CN105203282B - 局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，包括由多个海洋立管模型构成的海洋立管束、横向试验支持架、流速增大装置、拖车、应变采集仪和计算机，位于海底管道模型一侧导流板的内侧固定有一流线型整流罩，流线型整流罩罩住海洋立管模型一端的轴段；设置在海洋立管束中部的流速增大装置，流速增大装置包括增速段和稳流段，增速段呈喇叭形；稳流段设有用于海洋立管束穿过的通孔；可转动支持装置连接在横向试验支持架与流速增大罩之间。本发明可实现大雷诺数、大长径比的深海立管束涡激振动试验观测，同时弥补了学术界缺乏倾角阶梯状来流条件深海张紧式立管束涡激振动试验装备的空白，具有重要的推广应用价值和科学意义。

Description

局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体地说，涉及的是一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置。

背景技术

海洋立管是连接顶部浮式平台与海底井口的重要装备，在深海油气开采、输运过程中应用广泛。对于深海立管系统而言,它所承受的海洋环境荷载主要来自于海流的作用。当海流经过立管结构物时,会在立管两侧产生交替的旋涡脱落,诱使涡激振动现象发生。涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。海洋立管并不是单独作业，在实际的工程应用中，多根立管会组成立管束共同作业，因此探究多根立管涡激振动具有重要的理论和现实意义。

目前，学术界对涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。特别是针对立管束的情况，倾角均匀来流条件深海立管束涡激振动特性还不得而知。

研究海洋立管涡激振动现象的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流条件对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，存在局部的流速突然增大区域。可以发现，整个深度范围内的来流是局部流速增大倾角阶梯来流。

经对现有的技术文献检索发现，国内外对于局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流立管涡激振动试验已有开展。2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Laboratorymeasurements of vortex-induced vibrations of a vertical tension riser in astepped current”(阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测)，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现局部流速增大倾角阶梯状来流条件，并且该装置仅能试验测量单根立管涡激振动特性。

经过对现有的技术文献调研发现，国内外针对局部流速增大倾角阶梯状海洋立管束涡激振动试验研究还未开展，主要原因是缺乏必要的试验装置。如何实现倾角来流条件、如何实现局部流速增大、如何实现阶梯状来流条件、以及如何实现立管束的不同布置方式等是亟需克服的技术难题。

发明内容

本发明针对局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究攻角阶梯状来流下立管束涡激振动的试验装置，能够模拟有倾角的阶梯状来流，可实现局部流速增大试验条件，对深海张紧式立管束开展试验研究，探究其涡激振动机理及来流倾角对涡激振动的影响，为工程实际提供参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、流速增大装置、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型穿过流速增大装置侧面的圆形豁口，其一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型包括若干条导线和一薄壁铜管，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩管之间设有多片用于采集应变的应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管的一端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型的数量和安装位置相同；每个通孔内分别设有一个万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海洋立管模型中的第一圆柱接头连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板或补贴板，所述角度卡板上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板，每套角度卡板上的立管安装孔的轴线与角度卡板厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有多个滑轮，所述滑轮的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块，所述滑轮座垫块为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块，每套滑轮座垫块上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩，所述流线型整流罩罩住所述海洋立管模型一端的轴段；所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有个数与滑轮个数相同与拉力传感器一端连接的固定结构，所述拉力传感器的另一端依次连接有拉力张紧器和拉力弹簧；分别自每个海洋立管模型中的第二圆柱接头，穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过滑轮至拉力弹簧的另一端连接有钢丝绳；所述钢丝绳和与之连接的海洋立管模型的轴线在同一平面内；所述海洋立管模型的中部设有流速增大装置，所述流速增大装置包括流速增大罩和可转动支持装置，所述流速增大罩包括按水流方向顺次布置的增速段和稳流段，所述增速段呈喇叭形，所述增速段的进水端为喇叭形的大口端，所述增速段的出水端为喇叭形的小口端，所述稳流段的开口大小与喇叭形的小口端大小一致；所述增速段的进水端与出水端的面积比为该流速增大装置所要增大的流速倍数；所述稳流段设有用于所述海洋立管模型穿过的通孔；所述可转动支持装置的顶端固定在横向试验支持架上，所述可转动支持装置的底端与所述流速增大罩焊接；所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明解决了局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验中，立管束排布和改变来流倾角和阶梯状流场的问题，增大了部分管道的流速，本发明可实现大雷诺数、大长径比的深海立管束涡激振动试验观测，试验条件更加符合实际海洋工程工况，同时本发明装置的设计简单，安装调试方便，造价低廉，是深海立管束涡激振动试验研究必不可少的装置措施，弥补了学术界的空白，具有重要的推广应用价值。

