РГР [все] / Отчёт_№2
.docНижегородский Государственный Технический Университет
Кафедра теории корабля
Доц. Грамузов Е. М.
Отчёт по лабораторной работе:
Гидродинамические нагрузки на вертикальные
круглоцилиндрические элементы морских сооружений
Выполнил:
Захаров А. К.
Проверил:
Савинов В. Н.
Нижний Новгород
2009 год
Цель работы: Ознакомление студентов с физической природой воздействия течения и морского регулярного волнения на круглоцилиндрические элементы морских сооружений, изучение основных положений теории и расчета, а также ознакомление с методикой постановки эксперимента по определению гидродинамических коэффициентов сопротивления.
Краткие сведения из теории
Гидродинамические нагрузки от течения и волнения во многих случаях являются определяющими при проектировании технических, средств для освоения континентального шельфа. Рассмотрим физическую природу и основные положения расчетных методов определения этих нагрузок.
Гидродинамические нагрузки от течения
Среди большого многообразия различных морских и океанских течений можно выделить 2 их чаще всего встречающихся вида и поэтому наиболее значимых при расчетах: приливно-отливные и ветровые течения. В прибрежных районах скорости таких течений составляют 0.25 - 0.50 м/с, а в районе сужений могут возрастать до 2 - 3 м/с.
Скорости течений слабо изменяются во времени и в этом отношении их можно рассматривать как стационарные потоки. У приливно-отливных течений закон изменения скорости по глубине определяется ориентировочной зависимостью
где VTO - скорость частиц на поверхности моря; z - глубина от свободной поверхности; Н - глубина акватории.
Из этой зависимости и рис. 1,а следует, что скорости частиц в приливно-отливном течении мало изменяются по глубине (исключая придонную область, где сказывается трение потока о дно).
Скорость ветрового течения у поверхности воды составляет 2-4 % от скорости ветра. По глубине изменение скорости таких течений значительнее, однако считается, что глубже 100 м ветровые течения не проникают. Закон изменения скорости по глубине для ветровых течений ближе к линейному (см. рис. 1,б):
, если H < 100 м;
, если Н ≥ 100 м.
Из зависимостей видно, что уменьшение скорости частиц жидкости в течениях происходит медленнее, чем у ветровых волн, поэтому общая нагрузка от течения на глубоководные основания может быть весьма значительной. Большую опасность представляют также размывы грунта около морских сооружений, создаваемые течениями.
Рис.1. Профили течений: а - приливно-отливные; б - ветровые
Волновые нагрузки
Основные зависимости линейной гидродинамической теории волн
В настоящее время разработаны различные теории и методики для описания и расчета параметров морского волнения. Наиболее простой из них является линейная гидродинамическая теория волн (или так называемая теория волн малой амплитуды), использующая концепцию плоского регулярного волнения, профиль поверхности которого определяется соотношением (рис.4)
где h - высота волны, м; k = 2π / λ - волновое число, м-1; ω = 2π / τ – круговая частота, с-1; τ - период, с; t -время, с; x - продольная координата, измеряемая по лучу распространения волн, м; c - скорость распространения, м/с; λ - длина волн, м.
На рис.4,а показаны профиль и параметры волны при фиксированной координате х = 0, а на рис. 4,6 - при фиксированном времени t = 0.
Для акватории конечной глубины Н имеет место Следующее соотношение между основными параметрами волнения:
, где
Рис.4. Профиль плоского регулирования, его параметры и эпюра скоростей V и ускорений в различных точках
Скоростная составляющая волновой нагрузки
Общая формула удельной (на единицу длины) гидродинамической нагрузки на тело, обтекаемое потоком жидкости, известна из гидромеханики:
где qx - проекция нагрузки на произвольную ось х; р - давление в точках контура; L - длина дуги контура преграды; n - нормаль к ее поверхности; А - площадь, ограниченная кривой контура L.
В дальнейшем ось х будем считать совпадающей с направлением распространения волн по горизонтали и этот индекс опустим. Для расчета по формуле надо знать распределение давлений р по контуру преграды, которое связано с характером изменения скоростей и ускорений частиц жидкости в потоке, обтекающем тело.
