OCENIONO NA: 4

Laboratorium z podstaw teorii okrętu

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 17

Wytwarzanie i pomiar fali wodnej w basenie doświadczalnym

Data realizacji ćwiczenia: 16.03.2011

Data oddania sprawozdania: 08.05.2011

Grupa: 1B

Lista studentów uczestniczących w ćwiczeniu:

...

...

...

...

...

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było:

• zapoznanie się z podstawami modelowania falowania na morzu;

• zapoznanie się z metodami pomiaru fali na basenie pomiarowym;

• zapoznanie się z określającymi fale parametrami;

• zapoznanie się z program pozwalającym na pomiar fali;

• zapoznanie się z podstawowymi pojęciami;

• zapoznanie się ze stanowiskiem badawczym, w tym z urządzeniami do wytwarzania fali, pochłaniania fali oraz ze stanowiskiem komputerowym;

• przeprowadzenie pomiarów falowania na przykładzie fali regularnej progresywnej;

Prowadzenie badań modelowych związanych z zagadnieniem właściwości morskich okrętu wymaga dysponowania urządzeniami umożliwiającymi wytwarzanie w basenie doświadczalnym wodnej fali powierzchniowej. Falowanie tego typu występuje jedynie w wypadku istnienia swobodnej powierzchni cieczy. W naturze czynnikiem zakłócającym powierzchnie jest prawie wyłącznie wiatr. W okrętowych basenach modelowych do wytworzenia fali stosuje się wywoływacze lub wytwarzacze fal.

Pierwszy wywoływacz fal został zainstalowany w 1905r. w Zakładzie AEW w Wielkiej Brytanii. Z czasem zaczęto je instalować we wszystkich niemal basenach. Początkowo urządzenia umożliwiały wytwarzanie fali jedynie regularnej, ale na przełomie lat 50-tych i 60-tych zaczęto budować urządzenia zdolne do falowanie nieregularnego, odpowiadającego zadanym widmom energetycznym falowania morskiego.

2. Podstawowe informacje na temat falowania:

2.1. Falowanie regularne

2.1.1. Parametry fali regularnej o małej amplitudzie.

W bardzo wielu wypadkach, dla uniknięcia nieliniowości w opisie zjawiska falowania można przyjąć założenie, że amplituda fali jest mała wobec długości fali. W takim przypadku, jeżeli ruch falowy jest harmoniczny funkcją czasu, profil fali jest sinusoidą, a fala nazywa się wodną regularną o małej amplitudzie.

2.1.2. Profil fali regularnej o małej amplitudzie i skończonej amplitudzie.

Jeżeli amplituda fali jest porównywalna z głębokością akwenu, to wpływ amplitudy na prędkość fali staje się wyraźny. Prędkość fali rośnie wraz z wzrostem amplitudy.

2.1.3. Falę regularna charakteryzują takie parametry jak:

1. Długość fali, równą odległości między kolejnymi grzbietami - λ [m].

2. Okres fali równy czasowi upływającemu pomiędzy przejściem kolejnych grzbietów względem nieruchomego obserwatora - T [s].

3. Częstość fali równą odwrotności jej okresu - f [s^-1].

4. Prędkość fali równa prędkości przemieszczania się grzbietu fali względem nieruchomego obserwatora - C_W [ms-1].

Pomiędzy nimi zachodzą następujące związki: λ=CwT=2π/k

Prędkość fali zależna jest od głębokości akwenu h:

2.1.4. Trajektorie cząsteczek

Cząsteczki cieczy, w której rozprzestrzenia się postępowa fala powierzchniowa poruszają się po trajektoriach, które mogą być uważane za zamknięte, gdy amplituda fali jest mała. Rozróżniamy tu 3 przypadki:

1. fala głębokowodna-cząsteczki cieczy zakreślają trajektorie kołowe, ich promień maleje wykładniczo wraz z oddaleniem się od powierzchni;

2. trajektorie cząsteczek mają kształt elips o dłuższej osi poziomej;

3. fala płytkowodna/długa-ruch cząsteczek-poziome oscylacje o stałej amplitudzie;

2.2. Falowanie nieregularne

W wyniku badań oceanotechnicznych zaobserwowano, że w pełni rozwinięte falowanie morskie pochodzenia wiatrowego jest procesem losowym i może być uważane za wynik superpozycji nieskończonej ilości fal regularnych o różnych częstotliwościach, różnych amplitudach i losowym przesunięciu fazowym.

