（1）实验方法描述：

① 进入风浪流水槽虚拟仿真系统，通过预习模式学习实验目的、实验原理、操作步骤、注意事项、整个风浪流水槽的结构以及仪器。通过实验演示模式观看操作视频，使学生迅速从整体了解实验。

② 学习系统的使用方法，重点掌握风浪、调制波和内波的制作，并探讨风速与风浪大小之间的关系、探讨风速与波浪破碎的关系，探讨风浪的生成、发展、成熟破碎的规律；探讨波浪破碎与调制波谱的关系；探讨内波生成的机制；探讨风浪流相互作用。

③ 通过选择仪器、地形、底质、消波材料等，自主设计和操作创新性实验，并探讨地形、底质、降水对海浪和海流的影响，也可探讨海浪对CO2交换及其他海气交换的影响。

（2）学生交互性操作步骤说明：

学生交互性操作步骤数为：21步。

第一步，选择实验系统。

可选择的系统有：预习系统、演示系统、学习系统、考核系统和报告系统。此处仅详细说明学习系统和考核系统的交互（学习系统和考核系统的操作步骤相同，只是考核系统无提示）。

图2-8-1 实验系统选择界面

第二步，自主场景搭建（DIY）

本步骤可以通过选择不同底质、地形和障碍物来实现自主场景的搭建，探究浪与地形（底质）的相互作用。如图2-8-3选择沙作为底质，可以研究波浪对沙质地形的影响。

底质、地形和障碍物的可选内容详见2-6中的预设参数介绍。其他底质、地形、障碍物和消波材料的设计和实验可以作为创新实验设计的一个选题，优秀的实验设计方案可以不断地补充到本虚拟仿真实验中。

注意：本步骤一定要在打开水阀，给水槽放水之前完成。一旦加水，则不能铺设。

① 选择进行DIY设计。

图2-8-2 DIY设计选择界面

② 选择底质、地形或障碍物。

图2-8-3 选择沙作为底质

第三步，打开水阀，给水槽放水。

水槽的水位一般为1.2m左右（图2-8-4），不可过高，也不可过低。同学们若强行在高水位下实验，则会在波浪生成时，溅出水槽，容易引起线路短路，进而引发火灾（如图2-8-5）。本环节可以训练学生的应急能力。如果水位过低，则一方面离风洞出口较远，不利于风浪的生成，另一方面，不利于推波板造波。

在实验时，如果同学们调节的水位不合适，过高则会跳出导致的危险画面（图2-8-5），提醒实验失败，需重新实验。设置过低则会跳出可能造波失败的提醒。为了保证实验安全和实验有效，水位设置不正确则不能正常完成后续操作。

图2-8-4 水槽用水调节

图2-8-5 水位过高时造成危险

第四步，标定测波杆。

在安装架设仪器之前，需要对仪器进行标定。按照规范，每次实验之前，均需对每根测波杆进行标定。

① 组装标定模组

从仪器库中分别选择直线模组、水桶和测波杆，把它们架设到钢架上（图2-8-6）。

图2-8-6 组装标定模组

② 打开标定测波杆对应通道开关

在测波杆数据采集器（图2-8-7）中，点击标定测波杆的按钮，打开开关，开关开启时会亮灯光，电流表会有读数，学习系统中会有高亮提示，考核系统中没有提示。

图2-8-7 测波杆数据采集器

③ 在波高采集分析软件中选择标定测波杆对应通道

在波高采集分析软件的采样设置菜单下进行采样参数设置（图2-8-8）。选择打开通道和显示通道。注意，通道从0开始编号，位于第几通道取决于测波杆所连的测波杆数据采集器的通道。

图2-8-8 选择标定测波杆对应通道

④ 测波杆标定

移动直线模组的滑块，变换测量水位，读取模组位移数据（工程值）。通过波高采集分析软件测量每一个给定水位（工程值）所对应的电压值，计算得出工程值与电压值之间的系数和相关率，以此对测波杆进行标定（图2-8-9）。电压和工程值一般呈线性关系，若出现的拟合线是非线性，则说明仪器出现问题，需要送修。标定好之后，将标定结果存盘，在波高测量时，波高采集分析软件会根据实时测量的电压值对应转化为波高値。

