CN102661838B - 一种用于研究深水立管尾流振动的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究深水立管尾流振动的试验装置，包括框架、上游圆柱和下游翼形柱；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是机翼形，前缘为圆弧形，圆弧形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，上游圆柱和下游翼形柱的间距可通过调节机构调节；上游圆柱的中间部位贴有应变片和压力传感器，下游翼形柱的中间部位贴有应变片和压力传感器。本发明提供了一种模拟实验装置，用于模拟深水立管尾流振动的试验研究，并通过试验研究了解尾流振动的性质，为建立尾流振动的分析模型和方法奠定基础。

Description

一种用于研究深水立管尾流振动的试验装置

[技术领域]

本发明涉及研究试验装置，尤其涉及一种用于研究深水立管尾流振动的试验装置。

[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，传统的立管涡激振动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用于研究深水立管尾流振动的试验装置。

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装置，包括框架、上游圆柱和下游翼形柱；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是机翼形，前缘为圆弧形，圆弧形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，上游圆柱和下游翼形柱的间距可通过调节机构调节；上游圆柱的中间部位贴有用于测量上游圆柱振动的应变片和测量上游圆柱水动力的压力传感器，下游翼形柱的中间部位贴有用于测量下游翼形柱振动的应变片和测量下游翼形柱水动力的压力传感器；框架包括边撑、顶盖和底座，顶盖通过边撑与底座连接；调节机构包括顶盖中间设有的顶盖燕尾槽、可在顶盖燕尾槽内滑动的第1梯形滑块和第2梯形滑块、底座中间设有的底座燕尾槽以及可在底座燕尾槽内滑动的第3梯形滑块和第4梯形滑块，且顶盖燕尾槽朝下与底座燕尾槽相向而置；上游圆柱的上端与第1梯形滑块连接，下端与第3梯形滑块连接；下游翼形柱的上端与第2梯形滑块连接，下端与第4梯形滑块连接。

作为改进，第1梯形滑块和第3梯形滑块的顶面均设有圆孔，上游圆柱的上端与下端均为圆柱形，上游圆柱的上端与第1梯形滑块的圆孔连接，下端与第3梯形滑块的圆孔连接；第2梯形滑块和第4梯形滑块的顶面均设有圆孔，下游翼形柱的上端与下端均为圆柱形，下游翼形柱的上端与第2梯形滑块的圆孔连接，下端与第4梯形滑块的圆孔连接；下游翼形柱可在圆孔内转动。

作为进一步的改进，还包括上游圆柱锁定螺钉和下游翼形柱锁定螺钉；上游圆柱锁定螺钉穿过顶盖与第1梯形滑块底面固定连接；下游翼形柱锁定螺钉穿过顶盖与第2梯形滑块底面固定连接。

作为另外一个改进，下游翼形柱的尾翼采用柔性材料制作并牢固地粘贴在与上游圆柱体相同规格的圆柱体上，下游翼形柱的截面宽度大于圆柱体直径的两倍。

作为优选，上述柔性材料为软橡胶。

本发明的有益效果是：

提供了一种模拟实验装置，用于模拟深水立管尾流振动的试验研究，并通过试验研究了解尾流振动的性质，为建立尾流振动的分析模型和方法奠定基础。

[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是本发明深水立管尾流振动试验装置实施例1的主视图。

图2是本发明深水立管尾流振动试验装置实施例1的左视图。

图3是图1的A向剖视图。

图4是本发明深水立管尾流振动试验装置实施例2的主视图。

图5是本发明深水立管尾流振动试验装置实施例2的左视图。

图6是图4的B向剖视图。

图中，1-边撑，2-顶盖，201-燕尾槽，202-圆孔，3-梯形滑块，4-梯形滑块，5-上游圆柱，6-下游翼形柱，7-梯形滑块，8-梯形滑块，9-底座，901-燕尾槽，902-圆孔，11-应变片，12-应变片，13-压力传感器，14-压力传感器，15-螺钉，16-螺钉。

[具体实施方式]

实施例1：

图1是一种深水立管尾流振动试验装置，由框架、上游圆柱和下游翼形柱构成。

在图3中，上游圆柱5为圆柱体，按中心轴竖向设置在框架内。下游翼形柱6的横截面是前缘为圆弧形且厚度等于上游圆柱的直径、后缘两侧厚度逐渐收小合拢的翼形，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。在上游圆柱5表面的中间部位贴有用于测量上游圆柱振动的应变片11和用于测量上游圆柱水动力的压力传感器13，下游翼形柱6表面的中间部位贴有用于测量下游翼形柱振动的应变片12和用于测量下游翼形柱的水动力的压力传感器14。

框架由顶盖2通过边撑1与底座9固定连接构成的。

上游圆柱5和下游翼形柱6的间距是通过设在框架内的调节机构来调节的。

调节机构的结构如下所述：在顶盖2中间设有燕尾槽201以及可在燕尾槽201内滑动的梯形滑块3和梯形滑块4。在底座9中间设有的燕尾槽901以及可在燕尾槽901内滑动的梯形滑块7和梯形滑块8，并且顶盖的燕尾槽201朝下，与底座9的燕尾槽901相向而置。上游圆柱5的上端与梯形滑块3连接，下端与梯形滑块7连接；下游翼形柱6的上端与梯形滑块4连接，下端与梯形滑块8连接。

