CN102636326A - 一种深水立管尾流振动试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深水立管尾流振动试验方法。该方法将包括上游圆柱和下游翼形柱的试验装置放置在水槽中，将上游圆柱和下游翼形柱均竖立设置并固定在水槽中部的水流稳定区，以上游圆柱在前、下游翼形柱在后的顺序迎着水流方向排列，使得上游圆柱和下游翼形柱的轴线位于水槽的中轴线；在上游圆柱中部和下游翼形柱中部的表面均贴有应变片和压力传感器。在调节水槽水流速度达到设定的雷诺数条件下，分别测得上游圆柱和下游翼形柱不同间距时的横向振动值，从而找出尾流振动与上游圆柱和下游翼形柱不同间距的关系。本发明为控制下游立管的振动，进一步研究尾流振动机理提供了切实可行的试验方法。
Description
[技术领域]
本发明涉及深水立管尾流振动问题的研究方法，尤其涉及一种深水立管尾流振动的试验方法。
[背景技术]
深水立管通常是多根立管沿两个相互垂直的方向等间距排列的，每排立管至少有两根，多则三至四根。因此，当海流的流动方向与两根以上的立管排列方向平行时，就形成了上下游的排列方式，迎着来流方向的第一根立管称为上游立管，其他则为下游立管，行业内称其为串列立管。现场观测和实验室实验均发现，下游立管在上游立管尾流和自身涡激升力的作用，横向振动远远大于上游立管或单根立管的横向振动，因为，上游立管或单根立管仅仅受到自身涡激升力的作用。由于下游立管的涡旋泄放与上游立管的尾流涡街是耦合在一起的，因此，尾流振动和涡激振动也是耦合在一起的，两个振动之间存在相位差，并不等于尾流振动与涡激振动的直接叠加。如果采用现有的涡激振动试验方法，则无法将尾流振动和涡激振动分离开来，因此，无法研究尾流振动的性质及其与涡激振动的耦合机理。
涡激振动是圆柱体尾流场的涡旋泄放诱发的一种振动形式，传统的涡激振动只研究一个圆柱体的涡激振动问题。由于深水油气开发工程出现了多根立管沿两个垂直方向排列的结构形式，因此，当流速与立管的排列方向平行时，迎着来流方向的第一根立管以外的立管均处于其上游立管的尾流场中，可称其为尾流立管。现场观测和实验室实验均发现，尾流立管的横向振动远远大于上游立管或单根立管在同样流速条件下的横向振动。分析认为，这是由于尾流立管不仅受到自身涡旋泄放造成的涡激升力，而且受到上游立管尾流场涡街造成的横向力作用。由于涡旋泄放具有自身的规律，与流速和圆柱体的振动性质有关，因此，上游立管尾流发放的涡运动到尾流立管时的形态与两立管之间的距离有关。而下游立管的涡旋形成和发放不仅与流速和尾流立管振动形态有关，还与上游立管的尾流涡运动形态有关，这使问题变得复杂。此外，传统涡激振动立管并不包括尾流立管这样的问题，是深水油气开发引发了关于尾流立管的流致振动的研究。目前，关于尾流立管的流致振动研究还没有一种成熟的方法，主要采用传统涡激振动理论和实验方法进行研究，而传统理论和实验方法不能将上游立管尾流引起的振动和自身涡激升力引起的振动分离开来，因此，无法研究他们的耦合机理，从而不能建立相应的理论和分析模型与方法。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种深水立管尾流振动试验方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种深水立管尾流振动试验方法，包括如下步骤：
(1)将试验装置放置在水槽中，所述试验装置包括上游圆柱和下游翼形柱；将上游圆柱和下游翼形柱均竖立设置并固定在水槽中部的水流稳定区，以上游圆柱在前、下游翼形柱在后的顺序迎着水流方向排列，使得上游圆柱和下游翼形柱的轴线位于水槽的中轴线；在上游圆柱中部表面贴有应变片和压力传感器；在下游翼形柱中部的表面也贴有应变片和压力传感器；
(2)水槽充水至上游圆柱或下游翼形柱高度的2/3及以上；
(3)设定上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值，所述间距系列设定值为上游圆柱直径的整数倍；
(4)设定水槽内水流流速为流速系列设定数值；所述流速系列设定值为使水槽内水流流速的雷诺数达到特定值；
(5)启动造流泵并调整水流流速使雷诺数达到流速系列设定值中某一流速设定值；
(6)取上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值中的某一间距设定值，并保持这个间距；
(7)通过上游圆柱和下游翼形柱中部的表面贴有的应变片和压力传感器，分别测量上游圆柱和下游翼形柱的动应变和动水压力值；
(8)分析上游圆柱和下游翼形柱的测量数据，计算出振动频率、振动幅值和涡激升力的频率和大小；
