CN102331332B - 可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于研究结构在流场中振动的试验装置，具体涉及一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置。其结构包括设置在底座上的弹性支座，以及设置在弹性支座上的模型管线，其中，所述的弹性支座包括支架和用于安装模型管线的管夹，支架与管夹之间设有弹簧芯杆，弹簧芯杆上套有弹簧；在支架上开有滑槽，滑槽内设有滑块，滑块通过所述的弹簧芯杆与管夹连接。本发明可以分别控制两个方向的振动，解决了研究涡激振动中的流固耦合作用无法进行试验的问题。

Description

可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置

技术领域

本发明涉及用于研究结构在流场中振动的试验装置，具体涉及一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置。

背景技术

涡激振动是圆柱体在流场中的一种特殊振动形式，是圆柱体尾流处的涡旋脱落引起的振动。关于涡激振动的研究已有60多年的历史，但近年来，由于海洋深水油气开发而出现的立管涡激振动问题又掀起了新一轮的圆柱体涡激振动研究热潮。

研究发现，用传统的涡激振动理论不能很好地解释深水立管特殊的涡激振动现象，如振动幅度大。传统的涡激振动理论认为，涡激振动的振幅A与圆柱体直径D的比值为A/D＝0.1～0.15，而深水立管的涡激振动幅值A与直径D的比值大于1。

深水立管涡激振动的第二个特点是顺流向(与水的流动速度方向平行)振幅与横向(与水的流动速度方向垂直)振幅为同一数量级，其比值随水的流速变化而变化，申请人的研究结果表明，在非锁定区(锁定区是指涡旋泄放频率与圆柱体的频率相等)幅值比约等于1，在锁定区约等于1/3，但传统的涡激振动理论认为，顺流向振幅远远小于横向振幅，因此，传统涡激振动理论不包括顺流向振动。

深水立管涡激振动的第三个特点是顺流向振动频率与横向振动频率的比值随流场的流速变化而变化，申请人的研究结果表明，在非锁定区频率比为1，而在锁定区为2，而传统涡激振动理论认为频率比不随流速的变化而变化，在所有区段都是2。

产生上述差别的原因是传统涡激振动试验装置的局限性造成的，传统的涡激振动试验装置有：

1)两端固定支撑的刚性圆柱体试验装置

该试验装置的圆柱体既不能产生整体的刚体振动，也不能产生侧向弯曲振动，因此，不能产生流固耦合作用，从而不能进行涡激振动试验，只能进行没有流固耦合作用的涡旋泄放试验，与深水立管的涡激振动不符。

2)单向弹性支撑的刚性圆柱体试验装置

该试验装置只能产生具有弹性支撑方向的刚体振动，不能产生两个方向的振动，因此，不能进行两个方向的涡激振动试验，不能研究两个方向振动的耦合作用的相互影响，不能揭示两自由度流固耦合现象。

3)双向弹性支撑的刚性圆柱体试验装置

该试验装置能够产生两个方向的刚体振动，但不能独立地约束一个方向的振动而只产生另一个方向的振动。因此，不能研究一个方向振动对另一个方向涡激振动的影响，也不能研究一个方向的流固耦合作用对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。此外，该装置的另一个缺点是，一个方向的弹性支撑对于另一个方向的弹性支撑产生非线性的支撑反力，使得两个方向的回复力都是非线性的，因此，试验装置的振动系统是具有非线性刚度的振动系统，只能进行小振幅涡激振动试验。

4)两端固定支撑的弹性圆柱体试验装置

该试验装置能够产生两个方向的振动，但是不能独立地约束一个方向的振动而只产生另一个方向的振动。因此，不能研究一个方向振动对另一个方向涡激振动的影响，也不能研究一个方向的流固耦合作用对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。此外，该装置的另一个缺点是，由于模型试验的水是天然的水，其密度和黏度是不能改变的，因此，如果圆柱体的直径太小，则圆柱体的尾流形态和涡旋脱落方式都将与原型结构不相似，从而使试验毫无意义。所以试验模型的最小直径应保证涡旋的正常形成和脱落，而试验模型的长度又受到试验水池的限制，所以，试验模型的弯曲刚度不能合理地模拟深水立管的刚度(深水立管的长度L与直径D的比值比较大，通常大于2000，因此，弯曲刚度较小。)，导致模型试验不能产生大变形的弯曲振动，从而不能揭示深水立管涡激振动的大位移流固耦合特征。

