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 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) 桩力传感器一套；(4) 固定支座一套；(5) 固定夹若干

2、；(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由 惯性力 FHI 和 拖曳力 （拖曳力）FHD两部分组成，可用 莫里森 方程进行计算。该方程为：，式中：CM 质量 系数； 可取2.0CD 拖曳力 系数；可取1.2V 圆柱单位长度的 排水体积 ； A 圆柱单位长度的 垂直于流动方向的投影面积 ；u 水质点速度的 水平

3、 分量； H 波高；K 波数； d 水深；T 波浪周期； 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）波浪对圆柱的作用力实验记录表实验组次1234波周期T/Sec5.535.475.433.88波高H/cm1.72.83.62.2水深h/cm69.569.569.569.5桩径d/cm4.984.994.974.98实测力FHmax/N0.1130.3550.3690.148计算力FHmax/N0.0676530.1452670.2209390.118766以第一组实验数据为例，作用在圆柱体上

4、的总水平力为：FH=FHDmaxcos|cos|+FHImaxsin其中FHDmax为最大总水平拖曳力，FHImax为最大总水平惯性力FHDmax=（CDDH2/2）*K1，K1=2k(d+H/2)+sh2k(d+H/2)/8sh(2kd);FHImax=(CMD2H/8)*K2，K2=sh(kd)/ch(kd)查表得波长计算公式：L=（gT2/2）*th(kd)；通过迭代法计算波长L，取初值L=13，输出结果分别为波长L 和波数k迭代程序：#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main() double g=9.8,t,a,

5、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=14.212，k=0.442，又水深h=0.695m，波高H=0.017m。可求得：K1= 0.292641，FHDmax= 0.024765073NK2= 0.415201642, FHImax= 0.0428877N由上式可知FHImax

6、 >2FHDmax，所以最大总水平力发生在cos=0时，即=/2，此时最大总水平力等于最大总水平惯性力，即FHmax=FHImax=0.068N。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：分为拖曳力与惯性力，其中，拖曳力分为摩擦拖曳力与压差拖曳力，分别是流体作用在主体表面个点的摩擦切应力在流动方向投影总和，流体作用在柱体表面各点法向压应力在流动方向投影总和；而惯性力是未受柱体影响的流体压强对柱体沿流动方向的作用力，同时柱体扰动所改变的附加流体质量沿流动方向产生附加惯性力。(2) 根据实验数据绘制波浪力随时间变化的曲线图；（20分） (3) 采用Morison方程计算桩力，并与实测桩力相比较，分析误差产生的原因。（10分）答：实测力FHmax/N0.1130.3550.3690.148计算力FHmax/N0.0676530.1452670.2209390.118766误差67.02%144.38%67.01%24.61%1.造波机产生的波不完全是规则波，而计算波浪力采用线性波理论按规则波计算，所以必有一定误差产生；2.莫里森方程本身有缺陷；3.人为的实验误差，