3. Opis stanowiska badawczego

3.1. Basen holowniczy:

Na rysunku 2 widzimy schemat basenu doświadczalnego. Na jego lewym końcu znajduję się pochłaniacz fal, którego działanie polega na wytracaniu energii fali przez tarcie i załamanie na powierzchni czynnej pochłaniacza (tzw `plaża'). Na basenie PG korzystamy z pochłaniacza fali w postaci drewnianej plaży o profilu wykładniczym. Na prawym końcu basenu znajduje się wytwarzacz fal.

Stanowisko badawcze stanowi basen doświadczalny o wymiarach:

H [ m ] - głębokość	C [ m ] - szerokość basenu	L [ m ] - długość basenu
1,5	3	30

Do wytwarzania fali służy wywoływacz nurnikowy o profilu wykładniczym. Urządzenie umożliwia wytwarzanie jedynie fali regularnej. Częstotliwość oscylacji nurnika regulowana jest na zasadzie regulacji obrotów silnika napędowego, regulowanie amplitudy oscylacji nurnika odbywa się ręcznie przez odpowiednie nastawienie mimośrodu mechanizmu napędowego. Pomiar częstotliwości odbywa się za pomocą częstościomierza elektronicznego. Do pomiaru amplitudy fali służy sonda elektryczna typu oporowego lub pojemnościowego. Do pochłaniania fali zastosowano drewnianą plażę o profilu wykładniczym.

3.2. Wytwarzacz fal:

Na basenie doświadczalnym PG korzystamy z wywoływacza nurnikowego o ruchu prostoliniowym i profilu wykładniczym. Wywoływaczem wytwarzającym falę jest nurnik o dowolnym profilu wykonujący pionowe oscylacje. Wytwarza on falę tylko w jednym kierunku co umożliwia zamieszczenie nurnika bezpośrednio przy ścianie basenu z minimalną stratą długości basenu. W wyniku jego działania powstaje fala regularna.

Najbardziej naturalny sposób sztucznego wytwarzania falowania polega, jak się wydaje, na umieszczeniu w basenie elastycznej pionowej przepony, odtwarzającej wiernie obwiednia trajektorii cząstek wody względem powierzchni spoczynkowej prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali.

Każdy wywoływacz fal wytwarza fale postępowe lub progresywne. Profil fali postępowej jest niezależny od sposobu jej generacji, konstrukcji oraz kształtu wywoływacza, zależy od głębokości akwenu.

3.2.1. Typy wywoływaczy fal.

Wywoływacze fal dzieli się głównie na cztery podstawowe typy:

a) Wywoływacze płytowe - elementem wywołującym falę jest tutaj płyta, najczęściej sztywna i płaska, wykonująca oscylacyjny ruch względem pionowego położenia spoczynkowego.

Wyróżniamy dwie podstawowe odmiany wywoływacza płytowego:

• wywoływacz wahadłowy - płyta oscyluje tutaj wahadłowo względem poziomej osi obrotu znajdującej się na dole płyty. Wywoływacz taki nadaje się bardzo dobrze do wytwarzania fali głębokowodnej.

• wywoływacz tłokowy - w tym wypadku płyta wykonuje przesunięcie poziome i z tego względu wywoływacz taki stosowany jest do wytwarzania fali płytkowodnej charakteryzującej się poziomymi oscylacjami cząsteczek wody o stałej amplitudzie w całej głębokości akwenu.

b) Wywoływacze nurnikowe - elementem wywołującym tutaj falę jest nurnik o dowolnym profilu wykonujący oscylacje pionowe. Wywoływacz nurnikowy o profilu niesymetrycznym, z tylną ścianą pionową wytwarza falę tylko w jednym kierunku co pozwala na jego umieszczenie na samym brzegu basenu co nie wpływa negatywnie na jego długość jak w przypadku innych wywoływaczy.

• ruch jednostajny prostoliniowy - ruch jednostajny po torze prostoliniowym, czyli ruch odbywający się wzdłuż prostej ze stałą prędkością.

