度条件下的不同运动形态 实验中，在“推进波”作用下，沙纹形成前坡长后坡短的不对称形态，如果水流强度不高，则不能形成沙纹或形成沙纹的时间很长;而在“立波”作用下，泥沙在波腹作用下的效果体现在波节处，波节处形成明显的沙纹，且中间沙纹波峰最高，两边波峰相对较低，接近对称;在波腹处形成不明显的沙纹，当水流强度较小时，波腹处沙面平整，不能形成沙纹。 3.2建立两种情况下泥沙沙纹尺度与波浪要素关系 测量并记录多组泥沙在同一水深，不同水流强度条件下沙纹的高度及沙纹,的波长数据，然后改变水深，再次测量并记录多组该水深不同水流强度条件下, 的泥沙沙纹尺度数据。通过实验可知，在某一范围内，随着水流的增强，沙纹的高度及沙纹的波长也在增大，但沙纹的波陡却保持为常数。 ,, 分别推求出在“推进波”和“立波”作用下的泥沙沙纹尺度与波浪要素和泥沙粒径的函数关系式，达如下: ,,f(F),,s(F),,g(F),,t(F) 、、、 推推立立 利用EXCEL初步处理采集到的数据，求出周期T和波高H，然后利用 aUMATLAB迭代出波长L，进而求出、以便计算水流强度系数。 Fmm 实验涉及的计算公式: 2gTh2,L,tanh()l2, H1 a,m2sh(kh) H1, U,()mTsh(kh) 21,UDm2 ()F,,,,gDa()2sm 式中: k,2,/L — 泥沙比重 — 水的比重 — 波数 ,k,s — 重力加速度 — 泥沙中值粒径 —周期 DgT 4结论 4.1通过试验的经验公式如下: , 研究推进波作用下，沙纹波高与波长均与水流强度系数成负指数关系: ,1.538F ，(28.7cmh37.8cm) ,,3.3515e,, ,0.543F,,9.5844e ,(28.7cmh37.8cm) ,, , 研究立波作用下，纱纹波高与波长均与水流强度系数成正指数关系: 0.1751F ,,0.6099e,(22.1cm,h,38.1cm) 0.3237F ,,5.0839e(,22.1cm,h,38.1cm) 4.2实验创新点 S,, 研究立波作用下，波节间距与沙纹波长的关系，拟合出的关系式为: ,,0.0923S,1.6176，(22.1cm,h,38.1cm) (线性关系) 参考文献 (1) 整理试验成果;以水流强度系数为横坐标，分别以沙纹的波高和波长 为纵坐标拟合曲线，通过拟合可以发现在全部不同水深下的水流强度系数拟合的函数与不同水深的强度系数分别拟合的函数相近，进一步证明我们的猜想的正确性，即推进波作用下的沙纹波高和波长均与水流强度系数成负指数关系，而立波作用下沙纹波高和波长均与水流强度系数成正指数关系。 (2) 对比在推进波和立波作用下沙纹的发展过程和沙纹上泥沙的运动方式，并定量描述两种波浪形态下的沙纹形态的关系。 实验中，在“推进波”作用下，沙纹形成前坡长后坡短的不对称形态，如果水流强度不高，则不能形成沙纹或形成沙纹的时间很长;而在“立波”作用下，泥沙做往复运动，泥沙在波腹作用下的效果体现在波节处，波节处形成的明显的沙纹，且中间沙纹波峰最高，两边相对较低，接近对称;在波腹处形成不明显的沙纹，当水流强度小时，甚至不形成沙纹，出现一段动平整长度。通过实验数据的分析与对比得知在两种波浪状态下沙纹的波高之间和波长之间没有必然关系。