CN104265193B - 一种用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置及方法。该装置包括固定盘和多个螺旋列管，所述固定盘套设且固定于圆柱形结构物外，多个所述螺旋列管分别穿设于固定盘且沿所述圆柱形结构物的轴向螺旋设置，在所述螺旋列管与圆柱形结构物外壁之间具有用于使海流通过的间隙。该装置通过螺旋列管实现干扰任意方向的流体流场，从而发挥涡激振动的抑制作用；由于在螺旋列管与圆柱形结构物之间设有间隙，可有效较小海流的阻流面积，从而降低了海流对圆柱形结构物及该装置整体的拖曳力，实现从涡激振动和弯曲应力疲劳两个方面保护圆柱形结构物的稳定，以延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种用于抑制海洋圆柱形结构物涡激振动的装置及方法。
背景技术
随着陆地能源资源的日益枯竭以及工程技术的进步，世界各地已经加大海洋资源的开发利用，海上发电、潮汐能、波浪能等能源正越来越多的被人们所重视，特别是海洋油气的勘探与开发，已经走向了深海领域。在海洋能源开发利用的同时，越来越多的先进设备、结构被投入使用，而这些设备中很大一部分是圆柱形结构物(例如平台结构、隔水管、立管)，这些结构、设备在海洋中承受风、浪、流等复杂海洋环境荷载的作用。当海流流经圆柱形结构物时，在一定流速下会产生漩涡周期性的脱落，使圆柱形结构物发生涡激振动，当漩涡脱落的频率和圆柱形结构物的固有频率接近时，会发生“锁振”现象，使得圆柱形结构物的振动加剧。涡激振动会降低圆柱形结构物的疲劳寿命，使圆柱形结构物发生疲劳破坏。由于涡激振动对海洋圆柱形结构物具有巨大的破坏作用，所以目前越来越多的科研人员在重视和研究涡激振动问题。
为了抑制涡激振动问题，经过多年的研究，国内外学者提出了主动抑制和被动抑制两种措施。主动抑制是通过在圆柱形结构物周围流场提供外部能量来扰乱附近流场，破坏漩涡的生成与脱落来抑制涡激振动；被动抑制则是通过改变圆柱形结构物表面形状来扰乱流场实现抑制涡激振动。与被动抑制相比，主动控制存在技术复杂、成本高、不易实现等缺点，所以被动抑制正逐渐成为涡激振动抑制问题的主要研究点。现有抑制装置会对圆柱形结构物产生额外的重力负担，无法适应任意来流方向的流体引起的圆柱形结构物涡激振动的抑制，且在抑制过程会产生过大的拖曳力，导致对圆柱形结构物造成过大的弯曲应力。
因此，针对以上不足，需要一种结构简单、作用明显、能够适应任意方向来流、不会额外增加拖曳力以及避免对圆柱形结构物产生附加破坏影响的用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置及方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有装置在抑制海洋圆柱形结构物涡激振动时，无法适应任意方向的来流，在抑制过程产生额外的拖曳力，对圆柱形结构物产生附加破坏的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，其特征在于，包括固定盘和多个螺旋列管，所述固定盘套设且固定于圆柱形结构物外，多个所述螺旋列管分别穿设于固定盘且沿所述圆柱形结构物的轴向螺旋设置，在所述螺旋列管与圆柱形结构物外壁之间具有用于使海流通过的间隙。
其中，所述固定盘的数量为多个，多个所述固定盘间隔固定于圆柱形结构物外。
其中，在所述固定盘上设有用于穿设所述螺旋列管的通孔或者卡槽。
其中，在所述固定盘与圆柱形结构物之间设有防滑圈，所述防滑圈为由弹性材料制成。
其中，所述固定盘包括套设于圆柱形结构物外的两个半盘，两个所述半盘之间通过紧固件固定连接。
其中，多个所述螺旋列管沿所述圆柱形结构物的轴向均匀地螺旋设置。
其中，所述螺旋列管的横截面形状为圆形或者半圆形或者椭圆形或者多边形。
其中，所述圆柱形结构物为立管或者隔水管或者圆柱形平台。
本发明还提供一种根据所述的装置进行抑制圆柱形结构物涡激振动的方法，包括：
S1、在圆柱形结构物上安装与其尺寸相应的固定盘和多个螺旋列管；
S2、螺旋列管首先接触来自任意方向的海流，破坏海流的流场结构，使流场结构在圆柱形结构物的周围无法形成旋涡；
S3、流场结构破坏后的海流通过螺旋列管与圆柱形结构物之间的间隙流出，减小海流对螺旋列管和圆柱形结构物的拖曳力。
该抑制圆柱形结构物涡激振动的方法还包括：