附图说明

图1是无抑制结构的局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置示意图；

图2是无抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图3是带有抑制结构的局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置示意图；

图4是带有抑制结构的海洋立管模型两端的粗圆柱接头和细圆柱接头示意图；

图5是图1中所示第一、第二支撑板结构示意图；

图6是图1中所示导流板及流线型整流罩的结构示意图；

图7是横向试验支持架结构俯视图；

图8是图7所示横向试验支持架的右视图；

图9是角度盘的结构示意图；

图10是横向试验支持架与拖车相互位置一的俯视图；

图11是图10所示横向试验支持架与拖车相互位置一的右视图；

图12-1横向试验支持架与拖车相互位置二的俯视图；

图12-2是横向试验支持架与拖车相互位置三的俯视图；

图12-3是横向试验支持架与拖车相互位置四的俯视图；

图13-1是图12-1所示状态下立管束与来流之间倾角示意图；

图13-2是图12-2所示状态下立管束与来流之间倾角示意图；

图13-3是图12-3所示状态下立管束与来流之间倾角示意图；

图14-1是滑轮垫块的主视图；

图14-2是图14-1所示滑轮垫块的左视图；

图14-3是图14-1所示滑轮垫块的俯视图；

图15-1是本发明中流线型整流罩的端向视图；

图15-2是图15-1所示流线型整流罩的俯视图；

图15-3是图15-1所示流线型整流罩背水一面的视图；

图15-4是图15-1所示流线型整流罩迎水一面的视图；

图16-1是本发明中可转动支持装置示意图；

图16-2是图16-1所示可转动支持装置的侧视图；

图16-3是图16-1所示可转动支持装置的俯视图；

图17-1是角度固定板61和可转动支持柱52连接后的仰视图；

图17-2是图17-1所示角度固定板61和可转动支持柱52连接后的放大仰视图；

图18-1是攻角来流为0度下固定板和角度固定板61连接示意图；

图18-2是攻角来流为15度下固定板和角度固定板61连接示意图；

图18-3是攻角来流为30度下固定板和角度固定板61连接示意图；

图18-4是攻角来流为45度下固定板和角度固定板61连接示意图；

图19-1是流速增大装置62的主视图；

图19-2是图19-1所示流速增大罩64的左视图；

图19-3是图19-1所示流速增大罩64的俯视图；

图20是可转动支持装置63与流速增大罩64的连接示意图；

图21是带有螺旋列板的海洋立管模型结构示意图。

图中：

1-海洋立管模型 2-第一、第二端部支撑装置 3-横向试验支持架

4-角度盘 5-第一圆柱接头 6-第二圆柱接头

7-销钉 9-斜撑管 10-万向联轴节

11-第一、第二导流板 12-加强架 13-第一、第二支撑管

14-第一、第二支撑板 15-万向联轴节螺丝 16-滑轮

17-钢丝绳 18-导流板固定螺丝 19-弹簧

20-拖车 21-角度板 22-角度卡板

23-滑轮垫块 24-拉力张紧器 25-拉力传感器

26-补贴板 27-流线型整流罩 28-流线型围板

29-外沿板 30-硅胶带(螺旋列板) 31-增速段

32-稳流段 33-大圆通孔 34-上下边壁

35-左右边壁 52-可转动支持柱 53-应变片

54-连接板 55-热缩管 56-硅胶管

57-加固绳索连接螺母 58-固定板连接螺栓 59-固定支持柱

60-固定板 61-角度固定板 62-流速增大装置

63-可转动支持装置 64-流速增大罩

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，包括海洋立管模型1、横向试验支持架3、流速增大装置62、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型1的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型1的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部。

