НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА

Кафедра «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов»

Курс «Океанотехника»

Отчёт по лабораторной работе №2

Гидродинамические нагрузки на вертикальные

круглоцилиндрические элементы морских сооружений

Выполнил:
Группа:
Проверил:	Савинов В. Н.

Нижний Новгород

2022

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 V_TO - 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 q_x - 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 А_о = DL = 0.289·10^-2 м²;

Объем силоизмерительного элемента W_o = D²L/4 = 0.1722·10^-3 м³;

Расстояние от верхнего сечения трубы до уровня воды а = 0,390 м;

Глубина погружения центра верхнего элемента Z_B = 0.487 - а = 0.097 м;

Глубина погружения центра нижнего элемента Z_H = 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 К_Т = 50 мм/с;

Градуировочные коэффициенты:

- Волнографа K_ = 0.0173 м/мм;

- Верхнего силоизмерительного элемента К_В = 0.00945 Н/мм;

- Нижнего силоизмерительного элемента К_Н = 0.0042 Н/мм.

Определение гидродинамических коэффициентов сопротивления при воздействии течения:

Результаты преведены в таблице 1

Таблица 1 Определение гидродинамических коэффициентов сопротивления

Для расчета используем следующие формулы:

коэффициент сопротивления для верхнего датчика ;

коэффициент сопротивления для нижнего датчика ;

Число Рейнольдса .

Вывод: С увеличением глубины погружения, нагрузка на элементы конструкции морских сооружений увеличивается.