S4、在固定盘与圆柱形结构物之间设置防滑圈，通过防滑圈阻止多个螺旋列管自身振动时对圆柱形结构物的影响。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置可适用于抑制任意方向海流引起的圆柱形结构物的涡激振动，通过螺旋列管实现干扰任意方向的流体流场，从而发挥涡激振动的抑制作用；由于在螺旋列管与圆柱形结构物之间设有间隙，可有效较小海流的阻流面积，从而降低了海流对圆柱形结构物及该装置整体的拖曳力，实现从涡激振动和弯曲应力疲劳两个方面保护圆柱形结构物的稳定，以延长其使用寿命；除此，该装置与圆柱形结构物之间通过螺栓连接，其接触面之间也安装有防滑圈，防滑圈不但可以防止该装置滑动，还可起到弹性体的作用，避免了安装过紧、螺旋列管振动等对圆柱形结构物的破坏，保证了圆柱形结构物自身的原有特性，延长了其使用寿命；而且，本发明用于抑制圆柱形结构物涡激振动的抑制方法考虑全面，思路新颖，从多角度多方面分析涡激振动的抑制问题，更加符合实际工程情况，对未来在抑制涡激振动研发的工作上具有巨大的指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置的横向切面图；
图3为本发明实施例用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置的纵向切面图。
其中，1：螺旋列管；2：圆柱形结构物；3：固定盘；4：螺栓；5：螺母；6：防滑圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-3所示，本实施例提供的一种用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，该装置包括多个螺旋列管1和固定盘3，固定盘3套设且固定于圆柱形结构物2外，多个螺旋列管1分别穿设于固定盘3且沿圆柱形结构物2的轴向螺旋设置，在螺旋列管1与圆柱形结构物2外壁之间具有用于使海流通过的间隙。
值得说明，圆柱形结构物为在海洋能源开发利用时使用的圆柱形状的设备，包括但不局限于立管或者隔水管或者圆柱形平台。
该装置能够适应任意来流方向是通过螺旋列管1实现的。螺旋列管1呈螺旋状缠绕设置在圆柱形结构物2的周围，宏观上任意方向来流所对应的螺旋列管1结构都是一致的，因此，螺旋列管1能够干扰任意来流方向的流体流场，从而发挥对涡激振动的抑制作用；
此外，该装置能够降低附加器件产生的额外拖曳力是通过螺旋列管1与圆柱形结构物2之间的间隙实现的。螺旋列管1与圆柱形结构物2之间的间隙允许流体(海流)流过，从而减少了流体的阻流面积，降低了流体对圆柱形结构物2与该装置整体的拖曳力。
进一步地，固定盘3的数量也为多个，多个固定盘3间隔固定于圆柱形结构物2上，且在固定盘3上设有用于穿设螺旋列管1的通孔或者卡槽，螺旋列管1穿过通孔或者卡槽与固定盘3连接成一个整体。同时，在固定盘3与圆柱形结构物2之间还可以设有弹性防滑圈6，防滑圈6可以采用弹性材料制成，例如弹性金属材质。
由此可知，该装置能够降低附加器件自身振动对圆柱形结构物2产生的破坏是通过防滑圈6实现的。其中的防滑圈6安装于固定盘3与圆柱形结构物2之间，可起到增大摩擦力和弹性体的作用。因为螺旋列管1在破坏圆柱形结构物2周围流场的同时，其自身也会发生涡激振动，从而也会影响圆柱形结构物2的振动，而防滑圈6的弹性体作用可有效降低螺旋列管1振动对圆柱形结构物2的影响。
优选地，固定盘3为圆环状，其包括套设于圆柱形结构物2外的两个半盘，两个半盘之间通过紧固件固定连接。在固定盘3中间位置设置有用于容纳防滑圈6的安装槽，将防滑圈6安装在安装槽内。两个半盘对应套设在圆柱形结构物2外，并通过紧固件将两个半盘锁紧固定。
其中紧固件优选为螺栓4和与其螺纹连接的螺母5。值得说明，在安装过程中螺栓4连接可能会产生过大的预紧力，容易造成圆柱形结构物2的结构破坏，但是由于防滑圈6具有弹性作用，能够起到缓冲作用，从而降低这种破坏影响。
该装置装配过程简单，便于操作。根据不同的圆柱形结构物2的尺寸，选择相应尺寸的螺旋列管1和固定盘3。同时，螺旋列管1和固定盘3的数量可视圆柱形结构物2的直径、长度而定，螺旋列管1的横截面形状可为圆形或者半圆形或者椭圆形或者多边形，其中优选为圆形。
较佳地，如图1-3所示，螺旋列管1的数量为三个，固定盘3的数量为3个。相邻螺旋列管1之间的螺距相等，使其均匀地呈螺旋状盘绕于圆柱形结构物2的周围，对圆柱形结构物2周围的流场结构产生干扰，影响其卷吸层，减小由于漩涡脱落引起的脉动升力和曳力，以达到减小涡激振动的目的。
本发明还提供一种用于抑制圆柱形结构物涡激振动的方法，其包括：
S1、在圆柱形结构物的周围安装与其尺寸相应的多个螺旋列管和固定盘，其包括对螺旋列管和固定盘的尺寸选择和数量选择。将螺旋列管均匀地螺旋缠绕于圆柱形结构物的周围，并通过固定盘固定。
S2、安装完毕后，在海水的冲击下，该螺旋列管则首先接触到流向圆柱形结构物的海流，由于螺旋列管呈螺旋状设置，因此其可破坏来自任意方向海流的流场结构，使流场结构在圆柱形结构物的周围难以形成旋涡，从而抑制了由于漩涡脱落而引起的涡激振动。
