波浪对圆柱的作用力实验.docx

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和拖曳力（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—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
实验组次1234波周期T/Sec5.535.475.433.88波高H/cm1.72.83.62.2水深h/cm69.569.569.569.5桩径d/cm4.984.994.974.98实测力FHmax/N0.1130.3550.3690.148计算力FHmax/N0.0676530.1452670.2209390.118766
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>
intmain()
{
doubleg=9.8,t,a,k,L,h;
inti;
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);
}
return0;
}

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，FHDmax=0.024765073N
K2=0.415201642,FHImax=0.0428877N
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=0.068N。

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：
实测力FHmax/N0.1130.3550.3690.148计算力FHmax/N0.0676530.1452670.2209390.118766误差67.02%144.38%67.01%24.61%
1.造波机产生的波不完全是规则波，而计算波浪力