波浪對圓柱的作用力實驗

1、中國石油大學(xué)海洋環(huán)境實驗報告 每空1分，共10分波浪對圓柱的作用力實驗2015一、 實驗?zāi)康膱A柱是海洋工程中最常見的結(jié)構(gòu)物之一。通過線性波對圓柱的作用實驗，讓學(xué)生建立起波浪對結(jié)構(gòu)物作用的基本概念，并了解測量結(jié)構(gòu)物上波浪力的方法和過程，以及對測量結(jié)果的處理。在此實驗中，應(yīng)注意波要素、慣性力和阻力三者之間的相互關(guān)系。二、 實驗內(nèi)容(1) 了解波浪力測量的工作原理；(2) 了解波浪力記錄的要求和特點；(3) 了解圓柱受力的特點和波浪力測量手段；(4) 分析實驗結(jié)果。三、 實驗設(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) 量測系統(tǒng)一套；(7) 圓柱固定器兩個。四、 實驗步驟當(dāng)波浪作用在圓柱上時，要仔細(xì)觀察圓柱迎波面上的 濺高 和離波向的 渦流 ；同時開起量測系統(tǒng)的采樣開關(guān)，記錄波浪和作用力的過程線，記錄1020個周期。并仔細(xì)作好各種標(biāo)記和觀測記錄。可采用相同或不相同的波要素重復(fù)進(jìn)行35次實驗，將各次的觀測結(jié)果填表記錄。波浪對圓柱的作用力由 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 圓柱單位長度的 排水體積 ； A 圓柱單位長度的 垂直于流動方向的投影面積 ；u 水質(zhì)點速度的 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、給出波長迭代計算的程序等）（35分）波浪對圓柱的作用力實驗記錄表實驗組次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實測力FHmax/N0.1130.3550.3690.148計算力FHmax/N0.0676530.1452670.2209390.118766以第一組實驗數(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)查表得波長計算公式：L=（gT2/2）*th(kd)；通過迭代法計算波長L，取初值L=13，輸出結(jié)果分別為波長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?？汕蟮茫篕1= 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，即=/2，此時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)€點的摩擦切應(yīng)力在流動方向投影總和，流體作用在柱體表面各點法向壓應(yīng)力在流動方向投影總和；而慣性力是未受柱體影響的流體壓強(qiáng)對柱體沿流動方向的作用力，同時柱體擾動所改變的附加流體質(zhì)量沿流動方向產(chǎn)生附加慣性力。(2) 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制波浪力隨時間變化的曲線圖；（20分） (3) 采用Morison方程計算樁力，并與實測樁力相比較，分析誤差產(chǎn)生的原因。（10分）答：實測力FHmax/N0.1130.3550.3690.148計算力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，而計算波浪力采用線性波理論按規(guī)則波計算，所以必有一定誤差產(chǎn)生；2.莫里森方程本身有缺陷；3.人為的實驗誤差，