(9)关闭造流系统，调整并固定上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值的另一个整数倍；重复步骤7-8，直至试验完每个间距系列设定值；
(10)启动造流泵并调整水流流速使雷诺数达到流速系列设定值中另外一个流速设定值；
(11)重复步骤6-9；直至试验完每个流速系列设定值；
(12)对上述试验数据进行分析可得出在不同雷诺数范围，尾流振动与上下游圆柱和下游翼形柱间距的关系。
作为优选，间距系列设定值分别为上游圆柱直径的10倍、9倍、8倍、7倍、6倍、5倍、4倍、3倍、2倍、1倍。
作为优选，流速系列设定值是分别使雷诺数达到300、2000、20000、200000的流速。
作为优选，试验装置还包括框架；上游圆柱为圆柱体，按中心轴竖向设置在框架内；下游翼形柱的横截面为机翼形，前缘为前突的圆弧形，圆弧形的半径与上游圆柱的半径相等，后缘为两侧厚度逐渐收小合拢的翼尾，下游翼形柱竖向设置在框架内；上游圆柱中心轴线和下游翼形柱的中心轴线相互平行且在一个平面内。
本发明的有益效果是：
通过模拟试验找出在不同雷诺数范围，尾流振动与上下游立管距离的关系。为控制下游立管的振动，进一步研究尾流振动机理提供了切实可行的试验方法。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一种深水立管尾流振动的试验方法实施例的试验示意图。
图中，1-水槽，2-试验装置，3-上游圆柱，4-下游翼形柱。
[具体实施方式]
一、试验装置：
在图1中，试验装置2由框架、上游圆柱3和下游翼形柱4构成。
其中，上游圆柱3为圆柱体，按中心轴竖向设置在框架内。下游翼形柱4的横截面是机翼的形状，前缘为前突的圆弧形，圆弧形的半径与上游圆柱的半径相等，后缘为两侧厚度逐渐收小合拢的翼尾，下游翼形柱竖向设置在框架内；上游圆柱的中心轴线和下游翼形柱的中心轴线相互平行且在一个平面内。
下游翼形柱4的尾翼采用柔性材料制作并牢固地粘贴在与上游圆柱3相同规格的圆柱体上，下游翼形柱的宽度应大于两倍圆柱体直径。
二、试验步骤如下：
(1)如图1所示，将试验装置2放置在水槽1中，将上游圆柱3和下游翼形柱4均竖立设置并固定在水槽1中部的水流稳定区，以上游圆柱3在前、下游翼形柱4在后的顺序迎着水流方向排列，使得上游圆柱和下游翼形柱的轴线位于水槽的中轴线；在上游圆柱中部中部的表面贴有应变片和压力传感器；在下游翼形柱中部的表面也贴有应变片和压力传感器；
(2)水槽充水至模型1或2的2/3以上；
(3)启动造流泵，调整流速使雷诺数达到300，关闭造流泵；
(4)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的10倍，保持该间距不变；
(5)启动造流泵，通过应变片和和压力传感器测量得到上游圆柱3和下游翼形柱4的动应变和动水压力值；
(6)分析上游圆柱3和下游翼形柱4的测量数据，计算出振动频率、振动幅值、涡激升力的频率以及值的大小，关闭造流系统；
(7)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的9倍，保持该间距不变；
(8)重复步骤5-6；
(9)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的8倍，保持该间距不变；
(10)重复步骤5-6；
(11)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的7倍，保持该间距不变；
(12)重复步骤5-6；
(13)关闭造流系统，调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的6倍，保持该间距不变；
(14)重复步骤5-6；
(15)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的5倍，保持该间距不变；
(16)重复步骤5-6；
(17)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的4倍，保持该间距不变；
(18)重复步骤5-6；
(19)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的3倍，保持该间距不变；
(20)重复步骤5-6；
(21)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的2倍，保持该间距不变；
(22)重复步骤5-6；
(23)调整上游圆柱3和下游翼形柱4的间距为上游圆柱直径的1倍，保持该间距不变；