所述海洋立管模型1既可以是裸管，如图2所示；也可以是带有抑制结构即螺旋列板30，如图4所示；若所述海洋立管模型1是裸管，其结构是：包括若干条导线和一薄壁铜管51，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管51的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管51的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管55和一层硅胶管56，所述薄壁铜管51与所述热缩管52之间设有多片用于采集应变的应变片53，所述应变片53通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管51的一端或分别与所述薄壁铜管51的两端固定；所述薄壁铜管51的一端通过销钉7连接有第一圆柱接头5，所述薄壁铜管51的另一端通过销钉7连接有第二圆柱接头6，如图2和图16所示；若是带有抑制结构的，则在上述裸管结构的基础上，在所述海洋立管模型1的硅胶管56外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带30，所述硅胶带30的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同，如图4和图21所示。所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接。

所述横向试验支持架3包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘4，角度盘的结构如图9所示，所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；如图7和图8所示。

所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管13，所述第一支撑管13的顶部连接有水平布置的第一角度板21，所述第一支撑管13的底部连接有第一支撑板14，所述第一支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板14平行的第一导流板11，所述第一导流板11的下部设有多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型的数量和安装位置相同；每个通孔内分别设有一个万向联轴节10，所述万向联轴节10的一端通过万向联轴节螺丝15固定在第一支撑板上，所述万向联轴节10的另一端与所述海洋立管模型1中的第一圆柱接头5连接。

所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管13，所述第二支撑管13的顶部连接有水平布置的第二角度板21，所述第二支撑管13的底部连接有第二支撑板14，所述第二支撑板14的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板14平行的第二导流板11，所述第二导流板11的下部设有多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板22或补贴板26，所述角度卡板22上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板22，每套角度卡板22上的立管安装孔的轴线与角度卡板22厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度。

所述第一支撑板和第二支撑板的结构相同，如图5所示。

第一角度板、第二角度板和角度盘的结构相同，为了使导流板11始终与来流方向平行，需要调节角度板21和角度盘4的位置。通过第一角度板或第二角度板相对其下面的角度盘4之间的相对位置就可以调整横向试验支持架与拖车行走方向的相互位置关系，当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为0度时，横向试验支持架3与拖车20垂直固定，如图10和图11所示；来流的垂直方向与立管的轴向倾角为15度时，横向试验支持架3与拖车20呈15度角固定，如图12-1；来流的垂直方向与立管的轴向倾角为30度时，横向试验支持架3与拖车20呈30度角固定，如图12-2；当来流与立管的倾角为45度时，横向试验支持架3与拖车20呈45度角固定，如图12-3。调整横向试验支持架3与拖车20之间角度的同时也就确定了立管与来流之间的倾角，当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为0度时，角度板21和角度盘4应正好重合；当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为15度时，角度板21和角度盘4之间的角度应为15度；当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为30度时，角度板21和角度盘4之间的角度应为30度；当来流的垂直方向与立管的轴向倾角为45度时，角度板21和角度盘4之间的角度应为45度。如图13-1、图13-2和图13-3为立管与来流之间倾角示意图，图13-1表示倾角为15度，图13-2表示倾角为30度，图13-3表示倾角为45度。

所述第二支撑板14的外侧设有多个滑轮16，所述滑轮的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮16的滑轮座与第二支撑板14之间设有滑轮座垫块23，所述滑轮座垫块23为楔形块，所述第二支撑板14上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块23，每套滑轮座垫块23上的斜面与第二支撑板14接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度。

