波浪對(duì)圓柱的作用力實(shí)驗(yàn)_第1頁(yè)
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1、中國(guó)石油大學(xué)海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)報(bào)告 每空1分,共10分波浪對(duì)圓柱的作用力實(shí)驗(yàn)2015一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱A柱是海洋工程中最常見的結(jié)構(gòu)物之一。通過線性波對(duì)圓柱的作用實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生建立起波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物作用的基本概念,并了解測(cè)量結(jié)構(gòu)物上波浪力的方法和過程,以及對(duì)測(cè)量結(jié)果的處理。在此實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)注意波要素、慣性力和阻力三者之間的相互關(guān)系。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 了解波浪力測(cè)量的工作原理;(2) 了解波浪力記錄的要求和特點(diǎn);(3) 了解圓柱受力的特點(diǎn)和波浪力測(cè)量手段;(4) 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1) 圓柱模型(塑料或鋁合金)一根;(2) 波高儀一套;(3) 樁力傳感器一套;(4) 固定支座一套;(5) 固定夾若干

2、;(6) 量測(cè)系統(tǒng)一套;(7) 圓柱固定器兩個(gè)。四、 實(shí)驗(yàn)步驟當(dāng)波浪作用在圓柱上時(shí),要仔細(xì)觀察圓柱迎波面上的 濺高 和離波向的 渦流 ;同時(shí)開起量測(cè)系統(tǒng)的采樣開關(guān),記錄波浪和作用力的過程線,記錄1020個(gè)周期。并仔細(xì)作好各種標(biāo)記和觀測(cè)記錄??刹捎孟嗤虿幌嗤牟ㄒ刂貜?fù)進(jìn)行35次實(shí)驗(yàn),將各次的觀測(cè)結(jié)果填表記錄。波浪對(duì)圓柱的作用力由 慣性力 FHI 和 拖曳力 (拖曳力)FHD兩部分組成,可用 莫里森 方程進(jìn)行計(jì)算。該方程為:,式中:CM 質(zhì)量 系數(shù); 可取2.0CD 拖曳力 系數(shù);可取1.2V 圓柱單位長(zhǎng)度的 排水體積 ; A 圓柱單位長(zhǎng)度的 垂直于流動(dòng)方向的投影面積 ;u 水質(zhì)點(diǎn)速度的 水平

3、 分量; H 波高;K 波數(shù); d 水深;T 波浪周期; 相位角。根據(jù)以下公式計(jì)算作用在圓柱上的總水平力的大小,得到最大波浪作用力值五、 數(shù)據(jù)處理(畫出表格、寫出算例、給出波長(zhǎng)迭代計(jì)算的程序等)(35分)波浪對(duì)圓柱的作用力實(shí)驗(yàn)記錄表實(shí)驗(yàn)組次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樁徑d/cm4.984.994.974.98實(shí)測(cè)力FHmax/N0.1130.3550.3690.148計(jì)算力FHmax/N0.0676530.1452670.2209390.118766以第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,作用在圓柱體上

4、的總水平力為:FH=FHDmaxcos|cos|+FHImaxsin其中FHDmax為最大總水平拖曳力,F(xiàn)HImax為最大總水平慣性力FHDmax=(CDDH2/2)*K1,K1=2k(d+H/2)+sh2k(d+H/2)/8sh(2kd);FHImax=(CMD2H/8)*K2,K2=sh(kd)/ch(kd)查表得波長(zhǎng)計(jì)算公式:L=(gT2/2)*th(kd);通過迭代法計(jì)算波長(zhǎng)L,取初值L=13,輸出結(jié)果分別為波長(zhǎng)L 和波數(shù)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,F(xiàn)HDmax= 0.024765073NK2= 0.415201642, FHImax= 0.0428877N由上式可知FHImax

6、 >2FHDmax,所以最大總水平力發(fā)生在cos=0時(shí),即=/2,此時(shí)最大總水平力等于最大總水平慣性力,即FHmax=FHImax=0.068N。六、 思考題(50分)(1) 波浪對(duì)圓柱的作用力分為哪兩部分,其作用機(jī)理分別是什么;(20分)答:分為拖曳力與慣性力,其中,拖曳力分為摩擦拖曳力與壓差拖曳力,分別是流體作用在主體表面?zhèn)€點(diǎn)的摩擦切應(yīng)力在流動(dòng)方向投影總和,流體作用在柱體表面各點(diǎn)法向壓應(yīng)力在流動(dòng)方向投影總和;而慣性力是未受柱體影響的流體壓強(qiáng)對(duì)柱體沿流動(dòng)方向的作用力,同時(shí)柱體擾動(dòng)所改變的附加流體質(zhì)量沿流動(dòng)方向產(chǎn)生附加慣性力。(2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制波浪力隨時(shí)間變化的曲線圖;(20分) (3) 采用Morison方程計(jì)算樁力,并與實(shí)測(cè)樁力相比較,分析誤差產(chǎn)生的原因。(10分)答:實(shí)測(cè)力FHmax/N0.1130.3550.3690.148計(jì)算力FHmax/N0.0676530.1452670.2209390.118766誤差67.02%144.38%67.01%24.61%1.造波機(jī)產(chǎn)生的波不完全是規(guī)則波,而計(jì)算波浪力采用線性波理論按規(guī)則波計(jì)算,所以必有一定誤差產(chǎn)生;2.莫里森方程本身有缺陷;3.人為的實(shí)驗(yàn)誤差,

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