中国石油大学波浪对圆柱的作用力实验

1、中国石油大学海洋环境实验报告实验日期： 成绩：班级：学号：:教师：同组者：每空1分，共10分波浪对圆柱的作用力实验2015一、实验目的圆柱是海洋工程中最常见的结构物之一。通过线性波对圆柱的作用实验， 让学生建立起波浪对结构物作用的基本概念，并了解测量结构物上波浪力的方法 和过程，以及对测量结果的处理。在此实验中，应注意波要素、惯性力和阻力三 者之间的相互关系。二、实验内容(1) 了解波浪力测量的工作原理；(2) 了解波浪力记录的要求和特点；(3) 了解圆柱受力的特点和波浪力测量手段；(4) 分析实验结果。三、实验设备(1) 圆柱模型(塑料或铝合金)一根；(2) 波高仪一套；(3) 桩力传感器一

2、套；(4) 固定支座一套；(5) 固定夹若干；(6) 量测系统一套；(7) 圆柱固定器两个。四、实验步骤当波浪作用在圆柱上时，要仔细观察圆柱迎波面上的溅高和离波向的涡流 ；同时开起量测系统的采样开关，记录波浪和作用力的过程线，记录1020个周期。并仔细作好各种标记和观测记录。可采用相同或不相同的波要素重 复进行35次实验，将各次的观测结果填表记录。波浪对圆柱的作用力山 惯性力Fhi和 阻力（拖曳力）Fhd两部分组成,可用莫里森方程进行计算。该方程为：IFH=FHi +Fhd=Cm p-V + -CDp-A-uu,7rH chk（z + d） qu = cos 6,T sh（kd）式中：质量系数

3、；可取2.06- 阻力系数：可取1.2V-圆柱单位长度的体积 ：人一圆柱单位长度的投影面积：u-水质点速度的水平分量;H 波高：K-波数：d-水深：T-波浪周期：e-相位角。根据以下公式计算作用在圆柱上的总水平力的大小，得到最大波浪作用力值Fh= fh % cos 6>|cos 0 + Fh /nux sin 0五、数据处理（画出表格、写出算例、给出波长迭代计算的程序等）（35分）实验组次1234波周期T/Sec5.535.475.443.89波高H/cm2.43.74.81.6水深h/cm69.569.569.569.5桩径d/cm4.9904.9904.9904.990实测力FHma

4、x/N0.1280.3740.4290.251计算力FHmax/N0.1370.2130.4640.127以第一组实验数据为例，作用在圆柱体上的总水平力为：FH=FHDmaxCOS0 | COS )| +FHImaxSl fl"其中FHDmax为最大总水平拖曳力，Fuhnax为最大总水平惯性力FHDmax= (CdyDH2/2) *Ki, Ki=2k(d+H/2)+sh2k(d+H/2)/8sh(2kd);FHimax=(CM Y D2H/8)*K2，K2=sh(kd)/ch(kd)查表得波长计算公式:L= (gT2/2n ) *th(kd)：通过迭代法计算波长L,取初值L=13,输

5、出结果分别为波长L和波数k迭代程序:#inelude <stdio.h>#inelude <stdlib.h>int main()double g=9.8,t,a,k,L,h;int i;scanf(”lf %lf %lf,&t,&L,&h);a=g*t*t/(2*3.14);for(i=0;i<=200;i+)k=6.28/L;L=a*tanh(h*k);printf(”lf %lfn”,L,k);return 0;所以 L=14.21, k=0.442,水深 h=0.695m,波高 0.024m。Ki =0.24692778, FHDm

6、ax= 0.041732107 N=刃 /2,K2= 0.297878581, FH|max= 0.136945366 N由上式可知FHImax >2FHDmax，所以最大总水平力发生在COS 0 =0时，即此时最大总水平力等于最大总水平惯性力，六、思考题（50分）（1）波浪对圆柱的作用力分为哪两部分，其作用机理分别是什么；（20分）答：波浪对圆柱的作用力分为惯性力和阻力两部分。惯性力就是未受柱体 存在影响的流体压强对柱体沿流动方向的作用力，称为劳德克雷洛夫力。阻力 分为摩擦拖曳力和压差拖曳力。摩擦拖曳力是山于流体的粘滞性在柱体表面形成 边界层，在此边界层范围内，流体的速度梯度很大，摩擦

7、效应显著，产生了很大 的摩擦切应力。压差拖曳力是山于边界层在圆柱体表面某处分离，在分离点下游 即在柱体后部形成很强的漩涡尾流，使得柱体后部的压强大大低于柱体前部的压 强，于是形成了柱体前后部的压力差，在流动方向产生了力。（2）根据实验数据绘制波浪力随时间变化的曲线图；（20分）波浪力随相位变化的曲线图1第一组0.2时何/t波浪力随相位变化的曲线图2系列1时间/t波浪力随相位变化的曲线图3波浪力随相位变化的曲线图4U!系列$时间7*（3）采用Morison方程讣算桩力，并与实测桩力相比较，分析误差产生的原 因。（10分）答：1 讣算波浪力时，是釆用线性波理论按照规则波计算的，但造波机造出 的波并不完全是规则波，并且会和反射波叠加，造成一定的误差。2波峰通过柱体垂直中心轴线位置的瞬间，波面高度近似为波高的一半，实 际产生的波面高度并不完全等于波高的一半。3莫里森方程在理论上本身是有缺陷的，公式中的拖曳力是按真实粘性流体 的定常均匀水流绕过柱体时，对柱体的作用力的分析得到的，可惯性力是按照理 想流体的有势非定常流理论分析