如图14-1、图14-2和图14-3示出了可以改变滑轮座角度的滑轮垫块的楔形块结构，由于当一、海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为15度、30度、45度时，海洋立管模型1轴向与第一、第二导流板11垂直方向之间的夹角变为15度、30度、45度，海洋立管模型1的一端沿其延长线引出钢丝绳需要绕入滑轮16的滑轮槽中，为了使滑轮16的滑轮槽在海洋立管模型1的延长线上，需要在第一、第二支撑板14上安装不同楔形角度的滑轮垫块23，然后再安装滑轮16。当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为15度时，安装楔形面夹角为15度的滑轮垫块，以此类推，当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为30度时，安装30度的滑轮垫块；当海洋立管模型1轴向与来流垂直方向之间倾角为45度时，安装45度的滑轮垫块。另外，当两根海洋立管模型1上下并列布置(即一根在上，另一根在其正下)时，位于下部的海洋立管模型1应使用厚度比上部模型厚一些的垫块，以保证施加端部张力时相互之间不受干扰。

所述第一支撑管13的内侧与主体横梁上之间及所述第二支撑管13的内侧与主体横梁上之间均分别连接有斜撑管9；所述第一导流板和第二导流板均为塑料板，所述第一导流板和所述第二导流板上分别设有加强架12，如图6所示。

所述第一导流板11或所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩27，也可以是所述第一导流板11和所述第二导流板的内侧分别固定有一流线型整流罩27，如图1和图3所示，所述流线型整流罩罩住所述海洋立管模型1一端或两端的轴段；如图15-1、图15-2、图15-3和图15-4所示，所述流线型整流罩27包括流线型围板28和设置在流线型围板28一端的外沿板29，所述外沿板29上设有螺栓过孔，所述流线型整流罩27与第一导流板11或所述流线型整流罩27与第二导流板11之间采用螺栓连接。

所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有个数与滑轮个数相同与拉力传感器25一端连接的固定结构，所述拉力传感器的另一端依次连接有拉力张紧器24和拉力弹簧19；分别自每个海洋立管模型中的第二圆柱接头6，穿过第二支撑板14上的钢丝绳过孔后绕过滑轮16至拉力弹簧的另一端连接有钢丝绳17；所述钢丝绳17和与之连接的海洋立管模型1的轴线在同一平面内。

如图1和图3所示，设置在所述海洋立管模型1中部的流速增大装置62包括流速增大罩64和可转动支持装置63，如图19-1、图19-2、图19-3和图20所示，所述流速增大罩64前后不封口，有上下边壁34和左右边壁35围成，其侧视图为喇叭形，流速增大罩64内部流体，按水流方向顺次为增速段31和稳流段32，所述增速段31呈喇叭形，所述增速段31的进水端为喇叭形的大口端，所述增速段31的出水端为喇叭形的小口端，所述稳流段32的开口大小与喇叭形的小口端大小一致；增速段流速增大罩64截面向内收缩，稳流段截面形状保持不变，水流经过增速段31速度增大至稳流段32发展稳定，流速增大罩64沿管件轴向方向的左右边壁开有大圆通孔33，所述海洋立管模型1穿过流速增大罩64左右边壁35的大圆通孔33(所有海洋立管模型1均穿过一个流速增大罩，大圆通孔可以开的大一点，可以容纳所有的海底管道模型1)，确保确保管件振动不会触碰流速增大罩64。管件模型距流速增大罩上下边壁34，前后边缘30倍管径以上，所述增速段31的进水端与出水端的面积比为该流速增大装置62所要增大的流速倍数，其面积之比由试验所要增大的流速倍数、现场试验条件协调决定。所述可转动支持装置63的顶端固定在横向试验支持架3上，所述可转动支持装置63的底端与所述流速增大罩64焊接。

