中國石油大學(xué)波浪對圓柱的作用力實(shí)驗(yàn)

1、.中國石油大學(xué)海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)日期： 成績： 班級： 學(xué)號： ： 教師： 同組者： 每空1分，共10分波浪對圓柱的作用力實(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。通過線性波對圓柱的作用實(shí)驗(yàn)，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(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)

2、 樁力傳感器一套；(4) 固定支座一套；(5) 固定夾若干；(6) 量測系統(tǒng)一套；(7) 圓柱固定器兩個。四、 實(shí)驗(yàn)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?？刹捎孟嗤虿幌嗤牟ㄒ刂貜?fù)進(jìn)行35次實(shí)驗(yàn)，將各次的觀測結(jié)果填表記錄。波浪對圓柱的作用力由 慣性力 FHI 和 阻力（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 阻力系數(shù)；可取1.2V 圓柱單位長度的 體積； A 圓柱單位長度的 投影面積；u

3、 水質(zhì)點(diǎn)速度的 水平分量； 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、給出波長迭代計(jì)算的程序等）（35分）實(shí)驗(yàn)組次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樁徑d/cm4.9904.9904.9904.990實(shí)測力FHmax/N0.1280.3740.4290.251計(jì)算力FHmax/N0.1370.2130.4640.127以第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，作用在圓柱體上的總水平力為：FH=FHD

4、maxcos|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(jì)算公式：L=（gT2/2）*th(kd)；通過迭代法計(jì)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,k,L,h; int i;

5、 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。K1=0.24692778，F(xiàn)HDmax=0.041732107 NK2=0.297878581, FHImax= 0.136945366 N由上式可知FHImax >2FHDmax，所以最大總

6、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=0.137N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：波浪對圓柱的作用力分為慣性力和阻力兩部分。慣性力就是未受柱體存在影響的流體壓強(qiáng)對柱體沿流動方向的作用力，稱為勞德-克雷洛夫力。阻力分為摩擦拖曳力和壓差拖曳力。摩擦拖曳力是由于流體的粘滯性在柱體表面形成邊界層，在此邊界層范圍內(nèi)，流體的速度梯度很大，摩擦效應(yīng)顯著，產(chǎn)生了很大的摩擦切應(yīng)力。壓差拖曳力是由于邊界層在圓柱體表面某處分離，在分離點(diǎn)下游即在柱體后部形成很強(qiáng)的漩渦尾流，使得柱體后部的壓

7、強(qiáng)大大低于柱體前部的壓強(qiáng)，于是形成了柱體前后部的壓力差，在流動方向產(chǎn)生了力。(2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制波浪力隨時間變化的曲線圖；（20分）波浪力隨相位變化的曲線圖1波浪力隨相位變化的曲線圖2波浪力隨相位變化的曲線圖3波浪力隨相位變化的曲線圖4(3) 采用Morison方程計(jì)算樁力，并與實(shí)測樁力相比較，分析誤差產(chǎn)生的原因。（10分）答：1.計(jì)算波浪力時，是采用線性波理論按照規(guī)則波計(jì)算的，但造波機(jī)造出的波并不完全是規(guī)則波，并且會和反射波疊加，造成一定的誤差。2.波峰通過柱體垂直中心軸線位置的瞬間，波面高度近似為波高的一半，實(shí)際產(chǎn)生的波面高度并不完全等于波高的一半。3.莫里森方程在理論上本身是有缺陷的，公式中的拖曳力是按真實(shí)粘性流體的定常均勻水流繞過柱體時，對柱體的作用力的分析得到的，可慣性力是按照理想流體的有勢非定常流理論分析得到的，兩者沒有