Podstawy Teorii Okrętów Sprawozdanie nr 1 (17)

LABORATORIUM Z PODSTAW TEORII OKRTU
Sprawozdanie z ćwiczenia nr 17 (1)
Wytwarzanie i pomiar fali wodnej w basenie doświadczalnym
Data realizacji ćwiczenia:
Data oddania sprawozdania:
Grupa:
Lista studentów uczestniczących w ćwiczeniu:
str. 1
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
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 wyrazny. Prędkość fali rośnie wraz z wzrostem amplitudy.
2.1.3. Falę regularna charakteryzują takie parametry jak:
a) Długość fali, równą odległości między kolejnymi grzbietami [m].
b) Okres fali równy czasowi upływającemu pomiędzy przejściem kolejnych grzbietów względem
nieruchomego obserwatora T [s].
c) Częstość fali równą odwrotności jej okresu f [s-1].
d) Prędkość fali równa prędkości przemieszczania się grzbietu fali względem nieruchomego
obserwatora CW [ms-1].
Pomiędzy nimi zachodzą następujące związki: =CwT=2Ą/k
gl� 2p�h
Prędkość fali zależna jest od głębokości akwenu h:
cW =� tgh
2p� l�
str. 2
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:
a) fala głębokowodna-cząsteczki cieczy zakreślają trajektorie kołowe, ich promień maleje
wykładniczo wraz z oddaleniem się od powierzchni;
b) trajektorie cząsteczek mają kształt elips o dłuższej osi poziomej;
c) 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 1 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:
str. 3
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
str. 4
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.
str. 5
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 zródeł, 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 najwyższą o największej prędkości i najkrótszym czasie.
V [ dm3 ] h [ mm ] H [ m ] C [ m ] L [ m ] T [ s ] v [ mm / s ]
0,135 118,5 1,5 3 30 0,992 119,46
4.2. falowanie nr 2:
Druga fala była falą najwyższą o największej prędkości i najkrótszym czasie.
V [ dm3 ] h [ mm ] H [ m ] C [ m ] L [ m ] T [ s ] v [ mm / s ]
0,135 95,63 1,5 3 30 1,195 80,03
4.3. falowanie nr3:
Trzecia fala była falą najwyższą o największej prędkości i najkrótszym czasie.
V [ dm3 ] h [ mm ] H [ m ] C [ m ] L [ m ] T [ s ] v [ mm / s ]
0,135 107,61 1,5 3 30 1,083 99,36
str. 6
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 4.1a
h - amplituda falowania [ mm ]
150
118,5
107,61
95,63
100
50
0
fala nr 1 fala nr 2 fala nr 3
Tabela 4.2b
T - okres [ s ]
1,5
1,195
1,083
0,992
1
0,5
0
fala nr 1 fala nr 2 fala nr 3
Tabela 4.3c
v - prędkość fali [ mm / s ]
140
119,46
120
99,36
100
80,03
80
60
40
20
0
fala nr 1 fala nr 2 fala nr 3
str. 7
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
a) Badanie zostało przeprowadzone w basenie modelowym co oznacza że pomiary są niezgodne z
rzeczywistością. Nie można w warunkach naturalnych wytworzyć tak idealnych fal.
b) 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;
c) 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.
d) 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.
e) 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

Wyszukiwarka