如图16-1、图16-2和图16-3所示，所述的可转动支持装置由固定支持柱59、固定板60、可转动支持柱52、连接板54、角度固定板61、固定板连接螺栓58、加固绳索连接螺母57、拉力张紧器24等构成。所述可转动支持装置63包括固定支持柱59、可转动支持柱52；固定支持柱59和可转动支持柱52的横截面为翼型，所述固定支持柱59的顶部和中部分别设有连接板54，所述固定支持柱59的底部固定有固定板60，所述固定板60与所述固定支持柱59呈垂直布置，所述固定板60上设有两个第一通孔；所述可转动支持柱52的顶部固定有角度固定板61，所述可转动支持柱52的中部两侧焊接有加固绳索连接螺母57，所述可转动支持柱52的底部与流速增大罩64连接。如图16所示可转动支持柱52两侧焊接有两个加固绳索连接螺母57，加固绳索可以连接加固绳索连接螺母57和拉力张紧器24，并固定在横向试验支持架3上。通过调整拉力张紧器的大小来调整可转动支持装置的垂直度，并使支撑加固。

如图17-1所示，角度固定板61开多个孔可为有倾角来流的流速增大装置提供支撑，即所述角度固定板61上设有两个为一组的四组第二通孔，所述角度固定板61上第二通孔与所述固定板60上第一通孔的位置关系是：如图17-2所示，每组第二通孔与两个第一通孔的中心距相同，四组第二通孔的中心连线汇交与点A，所述点A与每组第二通孔的中心连线的中点重合，四组第二通孔的中心连线分别记为中心连线L1、中心连线L2、中心连线L3和中心连线L4，所述中心连线L1与两个第一通孔的中心连线的水平投影重合，中心连线L2、中心连线L3和中心连线L4依次与中心连线L1的夹角为15度、30度和45度。所述固定支持柱59和所述可转动支持柱52之间通过在所述固定板60上的两个第一通孔和所述角度固定板61上的其中一组第二通孔中设置的固定板连接螺栓58连接，图18-1是攻角来流为0度下固定板和角度固定板61连接示意图；当来流垂直方向与管道的轴向倾角为15度时，将角度固定板61转动15度然后用固定板螺丝58相连，如图18-2所示；当来流垂直方向与管道的轴向倾角为30度时，将角度固定板61转动30度然后用固定板螺丝58相连，如图18-3所示；当来流垂直方向与管道的轴向倾角为45度时，将角度固定板61转动45度然后用固定板螺丝58相连，如图18-4所示。如图1和图3所示，位于所述可转动支持柱59的中部两侧焊接的加固绳索连接螺母57与所述横向试验支持架3之间分别设有斜拉钢丝绳。

以下介绍本实施例装置的制作和安装过程：在试验前，先根据拖曳水池的尺度，拖车20的速度，试验工况的具体情况和试验的经济性，得到海洋立管模型1的具体尺度。根据海洋立管模型1的尺度、拖车20的尺度以及试验工况的具体情况和经济性，确定横向试验支持架3，流速增大装置，流线型支撑装置，第一、第二端部支撑装置2，流线型整流罩27的材料和尺度。

制作海洋立管模型1，横向试验支持架3，流速增大装置62，可转动支持装置63，第一、第二端部支撑装置2，流线型整流罩27，测量分析系统的各仪器设备外购。

以带有抑制结构的海洋立管模型为例，其制造过程如下：首先在平台平面上沿铜管轴线方向划出前后相对，上下相对的四条平行线，确定应变片粘贴位置。将铜管两端分别装上粗圆柱接头和细圆柱接头。去除应变片粘贴位置铜管表面的氧化层，粘贴应变片，前后应变片互成一对，上下应变片互成一对，均采用半桥接法，并通过接线端子连接导线，其中用薄胶带将应变片同接线端子连接的金属细丝与铜管表面隔开，以实现绝缘，在应变片粘贴处涂适量硅橡胶，以达到保护和防水的目的，引出各位置的导线至铜管一端或两端并用薄胶带将导线沿铜管轴线方向固定，然后在铜管外侧套上若干层热缩管(使其外表面与硅胶管内表面紧密接触)，在热缩管外侧套上一层硅胶管(若为裸管结构，至此已完成了制作)，从管的左侧开始，将一个螺距等分为若干份，在每个位置使用螺旋线标记定位环确定出螺旋线位置，使用螺旋线粘接定位环粘接三条硅胶条，处理硅胶管未粘接硅胶条位置的硅胶，使硅胶条表面干净光滑整洁，粘接的硅胶条代表涡激振动抑制中的螺旋列板，最后在模型两端涂适量硅橡胶防止模型进水。

