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分层流体中内波对物体的作用力

陈旭  
【摘要】: 近年来,物体在分层流体中的运动生成的内波及由于分层引起的内波增阻,桩柱在内波场中的受力或荷载等问题倍受物理海洋学家、工程海洋学家和军事海洋学家的关注。本文针对以上重要问题分别进行了研究。 本文首先进行了分层流体中水平运动物体的阻力研究,建立了均匀分层流体中不同长径比的椭球体在不同的速度(Froude数)条件下运动时的阻力理论,给出渐进的理论曲线。在中国海洋大学物理海洋实验室的三维内波水槽中进行了有关内波增阻的拖曳实验。利用测力系统测量了模型所受到的水平阻力,然后利用平均方法给出增阻曲线。实验结果很好的与理论结果相吻合。由实验结果业已表明,阻力系数随着Froude数的增大先增大后减小逐渐趋于零,存在最大阻力系数对应的临界Froude数。这一临界Froude数随着长径比的增大而增大。 此外本文对内波场作用下Rankine卵形体垂向力进行实验研究。利用相似理论和Π定理,建立了垂向力系数与环境要素和波要素的关系。在二维内波水槽中进行了这一实验。最终,给出了垂向力系数与内波振幅成正比的关系,与深度的关系是在跃层中心垂向力最大,向两边逐渐减小。同时,内波周期决定垂向力的周期。 最后,本文对内波作用下垂直桩柱及水平桩柱的阻力进行实验研究。采用相似理论与Π定理建立了阻力系数与环境要素之间的关系。实验是在5个相似常数保持不变的情况下进行的。给出了阻力系数与内波振幅成正比关系。与深度的关系是在跃层以上阻力系数最大,在跃层中心阻力系数最小,下层中随着深度的增大而减小。内波频率对阻力系数影响不大,但存在某一共振频率使得阻力系数增大。由于Reynolds数可用其他相似常数表出,因此我们忽略了Reynolds数与阻力之间关系的研究。对于垂直桩柱的阻力系数,随着内波振幅的增大阻力系数增大,内波周期决定阻力的周期。


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