至少采集5组数据（5个位置），为了减少误差，每个位置采集3次电压。如果工程值输入错误，在学习系统会有错误提示，在考核系统会扣分。

图2-8-9 测波杆标定

第五步，仪器架设。

根据实验目的，选择合适的实验仪器安装到水槽的相应位置。波浪制作模块的标配是测波杆和皮托管。实验仪器的选择和架设步骤只需要在测量步骤之前完成即可。

在真实实验中，实体风浪流水槽高3米，水深可达2米，学生在水槽上方安装必要的实验设备危险性高，容易引发摔伤、溺水、触电等严重安全事故。同学们很难有机会亲自架设仪器，而在本虚拟仿真实验中，就可以进行这一方面的练习。

① 测波杆安装

根据实验要求，一般安装4-6根测波杆。将标定好的测波杆分别安装到水槽的正确位置。测波杆应没入水中，水面应在其中间部位（图2-8-10），以测得波峰和波谷时的水位。如果测波杆位置过低，则波峰时，测波杆可能会完全没入水中，超出其测量量程。如果测波杆位置过高，则波谷时，测波杆可能会从水中脱离，同样不能正常测量。

若同学们测波杆的固定位置不对，则在学习系统中进行警告提示，在考核系统中进行警告提示并扣分，改正后方能进行后续操作。

图2-8-10 安装测波杆

② 皮托管安装

根据实验要求，一般安装5-6根皮托管。为了测量完整的风剖面，一般把5-6个皮托管架设在同一个剖面上，且该剖面一般位于水槽的中间位置。

皮托管应距离水面有段距离（图2-8-11），即使是波峰时都不能碰到，因为皮托管容易进水造成阻塞。位置也不能过高，否则难以测量完整的风速剖面。

若同学们皮托管的固定位置过于靠近水面或远离水面，则在学习系统中进行警告提示，在考核系统中进行警告提示并扣分，改正后方能进行后续操作。

图2-8-11 安装皮托管

第六步，测波杆采零。

波浪是在平衡水面上下波动的（图2-8-12），在造波之前，需要对平衡水面进行采零操作，即测得平衡水位的高度，并将其设置为0。如果不进行采集零点操作，则在数据处理时，需要对水位求平均，计算出平均水位高度，再将所有的水位高度值减去平均水位高度值，才是波高。

图2-8-12 波高随时间变化图

① 打开测波杆数据采集器的第0~3通道

点击图2-8-7左侧四个按钮，依次打开开关，每个开关开启时会亮灯光，电流表会有读数，学习系统中会有高亮提示，考核系统中没有提示。

② 在波高采集分析软件中打开和显示第0~3通道

在图2-8-8波高采集分析软件的采样设置菜单，打开和显示第0~3通道。

③ 读取标定参数

在第四步测波杆标定时，我们存储了标定信息。在进行波高测量之前，需要在波高采集分析软件中通过信息读入读取已标定信息（图2-8-13）。

图2-8-13 标定信息读入

④ 采零

在波高采集分析软件中点击实验菜单采集零点（图2-8-14）。点击采集，则对应通道的零偏处便有了对应数值。在波高测量时，系统会自动减去零偏处的数值，使得波高数值为偏离平衡水面的位移。

