波浪对圆柱的作用力实验

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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；

(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～

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复进行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 F HI 和 拖曳力 （拖曳力）F HD 两部分组成，可用 莫里森 方程进行计算。

该方程为：

1

,2

H HI HD M D u F F F C V C A u u t ρρ∂=+=⋅⋅⋅

+⋅⋅⋅⋅⋅∂ θπcos )

()]

([⋅+⋅

=

kd sh d z k ch T

H u ，

式中：C M — 质量 系数； 可取2.0

C D — 拖曳力 系数；可取1.2

V — 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 分量； H — 波高；

K — 波数； d — 水深；

T — 波浪周期； θ — 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

max max

cos cos sin H H D H I F F F θθθ =+

以第一组实验数据为例，作用在圆柱体上的总水平力为：

F H=F HDmax cosθ|cosθ|+F HImax sinθ

其中F HDmax为最大总水平拖曳力，F HImax为最大总水平惯性力

F HDmax=（C DγDH2/2）*K1，K1={2k(d+H/2)+sh[2k(d+H/2)]}/8sh(2kd);

F HImax=(C MγπD2H/8)*K2，K2=sh(kd)/ch(kd)

查表得波长计算公式：L=（gT2/2π）*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

#include

int main()

{

double g=9.8,t,a,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 %lf\n",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 HDmax=0.024765073N

K2= 0.415201642, F HImax= 0.0428877N

由上式可知F HImax >2F HDmax，所以最大总水平力发生在cosθ=0时，即θ=π/2，此时最大总水平力等于最大总水平惯性力，即F Hmax=F HImax=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：

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，包括读数误差和机器造成的误差。

七、实验总结（5分）

经过这次的测试技术实验,我个人得到了不少的收获,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了实验操作能力，培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力。