综上所述，现有技术的主要缺陷在于：

a)不能进行独立控制单向振动的涡激振动试验，因此，不能用于弹性圆柱体顺流向(横向)振动对横向(顺流向)涡激振动影响的试验研究，不能揭示弹性圆柱体顺流向(横向)流固耦合对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力影响的本质特征，不能揭示顺流向和横向耦合振动的流固耦合特征及其对涡激振动的影响。

b)不能模拟深水立管大位移涡激振动的流固耦合特征，大位移意味着几何非线性，线性小位移假定不再适用，因此，传统涡激振动试验装置不适用于具有强几何非线性的深水立管涡激振动研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种能够独立控制顺流向或横向振动，更适于对流场中圆柱体进行涡激振动研究的试验装置。

本发明的技术方案如下：一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，包括设置在底座上的弹性支座，以及设置在弹性支座上的模型管线，其中，所述的弹性支座包括支架和用于安装模型管线的管夹，支架与管夹之间设有弹簧芯杆，弹簧芯杆上套有弹簧；在支架上开有滑槽，滑槽内设有滑块，滑块通过所述的弹簧芯杆与管夹连接。

进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的支架为矩形框架，框架的每一个边框内均设有滑槽，边框内侧对应滑槽的位置设有开口槽；四个滑块分别设置在支架的四周滑槽内，并分别通过弹簧芯杆与管夹的四边相连接；弹簧芯杆能够沿所述的开口槽移动。

更进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，每个滑块上设有用于固定滑块的螺钉。

进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的弹簧芯杆为可伸缩结构，由外管和内管组成，内管能够在外管内滑动，外管通过端部的螺纹与管夹连接，内管通过端部的螺纹与滑块连接。

更进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，在弹簧芯杆的外管和内管上分别设有排气孔。

进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，在所述的模型管线上设有用于测量动水压力的压力传感器，在所述的管夹上设有用于测量模型管线振动的加速度传感器。

进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的弹性支座共有两个，分别设置在底座的两端。

进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的模型管线的长度大于等于1m。

本发明的有益效果如下：本发明可以分别控制两个方向的振动，解决了研究涡激振动中的流固耦合作用无法进行试验的问题，滑块机构起到了消除一个方向的弹性支撑对与其垂直方向的振动约束作用。本发明可以通过改变模型管线的质量和弹簧刚度进行不同刚度的圆柱体涡激振动试验，解决了大柔性的深水立管涡激振动大比例模型试验问题。本发明适合于研究单向振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响，适合于研究单向流固耦合对涡激振动的影响，适合于研究顺流向和横向耦合振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。

附图说明

图1为本发明的基本结构示意图；

图2为本发明的弹性支座的结构示意图；

图3为弹性支座框架内的滑槽结构示意图；

图4为本发明的弹簧芯杆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

圆柱体的涡激振动包括顺流向和横向两个自由度的振动，为了分别研究顺流向和横向涡激振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响，研究顺流向和横向涡激振动的相互影响，研究顺流向和横向涡激振动的流固耦合效应及其对涡激振动的影响，试验装置应能够分别控制顺流向或横向振动，即约束顺流向或横向振动，令试验模型仅作横向或顺流向振动。

由于圆柱体的涡激振动包括两个自由度的振动，采用单自由度振动试验是为了研究另一个自由度振动影响不存在的条件下，圆柱体的涡激振动特性，这样，通过两自由度涡激振动试验与单自由度涡激振动试验的分析比较，就可以得到该自由度振动对涡激振动的影响。

如图1所示，本发明所提供的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置由模型管线1、弹性支座2和底座3三部分组成，弹性支座2共有两个，分别设置在底座3的两端，模型管线1穿过两个弹性支座2，模型管线1上装有针式微型压力传感器11，用于测量动水压力。

模型管线1采用厚壁钢管，其直径应根据水池或水槽的造流能力确定，在满足试验所需的最大约化速度或雷诺数的条件下，尽可能采用大直径模型管线，以获得较大的弯曲刚度，避免模型管线的弯曲振动。也可以采用较短的模型管线来满足刚度要求，但不能短于1m，避免弹性支座对流场的扰动影响动水压力测试精度。