图2-8-14 采集零点

第七步，实验模块选择。

可选择进入风洞造波实验模块或单板造波实验模块（图2-8-15）。首先选择风洞造波实验模块，探究风浪的生成机制与运动过程。

图2-8-15 实验模块选择

第八步，皮托管清零。

在造风之前，需要通过清零标定皮托管。在无风状态下，皮托管读数应为0，如果不为0，则需要将数据变为0，这个过程就是皮托管清零。

① 打开皮托管数据采集器控制箱开关并清零

长按皮托管数据采集器控制箱的红色开关按钮打开通道开关（图2-8-16）。开机后，屏幕亮，界面读数都为0，如果读数不是零，则点击清零，直到屏幕都为0。

图2-8-16 皮托管数据采集器控制箱

② 核实风速数据是否清零

进入风速测量软件界面（图2-8-17），并采集数据。查看风速是否为0，若为0，说明清零成功，不为0，说明清零不成功，需进一步核查原因。

图2-8-17 风速测量软件界面

第九步，风洞造波实验。

设置风洞电力系统（图2-8-18，动力柜）。

初始状态为：

A. 右上角红灯亮（表示已通电）且动力柜门为关闭状态；

B. 显示屏为灰色关闭状态；

C. 把手收起，柜门关闭；

① 风洞电力系统开机

图2-8-18 风洞动力柜

A. 点击下排左边第二个绿色按钮（在学习系统中高亮提示，在考核系统中没有高亮提示）

I. 上排左边第三个指示灯变亮；

II. 最下显示屏变亮（图2-8-16）；

III. 屏幕初始值：右上角为20Hz，其他三个数据为0.0（图2-8-19）；

图2-8-19 风洞动力柜控制端

② 制造不同风速的风

A. 点击图2-8-19中所示下调按键，将数据下调至13HZ左右（小于20HZ），目的是为了防止风洞电机启动时电流过大，损坏电机。

B. 点击START

I. 数据4开始和3同步，电流也有了数值。

II. 风洞发动机转动

III. 水面同时起波，风速不同，幅度不同（图2-8-20）

C. 点击上调按钮，按照风速与频率曲线（图2-8-21），将频率设置为所需风速对应的频率。此处考试要求可以让同学们造出5m/s,10m/s,15m/s的风。此处风洞电力系统虽然理论上可造出20m/s的风，但是一般来说，为了保持设备性能，一般频率设置不超过40 Hz。所以如果超过40Hz则警告提示。

图2-8-20 15Hz和41Hz时产生的浪

图2-8-21 风速与频率相关曲线

第十步，波浪观测及数据采集

在此之前需要完成测波杆的标定、架设和采零。

① 设置采样长度

一般采样时长不超过半小时，采样序列长度可以用采样时间/采样时间间隔计算得到（手动输入），采样时间间隔可以设置为20ms（手动输入）左右，也可根据需要自行设置，点击确定，完成采样参数设置（图2-8-22）。

图2-8-22 波浪采样长度设置

② 波浪数据采集

在波高采集分析软件点击开始采样，界面出现波高实时曲线（图2-8-23）。采集完预设的采样系列长度之后，采样结束，保存数据。

图2-8-23 波高实时曲线

第十一步，风速观测

在此之前需要完成皮托管的架设和清零。

① 选择皮托管串口

在图2-8-17中的风速测量软件，选择皮托管串口。皮托管串口与皮托管数据采集器控制箱的串口一一对应，皮托管数据采集器控制箱的串口直接跟各皮托管相连接。

② 风速测量

因为皮托管的数据并不是一起收集的，而是一个一个串口收集的，所以选择“自动循环发送”，每隔1s发送下一个通道数据。打开串口，数据自动发回，出现在图2-8-17左上角空白窗口中。采集完毕之后，关闭串口，数据停止发送，保存窗口数据。

至此，风浪的制作和测量完成。

第十二步，处理分析风、浪数据，探究风浪的生成机制与运动过程。

由图2-8-20可知，不同风速大小，产生的波浪大小不同。风速越大，产生的波高越大，风速越小，产生的波高越小。小浪在风的作用下成长为大浪的过程，可以用Jeffrey (1924,1925)的遮拦理论来解释。而从无浪状态到有浪状态的波浪生成过程，可以由Phillips提出的共振生成机制和Miles提出的切流不稳定生成机制进行解释。风机造风，吹拂水面造波模拟的就是海面的风浪生成过程。

例如，由图2-8-24可知，在风时已知的情况下，波高随风速增大而增大，随风区增大而增大，直到充分成长状态。

图2-8-24 波高随风速和风区的变化情况

第十三步，关掉造风系统。

为了保障实验室安全，风洞造波实验结束之后，必须要关闭风机和电源。

① 关闭风洞

点击图2-8-19中“stop”按钮，造风停止，但发动机还在转。

② 关闭风机

点击图2-8-18下排红色按钮，上排绿色灯灭，发动机停止。

③ 拔断电源

拔断电源，图2-8-18上排红色灯灭。

第十四步，单板造波实验。

推波板造规则波，模拟的是海面的涌浪。推波板造非规则波，模拟的是海浪（风浪+涌浪）。通过单板造波实验可以探究波浪运动、波浪破碎、波浪谱等内容，还可以结合地形研究浪与地形相互作用。