将横向试验支持架3，第一、第二端部支撑装置2安装好，将流线型整流罩27安装在其中一个导流板或两个导流板11上均可，图1和图3示出的是在两个导流板上均分别安装流线型整流罩27，转动第一和第二端部支撑装置2使其顶部的角度板21与角度盘4中相应的角度对应，即使第一和第二导流板11与来流方向保持平行。确定海洋立管模型1之间的间距，将相应的角度卡板22安装在外沿板29的相应的长方形豁口中，第一、第二导流板11上剩余的豁口用补贴板26补平，并将相应角度的滑轮垫块23安装在有钢丝绳17通过那侧的第二支撑板14上，然后把滑轮16安装在滑轮垫块23上。将流速增大装置62通过可转动支持装置63固定在横向试验支架3上，可转动支持装置63与横向试验支架3通过连接板54用螺丝相连，可转动支持柱52两侧焊接有两个加固绳索连接螺母57，加固绳索可以连接加固绳索连接螺母57和拉力张紧器24，并固定在横向试验支持架3上。通过调整拉力张紧器24的大小来调整可转动支持装置63的垂直度，并使支撑加固。将海洋立管模型1穿过流速增大罩64的大圆通孔33，并将其两端固定在第一、第二端部支撑装置2上。把海洋立管模型1两端引出的导线沿第一或第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的一端或分别沿第一、第二端部支撑装置2延伸至横向试验支持架3的两端。将整个试验装置安装在所述拖车20的底部，用拖车20上部的吊机将试验装置吊起，并使其与拖车呈相应角度(15度、30度、45度)安装在拖车20上。调节拉力张紧器24使端部拉力达到试验工况所需的大小。拉力传感器25和导线与应变仪连接，应变仪连接计算机，计算机内部安装有相应的数据采集分析软件。拖车开动时，流线型围板28内流体静止，海洋立管模型中部流体流动，即实现阶梯状来流条件。

所有仪器装置安装完毕后，需要进行调试。调试完毕后，可按工况及试验技术要求进行试验。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (6)

1.一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型(1)的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型(1)的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架(3)的两端连接，所述横向试验支持架(3)固定于所述拖车的底部；

所述海洋立管模型(1)包括若干条导线和一薄壁铜管(51)，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管(51)的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管(51)的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管(55)和一层硅胶管(56)，所述薄壁铜管(51)与所述热缩管(55)之间设有多片用于采集应变的应变片(53)，所述应变片(53)通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管(51)的一端或分别与所述薄壁铜管(51)的两端固定；所述薄壁铜管(51)的一端通过销钉(7)连接有第一圆柱接头(5)，所述薄壁铜管(51)的另一端通过销钉(7)连接有第二圆柱接头(6)；

所述横向试验支持架(3)包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；

所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型(1)的数量和安装位置相同；每个通孔内分别设有一个万向联轴节(10)，所述万向联轴节(10)的一端通过万向联轴节螺丝(15)固定在第一支撑板上，所述万向联轴节(10)的另一端与所述海洋立管模型(1)中的第一圆柱接头(5)连接；

所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板(22)或补贴板(26)，所述角度卡板(22)上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板(22)，每套角度卡板(22)上的立管安装孔的轴线与角度卡板(22)厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；

所述第二支撑板的外侧设有多个滑轮(16)，所述滑轮(16)的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮(16)的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块(23)，所述滑轮座垫块(23)为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块(23)，每套滑轮座垫块(23)上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；

