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
2、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1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 1020 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 35 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）F HD 两部分组成，可用 莫里森 方程进行计算。该方程为： 1,2HIHDMDuFCVCAut，cos)(kdshzcTu式中：C M 质量 系数；
3、 可取 2.0CD 阻力 系数；可取 1.2V 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； 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 3.89max maxcossinHDHIFF 2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、4.990 4.990实测力FHmax/N0.128 0.374 0.429 0.251计算力FHmax/N0.137 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=FHDmaxcos|cos |+F HImaxsin其中 FHDmax 为最大总水平拖曳力，F HImax 为最大总水平惯性力FHDmax=（C DDH 2/2）*K 1，K 1=2k(d+H/2)+sh2k(d+H/2)/8sh(2kd);FHImax=(CM D2H/8)*K2，K 2=sh(kd)/ch(kd)查表得波长计算公式：L= （gT 2/2）*th(kd)；通过迭代法计算
5、波长 L，取初值 L=13，输出结果分别为波长 L 和波数 k3迭代程序：#include #include int main()double g=9.8,t,a,k,L,h;int i;scanf(“%lf %lf %lf“,a=g*t*t/(2*3.14);for(i=0;i2FHDmax，所以最大总水平力发生在 cos=0 时，即=/2 ，此时最大总水平力等于最大总水平惯性力，即 FHmax=FHImax=0.137N4六、 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
6、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 15波浪力随相位变化的曲线图 2波浪力随相位变化的曲线图 3波浪力随相位变化的曲线图 46(3) 采用 Moriso
7、n 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。4.人为测量误差，造波机、传感器的仪器误差以及环境因素造成的误差。七、 实验总结（5 分）通过本次实验，我了解了圆柱的受力特点以及波浪力的测量方法，以及波浪对圆柱的作用机理，同时提高了动手能力和团队合作意识。6
