中国石油大学波浪对圆柱的作用力实验.docVIP

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实验目的 圆柱是结构物之一。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、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) 固定支座一套； 5) 固定夹若干； 6) 量测系统一套； 7) 圆柱固定器两个。 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和离波向的；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 FHI 和（）F两部分组成，可用方程进行计算 该方程为： ， 式中：C — 质量 系数； CD — 阻力 系数；V — 圆柱单位长度的； A — 圆柱单位长度的面积； u — 水质点速度的分量； H — 波高； K — 波数； — 水深； T — 波浪周期； θ — 相位角。c 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）* 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；：波浪对圆柱的作用力分为惯性力和阻力两部分。就是未受存在影响的流体压强对柱体沿流动方向的作用力，劳德-洛夫力。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在柱体形成边界层，在此边界层范围内，流体的速度梯度很大，摩擦效应显著，产生了很大的摩擦切应力。压差力是由于边界层在圆柱表面某处分离，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于是形成了前后部的压力差，在流动方向产生了力。 波浪力随相位变化的曲线图 波浪力随相位变化的曲线图 波浪力随相位变化的曲线图 波浪力随相位变化的曲线图 (3) 采用Morison方程计算桩力，并与实测桩力相比较：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。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