① 打开单板造波动力系统的电源

往下拉图2-8-25中的蓝色开关，下面灯亮。等上方的灯全部变绿之后，预热完成，图2-8-26单板造波机控制系统电源灯亮。

图2-8-25 单板造波动力系统

图2-8-26 单板造波机控制系统

② 启动单板造波机控制系统

在图2-8-26中点击启动按钮，启动灯亮。

③给造波机的电机使能

点击图2-8-27中单板造波机控制软件的绿色按钮，给造波机的电机使能。所谓给电机使能就是给电机一个“允许”信号，即使能信号有效时电机才能转动，才能单板造波。

图2-8-27 单板造波机控制软件

③读取电机状态

从图2-8-27中单板造波机控制软件的网络控制读取电机状态，确认电机已使能，且电机状态正常（图2-8-28）。若故障灯亮，则选择网络控制的复位故障信息。

图2-8-28 读取电机状态

④ 调整造波板位置

在图2-8-29网络控制窗口调整造波板位置，以制造出满足要求的波浪。向前：造波板的位置向前平移；向后：造波板的位置向后平移；寻零：造波板回到中间位置；停止：造波板不再平移。

图2-8-29 网络控制窗口

⑤ 设置波浪参数及凑谱

A. 规则波（凑谱→计算波列→规则波）

在图2-8-30设置规则波参数界面，设置想要造的波的波高和周期。水深就是第三步中最初设置的水深。很多参数都是以这个水深设定的，所以尽量不要随便更改水深。保存所凑的谱，谱文件其实是电机的电压数据。

图2-8-30 设置规则波参数

B. 椭圆余弦波（凑谱→计算波列→椭圆余弦波）

跟规则波的设计类似。

C. 不规则波（凑谱→计算波列→不规则波）

不规则波中最常见的主要是PM谱（图2-8-31）和Jonswap谱（图2-8-32）。

图2-8-31 PM谱

图2-8-32 Jonswap谱

D 破碎波（凑谱→计算波列→破碎波）

图2-8-33给出了破碎波参数设置。

图2-8-33 破碎波参数设置

E. 孤立波（凑谱→计算波列→孤立波）

图2-8-34给出了孤立波参数设置。

图2-8-34 孤立波参数设置

F. 聚焦波（凑谱→计算波列→聚焦波）

图2-8-35给出了聚焦波参数设置。

图2-8-35 聚焦波参数设置

⑥ 单板造波

A. 发送第十四步的步骤⑤中生产的文件到电机控制系统（网络控制→发送文件→确定→确定）

B. 开始造波

点击图2-8-27最左侧图标，开始造波

第十五步，波浪观测及数据采集，同第十步。

第十六步，处理分析波浪数据，探究波浪运动、波浪破碎、波浪谱等内容。

例如：将测得的波浪数据做海浪谱，与图2-8-36常见的海浪谱做比较，并分析异同原因，加深对海浪谱的认知。

图2-8-36 海浪谱

至此，单板造波和波浪测量完成。

第十七步，关闭单板造波系统。

为了保障实验室安全，单板造波实验结束之后，必须要关闭造波机和电源。

① 停止造波

点击图2-8-27左侧第二个图标，停止造波。

② 电机去使能，断掉与电机的连接

点击图2-8-27红色图标，电机去使能，断掉与电机的连接。

③ 网络控制菜单查看电机状态

单板造波机控制软件→网络控制→读取电机状态，确认电机已经去使能。

④ 关闭单板造波机控制软件，关机

⑤ 关闭电源

往上拉图2-8-25中的蓝色开关，关闭电源。

第十八步，设计创新性实验

除了自主搭建场景环节之外，同学们可以根据自己的兴趣自主设计创新性实验。可选择实验类型有：地形实验、坡角实验、底质实验、消波实验、海气交换、破波实验、湍流实验、降雨实验、水体内部实验或其他创新性实验。

① 设计创新性实验

② 选择相应实验必须的仪器进行架设。

③ 进行具体的创新性操作。

④ 创新性实验结果分析。

第十九步，造流

① 拆卸造波板。因为造波板会阻碍水槽中流的运动，所以需要先拆卸造波板才能造流。

② 打开开关，开始造流，并设计流参数。

③ 同时打开造风系统，探究波流相互作用。

第二十步，撰写并提交实验报告。

在实验进行过程中，学生可随时打开实验报告模板，将实验设计和实验输出结果等记录在报告中。完成所有实验操作后，按实验报告撰写要求，撰写完整的实验报告，并在网上提交。参见图2-8-37。

图2-8-37 实验报告

第二十一步，在线答疑讨论。

学生在实验过程中遇到的任何问题都可以在答疑室进行在线答疑讨论。