• ruch jednostajny po okręgu - ruch po torze o kształcie okręgu z prędkością o stałej wartości, tzn. v = const. Ruch jednostajny po okręgu jest ruchem niejednostajnie przyspieszonym, tzn. kierunek i zwrot wektorów przyspieszenia a i prędkości v zmieniają się cały czas w trakcie ruchu, nie zmieniają się natomiast ich wartości.

c) Wywoływacze pneumatyczne - wytwarzają falowanie pod wpływem pulsacji ciśnienia ponad swobodną powierzchnią wody. Działanie ich jest analogiczne do działania wywoływacza nurnikowego z nurnikiem o profilu prostokątnym.

d) Wywoływacze rotacyjne - mają postać walców mimośrodowych, kół łopatkowych itp. Nie mają one większego znaczenia praktycznego.

3.2.2. Wpływ głębokości akwenu na charakter i prędkość fali.

Wyróżniamy trzy przypadki, w których rozpatrywany jest wpływ głębokości akwenu na prędkość fali:

a) Głębokość akwenu jest większa od połowy fali

Cząsteczki cieczy w ruchu falowym zakreślają trajektorie kołowe, których promień, równy amplitudzie fali na swobodnej powierzchni wody, maleje wykładniczo w miarę oddalania się od niej, Na głębokości przekraczającej połowę długości fali ruch falowy staje się niedostrzegalny. Fala taka nazywa się falą głębokowodną albo krótką. Prędkość fali głębokowodnej jest niezależna od głębokości akwenu i wzrasta wraz ze wzrostem długości fali.

b) Głębokość akwenu jest mniejsza od połowy długości fali

W takim wypadku ruch falowy rozciąga się na całą głębokość akwenu, trajektorie cząsteczek zamieniają się z kołowych na eliptyczne, spłaszczające się w miarę oddalenia od swobodnej powierzchni wody. Prędkość fali rośnie wraz z długością fali, będąc zależną jednocześnie od długości fali i głębokości akwenu.

c) Jeżeli głębokość wody maleje

Powstała fala nazywana jest falą płytkowodną albo długą. Prędkość fali płytkowodnej jest niezależna od długości fali, będąc jedynie funkcją głębokości akwenu. W odróżnieniu od fali głębokowodnej, fala płytkowodna posiada prędkość graniczną, której dla danej głębokości nie można przekroczyć.

3.3. Urządzenia pomiarowe:

Do pomiaru korzystaliśmy z częstościomierza elektronicznego. Do pomiaru amplitudy fali posłużyła sonda elektroniczna typu oporowego lub pojemnościowego. Elementem oporowym jest warstwa wody zawarta między dwoma pionowymi nie izolowanymi elektrodami. Miarą zmian wysokości dali jest zmienność oporu elektrycznego warstwy wody pomiędzy elektrodami. Odpowiednio przetworzony sygnał jest kierowany do rejestratora. W przeprowadzonych przez nas pomiarach przetwornikami sondy są dwie pionowe elektrody izolowane tefloriem, tworzące wraz z otaczającą wodą kondensator o zmiennej pojemności.

3.3.1. Sondy falowe.

Do pomiaru amplitudy fali służy sonda elektryczna typu oporowego lub pojemnościowego.

3.3.2. Pochłaniacze fal.

Z powodu skończonej długości basenu modelowego i powstających w ten sposób fal odbitych używa

się w celu jak największego ich wygłuszenia tzw. pochłaniaczy fal. Działanie ich polega na wytraceniu

energii fali przez tarcie i załamanie na powierzchni czynnej pochłaniacza zwanej plażą. Skuteczność

pochłaniacza zależna jest od struktury jego powierzchni, profilu oraz długości.

4. Wyniki pomiarów:

Fala - zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi, przy czym przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii.

Wszystkie fale wykazują następujące własności:

• prostoliniowe rozchodzenie się fali w ośrodkach jednorodnych,

• odbicie - po dojściu do granicy ośrodków fale zmieniają kierunek poruszając się nadal w tym samym ośrodku

• załamanie - na granicy ośrodków fala przechodząc do ośrodka, w którym porusza się z inną prędkością, zmienia kierunek swego biegu,

• dyfrakcja - uginanie się fali na krawędziach, czego skutkiem jest zdolność do omijania przeszkód mniejszych niż długość fali, oraz powstawanie pasków dyfrakcyjnych po przejściu fali przez wąską szczelinę albo przeszkodę;

Rozchodzące fale nakładają się na siebie w wyniku czego zachodzą zjawiska:

• interferencja - nakładanie się spójnych fal z różnych źródeł, które prowadzi do wzmocnienia lub wygaszenia się fal;

• dudnienie - oscylacje amplitudy fali;

Fale o różnych długościach mogą w różnych ośrodkach rozchodzić się z różnymi prędkościami. Efekt ten, nazywamy dyspersją fali, powoduje na przykład:

• rozszczepienie - załamanie fal pod różnymi kątami, zależnie od ich długości, powoduje rozkład fali na fale składowe, np. rozszczepienie światła w pryzmacie;

4.1. falowanie nr 1:

Pierwsza fala była falą najniższą o najniższej prędkości i najdłuższym czasie.