Инерционная составляющая волновой нагрузки
Если преграда малых поперечных размеров свободно плавает, то волны от нее практически не отражаются и давление в каждой точке ее смоченной поверхности совпадает с давлением в той же точке взволнованной поверхности жидкости при отсутствии преграды. Впервые такая гипотеза была высказана академиком А.Н. Крыловым при изучении качки судов. Если размеры преграды малы по сравнению с длиной волны, то местное локальное ускорение ∂V/∂t мало меняется по сечению преграды и обусловленную этим ускорением удельную инерционную составляющую волновой нагрузки можно записать:
Физически воздействие этого вида нагрузки можно представить, когда человек плавает по взволнованному морю и его тело швыряет волнами из стороны в сторону.
Если преграда не движется с волной, как предполагает гипотеза А.Н. Крылова, а неподвижна, то возникает дополнительная нагрузка, связанная с ускоренным движением жидкости относительно преграды:
где ΔM - присоединенная масса жидкости; Δm = М/А - коэффициент присоединенной массы.
Описание лабораторной установки
Установка состоит из цилиндрического корпуса с двумя круглыми гладкими силоизмерительными элементами, которое посредством упругих балочек с тензодатчиками (т/д) прикреплены к верхней части корпуса так, что не соприкасаются ни с какими его деталями. Для регистрации волны применяется волнограф поплавкового типа. Изменение положения поплавка вызывает изменение электрического сопротивления R(t) синхронно с изменением поверхности волны t.
Рис.1. Схема установки: а - измерение нагрузок от течения; б - измерение волновых нагрузок
Основные технические характеристики установки
Диаметр силоизмерительного элемента D = 0.076 м;
Длина силоизмерительного элемента L = 0.038 м;
Площадь преграды силоизмерительного элемента Ао = DL = 0.289·10-2 м2;
Объем силоизмерительного элемента Wo = D2L/4 = 0.1722·10-3 м3;
Расстояние от верхнего сечения трубы до уровня воды а = 0,390 м;
Глубина погружения центра верхнего элемента ZB = 0.487 - а = 0.097 м;
Глубина погружения центра нижнего элемента ZH = 0.713 - а = 0.323 м;
Глубина воды до дна бассейна (ориентировочно) Н = 0.95 м3;
Плотность воды = 1000 кг/м3;
Кинематическая вязкость воды (ориентировочно для t = 20° С) = 10-6 м2/с.
Непосредственно перед замерами путем градуировки датчиков устанавливаются следующие величины:
Скорость протяжки самописца КТ = 50 мм/с;
Градуировочные коэффициенты:
- Волнографа K = 0.0173 м/мм;
- Верхнего силоизмерительного элемента КВ = 0.00945 Н/мм;
- Нижнего силоизмерительного элемента КН = 0.0042 Н/мм.
Определение гидродинамических коэффициентов сопротивления при воздействии течения
Результаты преведены в таблице 1
Таблица 1 Определение гидродинамических коэффициентов сопротивления
Замеренная или вычисленная величина |
Размер- ность |
Номер опыта |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
Скорость течения Vт |
м/с |
0,115 |
0,168 |
0,275 |
0,403 |
0,511 |
0,639 |
Отклонение Yтв |
мм |
2,460 |
5,260 |
14,100 |
30,29 |
48,710 |
76,170 |
Отклонение Yтн |
мм |
5,640 |
12,040 |
32,260 |
69,280 |
- |
- |
Нагрузка от течения на верхнем элементе Qтв = KвYтв |
Н |
0,0232 |
0,0497 |
0,1332 |
0,2862 |
0,4603 |
0,7198 |
Нагрузка от течения на нижнем элементе Qтн = KнYтн |
Н |
0,0237 |
0,0506 |
0,1355 |
0,2910 |
- |
- |
Коэффициент сопротивления для верхнего датчика |
- |
1,1868 |
1,1891 |
1,1896 |
1,1899 |
1,1901 |
1,1902 |
Коэффициент сопротивления для нижнего датчика |
- |
1,2093 |
1,2097 |
1,2096 |
1,2096 |
|
|
Число Рейнольдса |
- |
8740 |
12768 |
20900 |
30628 |
38836 |
48564 |
Эмпирические значения Ст по графику на рис.2 при hв/D = 0 |
- |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
1,2 |
Вывод: С увеличением глубины погружения, нагрузка на элементы конструкции морских сооружений увеличивается.