(24)启动造流泵并调整流速使雷诺数达到2000，关闭造流泵；
(25)重复步骤4-23；
(26)启动造流泵并调整流速使雷诺数达到20000，关闭造流泵；
(27)重复步骤4-23；
(28)启动造流泵并调整流速使雷诺数达到200000，关闭造流泵；
(29)重复步骤4-22；
(30)汇总上述各次试验数据并进行分析，可得出在上述若干个不同雷诺数的流速条件下，尾流振动与上游圆柱和下游翼形柱的间距的关系。
综上所述，本实施例通过在水流达到设定的雷诺数的速度条件下，分别测量在上游圆柱3和下游翼形柱4的间距不同时，上游圆柱3和下游翼形柱4的动应变和动水压力值。并分析计算出振动频率、振动幅值、涡激升力的频率以及值的大小，为进一步寻求解决立管尾流振动问题的办法提供实验依据。
本实施例主要用于研究上游圆柱的尾流对下游圆柱体的作用力及其引起的下游圆柱体振动，因此，只采用两根圆柱体，而且下游之所以采用机翼形的翼形柱，是因为自由转动的翼形柱在水流冲击下，由于翼尾的作用能够始终保持其正面对着水流方向，其表面贴有的应变片和压力传感器不会因位置转动变化造成测量数据不准确。
这里需要说明，采用三根圆柱体的结构不适用于尾流振动的机理研究。如果采用三根圆柱体，则第二根圆柱体的尾流处将受到第三根圆柱体的影响，从而使第二根圆柱体的振动不仅是由上游圆柱体的尾流引起的振动。另外，由于第三根圆柱体的上游有两个圆柱体，这两个圆柱体的尾流将耦合在一起，使第三根圆柱体的振动也不是纯粹的尾流振动。因此，如果采用三根或以上圆柱体，将使得振动问题变得更加复杂。
以上内容仅仅是对本发明如何实施所作的举例和说明，而不是限制本发明的保护范围，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种深水立管尾流振动试验方法，包括如下步骤：
(1)将试验装置放置在水槽中，所述试验装置包括上游圆柱和下游翼形柱；将上游圆柱和下游翼形柱均竖立设置并固定在水槽中部的水流稳定区，以上游圆柱在前、下游翼形柱在后的顺序迎着水流方向排列，使得上游圆柱和下游翼形柱的轴线位于水槽的中轴线；在上游圆柱中部表面贴有应变片和压力传感器；在下游翼形柱中部的表面也贴有应变片和压力传感器；
(2)水槽充水至上游圆柱或下游翼形柱高度的2/3及以上；
(3)设定上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值，所述间距系列设定值为上游圆柱直径的整数倍；
(4)设定水槽内水流流速为流速系列设定数值；所述流速系列设定值为使水槽内水流流速的雷诺数达到特定值；
(5)启动造流泵并调整水流流速使雷诺数达到流速系列设定值中某一流速设定值；
(6)取上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值中的某一间距设定值，并保持这个间距；
(7)通过上游圆柱和下游翼形柱中部的表面贴有的应变片和压力传感器，分别测量上游圆柱和下游翼形柱的动应变和动水压力值；
(8)分析上游圆柱和下游翼形柱的测量数据，计算出振动频率、振动幅值和涡激升力的频率和大小；
(9)关闭造流系统，调整并固定上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值的另一个整数倍；重复步骤7-8，直至试验完每个间距系列设定值；
(10)启动造流泵并调整水流流速使雷诺数达到流速系列设定值中另外一个流速设定值；
(11)重复步骤6-9；直至试验完每个流速系列设定值；
(12)对上述试验数据进行分析可得出在不同雷诺数范围，尾流振动与上下游圆柱和下游翼形柱间距的关系。
2.根据权利要求1所述的深水立管尾流振动试验方法，其特征在于：所述间距系列设定值分别为上游圆柱直径的10倍、9倍、8倍、7倍、6倍、5倍、4倍、3倍、2倍、1倍。
3.根据权利要求1所述的深水立管尾流振动试验方法，其特征在于：所述流速系列设定值是分别使雷诺数达到300、2000、20000、200000的流速。
4.根据权利要求1所述的深水立管尾流振动试验方法，其特征在于：所述试验装置还包括框架；所述的上游圆柱为圆柱体，按中心轴竖向设置在框架内；所述下游翼形柱的横截面为机翼形，前缘为前突的圆弧形，圆弧形的半径与上游圆柱的半径相等，后缘为两侧厚度逐渐收小合拢的翼尾，下游翼形柱竖向设置在框架内；所述上游圆柱中心轴线和下游翼形柱的中心轴线相互平行且在一个平面内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150422 Termination date: 20160410 |