如图2所示，弹性支座2由支架4、管夹5、弹簧芯杆6、弹簧7和滑块8组成，管夹上装有加速度传感器10，用于测量模型管线的振动。所述的支架4为矩形框架，框架的每一个边框内均设有滑槽9，四个滑块8分别设置在支架4的四周滑槽9内，并分别通过弹簧芯杆6与管夹5的四边相连接。弹簧芯杆6上套有弹簧7，弹簧芯杆6可以避免弹簧7在压缩变形时发生弯曲，也可以避免弹簧7整体倾斜影响与其垂直方向的振动。

如图3所示，支架4的边框内侧对应滑槽9的位置设有开口槽12，弹簧芯杆6能够沿所述的开口槽12移动。支架4上的滑槽9的截面如图3所示的倒梯形，滑块8的截面形状与滑槽9相同，可沿滑槽9滑动。滑块8在滑槽9内滑动时，内管14沿支架4的开口槽12移动。这样就可以保证每个弹簧只提供与其轴线平行方向的弹性回复力，而与其垂直方向的振动是通过滑块的移动来消除其约束的。

如图4所示，弹簧芯杆6为可伸缩结构，由外管13和内管14组成，内管14可在外管13内滑动。为了减小滑动阻力，外管13和内管14上分别设有排气孔15和排气孔16。外管13通过端部的外螺纹18与管夹5连接，内管14通过端部的外螺纹17与滑块8连接。当然，弹簧芯杆与管夹和滑块的连接也可以不局限于上述形式，例如，将外管13通过端部的外螺纹18与滑块8连接，内管14通过端部的外螺纹17与管夹5连接也是可行的方案。

如图2所示，滑块8上设有两个螺钉19，用于固定滑块8，某一方向的滑块被固定后，可以使模型管线只产生一个方向的振动。通过这种方法，就可以实现独立控制两个方向的振动。

本发明可以分别控制两个方向的振动，解决了研究涡激振动中的流固耦合作用无法进行试验的问题。滑块机构能够消除一个方向的弹性支撑对与其垂直方向的振动约束作用，目前尚未发现有此种结构的两自由度涡激振动试验装置。现有试验装置不能控制一个方向的振动，因此，两个方向的振动耦合在一起，不能研究每个方向的振动对涡激振动和流固耦合的影响。

本发明可以通过改变模型管线的质量和弹簧刚度进行不同刚度的圆柱体涡激振动试验，解决了大柔性的深水立管涡激振动大比例模型试验问题。现有的试验装置只能采用缩尺模型进行涡激振动试验，由于深水立管的长度太大，任何水池也无法进行满足相似关系的缩尺模型试验，曾有人提出采用截断模型试验，但截断部分的刚度如何模拟尚未解决，因此，本发明是一个很好的解决方法。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，包括分别设置在底座(3)两端的两个弹性支座(2)，以及设置在弹性支座(2)上的模型管线(1)，其特征在于：所述的弹性支座(2)包括支架(4)和用于安装模型管线的管夹(5)，支架(4)与管夹(5)之间设有弹簧芯杆(6)，弹簧芯杆(6)上套有弹簧(7)；在支架(4)上开有滑槽(9)，滑槽(9)内设有滑块(8)，滑块(8)通过所述的弹簧芯杆(6)与管夹(5)连接。

2.如权利要求1所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其特征在于：所述的支架(4)为矩形框架，框架的每一个边框内均设有滑槽(9)，边框内侧对应滑槽(9)的位置设有开口槽(12)；四个滑块(8)分别设置在支架(4)的四周滑槽(9)内，并分别通过弹簧芯杆(6)与管夹(5)的四边相连接；弹簧芯杆(6)能够沿所述的开口槽(12)移动。

3.如权利要求2所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其特征在于：每个滑块(8)上设有用于固定滑块的螺钉(19)。

4.如权利要求1或2或3所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其特征在于：所述的弹簧芯杆(6)为可伸缩结构，由外管(13)和内管(14)组成，内管(14)能够在外管(13)内滑动，外管(13)通过端部的螺纹(18)与管夹(5)连接，内管(14)通过端部的螺纹(17)与滑块(8)连接。

5.如权利要求4所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其特征在于：在弹簧芯杆(6)的外管(13)和内管(14)上分别设有排气孔(15、16)。

6.如权利要求1所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其特征在于：在所述的模型管线(1)上设有用于测量动水压力的压力传感器(11)，在所述的管夹(5)上设有用于测量模型管线振动的加速度传感器(10)。

7.如权利要求1所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其特征在于：所述的模型管线(1)的长度大于等于1m。

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