所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩(27)，所述流线型整流罩(27)罩住所述海洋立管模型(1)一端的轴段；

所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有个数与滑轮个数相同与拉力传感器(25)一端连接的固定结构，所述拉力传感器(25)的另一端依次连接有拉力张紧器(24)和拉力弹簧(19)；分别自每个海洋立管模型中的第二圆柱接头(6)，穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过滑轮(16)至拉力弹簧(19)的另一端连接有钢丝绳(17)；所述钢丝绳(17)和与之连接的海洋立管模型(1)的轴线在同一平面内；

所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接；

其特征在于：

所述海洋立管模型(1)的中部设有流速增大装置(62)，所述流速增大装置(62)包括流速增大罩(64)和可转动支持装置(63)，所述流速增大罩(64)包括按水流方向顺次布置的增速段(31)和稳流段(32)，所述增速段(31)呈喇叭形，所述增速段(31)的进水端为喇叭形的大口端，所述增速段(31)的出水端为喇叭形的小口端，所述稳流段(32)的开口大小与喇叭形的小口端大小一致；所述增速段(31)的进水端与出水端的面积比为该流速增大装置(62)所要增大的流速倍数；

所述稳流段(32)设有用于所述海洋立管模型(1)穿过的通孔；所述可转动支持装置(63)的顶端固定在横向试验支持架(3)上，所述可转动支持装置(63)的底端与所述流速增大罩(64)焊接。

2.根据权利要求1所述局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，其特征在于，所述可转动支持装置(63)包括固定支持柱(59)和可转动支持柱(52)，

所述固定支持柱(59)的顶部和中部分别设有连接板(54)，所述固定支持柱(59)的底部固定有固定板(60)，所述固定板(60)与所述固定支持柱(59)呈垂直布置，所述固定板(60)上设有两个第一通孔；

所述可转动支持柱(52)的顶部固定有角度固定板(61)，所述可转动支持柱(52)的中部两侧焊接有加固绳索连接螺母(57)，所述可转动支持柱(52)的底部与所述流速增大罩(64)焊接；

所述角度固定板(61)上设有两个为一组的四组第二通孔，所述角度固定板(61)上第二通孔与所述固定板(60)上第一通孔的位置关系是：每组第二通孔与两个第一通孔的中心距相同，四组第二通孔的中心连线汇交与点A，所述点A与每组第二通孔的中心连线的中点重合，四组第二通孔的中心连线分别记为中心连线L1、中心连线L2、中心连线L3和中心连线L4，所述中心连线L1与两个第一通孔的中心连线的水平投影重合，中心连线L2、中心连线L3和中心连线L4依次与中心连线L1的夹角为15度、30度和45度；

所述固定支持柱(59)和所述可转动支持柱(52)之间通过在所述固定板(60)上的两个第一通孔和所述角度固定板(61)上的其中一组第二通孔中设置的固定板连接螺栓(58)连接；

位于所述可转动支持柱(59)的中部两侧焊接的加固绳索连接螺母(57)与所述横向试验支持架(3)之间分别设有斜拉钢丝绳。

3.根据权利要求1或2所述局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，其特征在于，所述海洋立管模型(1)的硅胶管(56)外表面上设有多条呈螺旋线状的硅胶带(30)，所述硅胶带(30)的横断面与试验管道螺旋列板的横断面的形状相同。

4.根据权利要求1或2所述局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，其特征在于，所述第一支撑管的内侧与主体横梁上之间及所述第二支撑管的内侧与主体横梁上之间均分别连接有斜撑管(9)。

5.根据权利要求1或2所述局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，其特征在于，所述第一导流板和第二导流板均为塑料板，所述第一导流板和所述第二导流板上分别设有加强架(12)。

6.根据权利要求1或2所述局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，其特征在于，所述流线型整流罩(27)包括流线型围板(28)和设置在流线型围板(28)一端的外沿板(29)，所述外沿板(29)上设有螺栓过孔，所述流线型整流罩(27)与第二导流板之间采用螺栓连接。