S3、利用螺旋列管与圆柱形结构物之间的间隙使海流通过，避免了因过大的阻流面积而引起的拖曳力，有效减小海流对螺旋列管和圆柱形结构物的拖曳力，其中拖曳力是指物体在流体移动中遭受到阻力。
该抑制圆柱形结构物涡激振动的方法还包括：
S4、在固定盘与圆柱形结构物之间设置防滑圈，通过防滑圈阻止多个螺旋列管自身振动时对圆柱形结构物的影响。该方法利用弹性防滑圈的弹性体作用，消除或降低附加装置在海流作用下的振动对圆柱形结构物产生的影响，其中附加装置是指为了抑制圆柱形结构物的涡激振动而安装在其外表面的螺旋列管和固定盘。
值得说明，在上述方法的使用过程中，通过防滑圈阻止螺旋列管及固定盘沿圆柱形结构物的轴向滑移，且防滑圈在与圆柱形结构物接触周围形成弹性缓冲区，通过弹性缓冲区阻止固定盘安装预紧力过大对圆柱形结构物的破坏。
综上所述，本发明用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置结构简单，安装方便，其主要结构均可由复合材料制成，不易发生破坏与腐蚀，也不会对圆柱形结构物产生额外的重力负担；而且，该装置可以适应任意来流方向的流体引起的圆柱形结构物涡激振动的抑制，并且不会产生过大的拖曳力，避免对圆柱形结构物造成过大的弯曲应力，能够从涡激振动和弯曲应力疲劳两个方面保护结构物的稳定，延长其使用寿命；除此，该装置与圆柱形结构物之间通过螺栓连接，其接触面之间也安装有防滑圈，防滑圈不但可以防止该装置滑动，还可起到弹性体的作用，避免了安装过紧、螺旋列管振动等对圆柱形结构物的破坏，保证了圆柱形结构物自身的原有特性，延长了其使用寿命；相应地，本发明用于抑制圆柱形结构物涡激振动的方法考虑全面，思路新颖，从多角度多方面分析涡激振动抑制问题，更加符合实际工程情况，对于涡激振动抑制装置开发设计具有更大的指导意义。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (7)
1.一种用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，其特征在于，包括固定盘(3)和多个螺旋列管(1)，所述固定盘(3)套设且固定于圆柱形结构物(2)外，多个所述螺旋列管(1)分别穿设于固定盘(3)且沿所述圆柱形结构物(2)的轴向螺旋设置，以干扰任意方向的流体流畅，在所述螺旋列管(1)与圆柱形结构物(2)外壁之间具有用于使海流通过的间隙，以减小海流的阻流面积，降低海流对圆柱形结构物及所述装置整体的拖拽力；
在所述固定盘(3)与圆柱形结构物(2)之间设有防滑圈(6)，所述防滑圈(6)为由弹性材料制成；
所述固定盘(3)包括套设于圆柱形结构物(2)外的两个半盘，两个所述半盘之间通过紧固件固定连接。
2.根据权利要求1所述的用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，其特征在于，所述固定盘(3)的数量为多个，多个所述固定盘(3)间隔固定于圆柱形结构物(2)外。
3.根据权利要求1所述的用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，其特征在于，在所述固定盘(3)上设有用于穿设所述螺旋列管(1)的通孔或者卡槽。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，其特征在于，多个所述螺旋列管(1)沿所述圆柱形结构物(2)的轴向均匀地螺旋设置。
5.根据权利要求4所述的用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，其特征在于，所述螺旋列管(1)的横截面形状为圆形或者半圆形或者椭圆形或者多边形。
6.根据权利要求1所述的用于抑制圆柱形结构物涡激振动的装置，其特征在于，所述圆柱形结构物(2)为立管或者隔水管或者圆柱形平台。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的装置进行抑制圆柱形结构物涡激振动的方法，其特征在于，包括：
S1、在圆柱形结构物上安装与其尺寸相应的固定盘和多个螺旋列管；
S2、螺旋列管首先接触来自任意方向的海流，破坏海流的流场结构，使流场结构在圆柱形结构物的周围无法形成旋涡，以干扰任意方向的流体流畅；
S3、流场结构破坏后的海流通过螺旋列管与圆柱形结构物之间的间隙流出，以减小海流的阻流面积，减小海流对螺旋列管和圆柱形结构物的拖曳力；
S4、在固定盘与圆柱形结构物之间设置防滑圈，通过防滑圈阻止多个螺旋列管自身振动时对圆柱形结构物的影响。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |