国内石油大学波浪对圆柱的作用力实验.docVIP

PAGE PAGE 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。 二、 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。 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 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： ， 式中：CM — 质量 系数； 可取2.0 CD — 阻力 系数；可取1.2 V — 圆柱单位长度的 体积 ； A — 圆柱单位长度的 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） 实验组次 1 2 3 4 波周期T/Sec 5.53 5.47 5.44 3.89 波高H/cm 2.4 3.7 4.8 1.6 水深h/cm 69.5 69.5 69.5 69.5 桩径d/cm 4.990 4.990 4.990 4.990 实测力FHmax/N 0.128 0.374 0.429 0.251 计算力FHmax/N 0.137 0.213 0.464 0.127 以第一组实验数据为例，作用在圆柱体上的总水平力为： FH=FHDmaxcosθ|cosθ|+FHImaxsinθ 其中FHDmax为最大总水平拖曳力，FHImax为最大总水平惯性力 FHDmax=（CDγDH2/2）*K1，K1={2k(d+H/2)+sh[2k(d+H/2)]}/8sh(2kd); FHImax=(CMγπD2H/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 <stdio.h> #include <stdlib.h> 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=14.21，k=0.442，水深h=0.695m，波高0.024m。 K1=0FHDmax= 0.041732107 N K2= 0.297878581, FHImax= 0.136945366 N 由上式可知FHImax >2FHDmax，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