中国石油大学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：姓名：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。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。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

2、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10复进20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行3?5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：cu1Fh=Fhi+Fhd=CmfVCdPaUu,日迷2u二Hchk（zd）一uCOSV,Tsh（kd）式中：Cm质量系数；可取2.0Cd阻力系数;可取1.2V一圆柱单位长度的体积

3、；A圆柱单位长度的投影面积；u水质点速度的水平分量；H一波高；K一波数；d一水深；T一波浪周期；e一相位角。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=fHD maxCO A CO fHI maxSi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/cm2.43.74.81.68水深h/cm69.569.569.569.5桩径d/cm4.9904.9904.9904.990实测力FHmax/N0.1280.3740.4290.251计算力FHmax/N0.1370.2130.46

4、40.127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|COS0|+FHImaxSn其中FHDmax为最大总水平拖曳力，FHImax为最大总水平惯性力FHDmax=(Cd丫DH/2)*Ki,Ki=2k(d+H/2)+sh2k(d+H/2)/8sh(2kd);2FHImax=(Cm丫nDH/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,输出结果分别为波长L和波数k迭代程序：#includeintmain()doubleg=9.8,t,a,k,L,h;inti;scanf(

5、%lf%lf%lf,&t,&L,&h);a=g*t*t/(2*3.14);for(i=0;i2FHDmax,所以最大总水平力发生在COSB=0时，即0=n/2,此时最大总水平力等于最大总水平惯性力，即FHmax=FHImax=0.137N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。摩擦拖曳力是由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，摩擦效应显著，产生了很

6、大的摩擦切应力。压差拖曳力是由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h ri/t波浪力随相位变化的曲线图2?第二组波浪力随相位变化的曲线图3第三组0.30?0时3八0.10 2z时阿找波浪力随相位变化的曲线图4第四组(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：1.计算波浪力时，是采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得到的，两者没有共同的理论基础