V [ dm^3]	h [ mm ]	H [ m ]	C [ m ]	L [ m ]	T [ s ]	v [ mm / s ]
0,135	75,628	1,5	3	30	1,353	55,896

4.2. falowanie nr 2:

Druga fala była falą najwyższą średniej wysokości o średniej prędkości i średnim czasie.

V [ dm^3]	h [ mm ]	H [ m ]	C [ m ]	L [ m ]	T [ s ]	v [ mm / s ]
0,135	92,098	1,5	3	30	1,075	85,672

4.3. falowanie nr3:

Trzecia fala była falą najwyższą o największej prędkości i najkrótszym czasie.

V [ dm^3]	h [ mm ]	H [ m ]	C [ m ]	L [ m ]	T [ s ]	v [ mm / s ]
0,135	102,79	1,5	3	30	0,89	115,494

Gdzie:

V - objętość basenu

h - amplituda falowania

H - wysokość wody w basenie

C - szerokość basenu

L - długość basenu

T - okres

v - prędkość fali (h/T)

Tabela 4.1

Tabela 4.2

Tabela 4.3

5. Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań:

• badania przeprowadzono dla 3 fal regularnych;

• fale regularne można zaobserwować jedynie w warunkach doświadczalnych;

• największą amplitudę falowania posiadała fala nr 1(tabela 4.a) - największa prędkość i najkrótszy czas;

• najdłuższy czas falowania posiada fala nr 2 (tabela 4.b) - najmniejsza prędkość i najmniejsza amplituda;

• największą prędkość falowania posiada fala nr 1 (tabela 4.c) - największa amplituda i najkrótszy czas;

• amplituda falowania jest zależna od prędkości: czym większa prędkość falowania tym większa amplituda i jednocześnie krótszy czas falowania;

• największą energię falowania posiadała fala nr 1

6. Uwagi krytyczne studentów, wynikające ze zdobytej wiedzy:

1. Badanie zostało przeprowadzone w basenie modelowym co oznacza że pomiary są niezgodne z rzeczywistością. Nie można w warunkach naturalnych wytworzyć tak idealnych fal.

2. Fala wytworzona w basenie doświadczalnym różni się zawsze od fali występującej na akwenie nieograniczonym. Przyczynami są:

• skończona długość basenu powoduje nakładanie się na falę wytworzona przez wywoływacz fali odbitej od przeciwległej ściany basenu;

• skończona szerokość basenu uniemożliwia uzyskanie fali idealnie cylindrycznej;

3. Falowanie nieregularne - aby odtworzyć ten proces w basenie doświadczalnym, należy wytworzyć fale o widmie ciągłym lub fale o widmie dyskretnym. Do generacji takiej fali może być zastosowany wywoływacz dowolnego typu. Należy wytworzyć odpowiedni sygnał sterujący układ napędowy wywoływacza.

4. Basen modelowy na którym były przeprowadzone pomiary fali jest zaopatrzony w przestarzałe urządzenia. Dzisiejsza technika pozwala na stworzenie i użytkowanie lepszych przyrządów do pomiaru fali.

5. Model falowania nieregularnego, oparty na definicji procesu losowego posiada pewne wady. Po pierwsze jest to model uproszczony, więc nie jesteśmy w stanie przeprowadzić dokładnych badań. Po drugie fale występujące w rzeczywistych warunkach morskich bardzo rzadko są falami regularnymi (np. fale posztormowe) także nie jesteśmy na podstawie tego badania stwierdzić profilu fal nieregularnych, które są dużo częściej spotykane. Jednak jako, że falowanie nieregularne jest trudne do opisania zarówno matematycznie jak i fizycznie to wiedza zdobyta na podstawie prostszych badań daje nam pewien obraz sytuacji jaka może nas spotkać w realnych warunkach. Pewne zachowania fal są takie same dla regularnych jak i nieregularnych. Można określić wpływ prędkości czy amplitudy na falę.

str. 8

---