更具体的来说，梯形滑块3和梯形滑块7的顶面均设有圆孔，上游圆柱5的上端与下端均为圆柱形，上游圆柱的上端插入梯形滑块3的圆孔内，下端插入梯形滑块7的圆孔内。同样，梯形滑块4和梯形滑块8的顶面均设有圆孔，下游翼形柱6的上端与下端均为圆柱形，下游翼形柱的上端插入第2梯形滑块4的圆孔内，下端插入第4梯形滑块8的圆孔内，下游翼形柱可在圆孔内自由转动。

按照上述调节机构的结构，上游圆柱5与下游翼形柱6的间距可以通过设在顶盖燕尾槽201和底座燕尾槽901内的滑块滑动来调节。并通过螺钉15和螺钉16来固定上游圆柱5与下游翼形柱6的间距。具体结构是，螺钉15穿过顶盖与梯形滑块3底面固定连接(图2)，螺钉16穿过顶盖与梯形滑块4底面固定连接。

为了方便试验的操作，可以在顶盖上面预先设定每个不同间距的螺钉孔。

下游翼形柱6的尾翼采用柔性材料制作并牢固地粘贴在与上游圆柱体相同规格的圆柱体上，制作时要求下游翼形柱6的截面宽度大于圆柱体直径的两倍。

上述柔性材料可以是软橡胶，也可以是软塑料。

工作方式：

本实施例使用时，让水流以达到设定的雷诺数的速度流过上游圆柱5和下游翼形柱6的表面，并通过分别贴在上游圆柱和下游翼形柱表面的应变片和压力传感器测量得到相应的试验数据。

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。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。

实施例2：

本实施例在于调节机构不同于实施例1，其他结构与实施例1相同。

在图4中，在顶盖2中间设有与上游圆柱上下端相适配的12个圆孔202，12个圆孔202沿顶盖2的中心线排列。同样，在底座9中间也设有与下游翼形柱上下端相适配的12个圆孔902，12个圆孔902沿底座的中心线排列(图6)，顶盖2上的圆孔202中心与底座9的圆孔902中心对齐。

圆孔202与圆孔902的直径相同，且等于上游圆柱5的直径。

需要调节上游圆柱5和下游下游翼形柱6间距时，卸下顶盖，选择在不同间距的圆孔202和902内分别插入上游圆柱5和下游下游翼形柱6后合上顶盖即可(图5)。本实施例中，可调节的最大间距达到10倍上游圆柱5的直径，最小为1倍上游圆柱5的直径。

相比实施例1，本实施例结构更加简单。

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 (5)

1.一种用于研究深水立管尾流振动的试验装置，其特征在于：包括框架、上游圆柱和下游翼形柱；所述上游圆柱为圆柱体，按中心轴竖向设置在框架内；所述下游翼形柱的横截面是机翼形，前缘为圆弧形，圆弧形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，上游圆柱和下游翼形柱的间距可通过调节机构调节；所述上游圆柱的中间部位贴有用于测量上游圆柱振动的应变片和测量上游圆柱水动力的压力传感器，所述下游翼形柱的中间部位贴有用于测量下游翼形柱振动的应变片和测量下游翼形柱水动力的压力传感器；所述框架包括边撑、顶盖和底座，所述顶盖通过边撑与底座连接；所述调节机构包括顶盖中间设有的顶盖燕尾槽、可在顶盖燕尾槽内滑动的第1梯形滑块和第2梯形滑块、所述底座中间设有的底座燕尾槽以及可在底座燕尾槽内滑动的第3梯形滑块和第4梯形滑块，且顶盖燕尾槽朝下与底座燕尾槽相向而置；所述上游圆柱的上端与第1梯形滑块连接，下端与第3梯形滑块连接；所述下游翼形柱的上端与第2梯形滑块连接，下端与第4梯形滑块连接。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述第1梯形滑块和第3梯形滑块的顶面均设有圆孔，上游圆柱的上端与下端均为圆柱形，上游圆柱的上端与第1梯形滑块的圆孔连接，下端与第3梯形滑块的圆孔连接；所述第2梯形滑块和第4梯形滑块的顶面均设有圆孔，下游翼形柱的上端与下端均为圆柱形，下游翼形枉的上端与第2梯形滑块的圆孔连接，下端与第4梯形滑块的圆孔连接；下游翼形柱可在圆孔内转动。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：还包括上游圆柱锁定螺钉和下游翼形柱锁定螺钉；所述上游圆柱锁定螺钉穿过顶盖与第1梯形滑块底面固定连接；所述下游翼形柱锁定螺钉穿过顶盖与第2梯形滑块底面固定连接。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述下游翼形柱的尾翼采用柔性材料制作并牢固地粘贴在与上游圆柱体相同规格的圆柱体上，下游翼形柱的截面宽度大于圆柱体直径的两倍。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：所述柔性材料为软橡胶或软塑料。