CN105319041A - 横置柔性管涡激流振动实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横置柔性管涡激流振动实验装置，包括四根测试管及用于拉动测试管的拖曳车及测控系统，拖曳车两侧分别设有可放入拖曳池的左右拖曳臂，四根测试管的两端通过万向节分别固定在拖曳臂下部安装板上的两个固定孔及一条长槽内，其中一端设有张紧机构；测控系统包括测试管拉力传感器、测试管剪力传感器、测试管应变传感器及车速控制装置，测试管拉力传感器及剪力传感器均设置在测试管的端部，测试管应变传感器设置在测试管的管壁上。本发明的实验装置可以解决多管件状态下的涡激流振动模型的实验问题，还可以模拟海水波动，其实验结果与实际情形存在更为接近，具有很高的实用价值。

Description

横置柔性管涡激流振动实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的实验装置，具体地说，涉及的是一种横置柔性管涡激流振动实验装置。

背景技术

在海流作用下，悬跨的海底管线、海洋平台立管或拖缆等柔性管件上会周期性地产生漩涡脱落。漩涡脱落是流体横向流过圆柱体时，在圆柱体背面的两侧交替产生旋涡，且在脱离后形成旋涡尾流的现象。产生旋涡的原因是流体受阻后动能和压能相互转换，且压强沿圆柱体周向及边界层的厚度方向发生变化，边界层外部流体的较大压强作用迫使边界层内部压强较小的质点向相反方向流动，从而使边界层增厚，形成旋涡，然后从圆柱体表面脱离，旋涡随着流速增大被拉长后消失。涡激流振动将导致柔性管件的阻力系数增加和结构疲劳破坏。在设计海洋柔性管件的时候，管件因涡激流振动而导致疲劳破坏将是一个必须考虑的重要因素。目前，实验手段是研究柔性管件涡激流振动现象最主要的研究手段。通过模型实验，可以较为全面的观测到涡激流振动现象及其主要特征，获得较为可靠的实验结果，从而对实际工程中可能出现的涡激流振动及抑振装置等进行实验验证。公开日为2007年12月19日，公开号为CN101089578A的中国专利文件公开了一种横置于拖曳水池中柔性管件模型的涡激振动试验装置，包括管件模型、端部支撑机构、流速增大装置、横向试验支持架、拖车和测量分析系统，管件模型穿过流速增大装置，管件模型和流速增大装置均横置于拖曳水池中，管件模型的两端靠端部支撑机构支持，横向试验支持架把流速增大装置和端部支撑机构与拖车连接，测量分析系统的各仪器设备分散布置于管件模型、端部支撑机构、流速增大装置、横向试验支持架和拖车之中。这种试验装置主要解决了在流速分层的流场中柔性管件涡激流振动的试验问题，但该装置只能对单一管件进行试验，不能进行实际工程中常见的多管件状态下涡激流振动的模型实验；另一方面，由于海流在流动过程中通常存在波动，而前述不能模拟海流的波动，因此其试验结果与实际情形存在较大的差别，降低了试验的精确程度。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的拖曳水池柔性管件涡激流振动实验只能进行单管实验，不能进行实际工程中常见的多管件状态下涡激流振动的模型实验问题，提供一种横置柔性管涡激流振动实验装置，可以解决多管件状态下的涡激流振动模型实验问题。

本发明的另一目的是解决现有技术的拖曳水池柔性管件涡激流振动试验装置不能模拟海水波动，试验结果与实际情形存在较大的差别的问题，提供一种可以模拟海水波动的横置柔性管涡激流振动实验装置，其试验结果与实际情形存在更为接近，提高了实验数据的准确度。

本发明为实现上述目的所采用的具体技术方案是，一种横置柔性管涡激流振动实验装置，包括测试管及用于拉动测试管的拖曳车及测控系统，所述的测试管为四根，横向分两层设置，每层测试管为两根且上下对应，拖曳车两侧分别设有可放入拖曳池的拖曳臂，所述拖曳臂包括左拖曳臂与右拖曳臂，左拖曳臂与右拖曳臂下端部均设有测试管安装板，安装板上设有上下两个固定孔及分别与固定孔处于同一水平线上的上下两条长槽，四根测试管的左端通过万向节分别固定在左侧安装板上的两个固定孔及两条长槽内，四根测试管的右端通过万向节及张紧机构分别设置在右侧安装板上的两个固定孔及两条长槽内，四根测试管的中心轴线在一个长方体的四条相互平行的棱边上；所述测控系统包括测试管拉力传感器、测试管剪力传感器、测试管应变传感器及车速控制装置，测试管拉力传感器及剪力传感器均设置在测试管的右端部，测试管应变传感器设置在测试管的管壁上。本发明的横置柔性管涡激流振动实验装置设置有四根测试管（即柔性管的模拟管），四根测试管分上下两层设置，同一水平面上的测试管间距可以通过长槽加以调节；张紧机构可以使测试管保持一定的张力，并可以方便地调节这种张力的大小；剪力传感器及应变传感器用于检测测试管在实验状态下的涡激流振动数据。由于本发明的装置测试管两侧剪力对称，因此仅在一侧设置剪力传感器。本发明的实验装置可以模拟在同一水平面上不同间距的柔性管之间的涡激流振动情况，得到准确的多管件状态下涡激流振动实验数据，并通过计算机进行数据分析处理得出实验结果，从而解决了现有技术的拖曳水池柔性管件涡激流振动实验只能进行单管实验，不能进行实际工程中常见的多管件状态下涡激流振动的模型实验问题。

作为优选，拖曳臂上固定有安装板滑动机构，滑动机构包括一竖直设置的滑槽，安装板可上下滑动地设置在滑槽内，安装板的一侧边设有齿条，滑槽的一侧设有摆动机构，齿条与摆动机构上的摆动齿轮啮合，摆动机构工作时，摆动输出齿轮带动安装板及测试管上下运动。本发明的测试管可以在摆动机构的带动下上下缓慢运动，从而模拟实际情况下海水的波动，因此其试验结果与实际情形存在更为接近，大大提高了实验数据的准确度。

作为优选，摆动机构包括一摆动电机，摆动电机的动力轴上叠设有正向驱动齿轮与反向驱动齿轮，正向驱动齿轮与反向驱动齿轮均为齿数、模数相同的扇形齿轮且错位布置，摆动机构还包括摆动齿轮，正向驱动齿轮与摆动齿轮间断性啮合，反向驱动齿轮与换向齿轮间断性啮合，换向齿轮与摆动齿轮啮合，摆动齿轮通过一减速传动齿轮与摆动输出齿轮啮合，正向驱动齿轮与摆动齿轮啮合时，反向驱动齿轮与换向齿轮脱离啮合，反向驱动齿轮与换向齿轮啮合时，正向驱动齿轮与摆动齿轮脱离啮合，所述正向驱动齿轮驱动所述摆动齿轮摆动的角度与所述反向驱动齿轮通过换向齿轮驱动所述摆动齿轮摆动的角度相等，摆动机构连接测控系统。

摆动电机通过驱动轴带动正向驱动齿轮与反向驱动齿轮同方向转动，当正向驱动齿轮与摆动齿轮啮合时，摆动齿轮反向转动通过一减速传动齿轮带动摆动输出齿轮正向转动，正向驱动齿轮继续转动与摆动齿轮脱离啮合，摆动齿轮停止转动，此时反向驱动齿轮与换向齿轮啮合，反向驱动齿轮通过换向齿轮带动摆动齿轮正向转动，反向驱动齿轮继续转动与换向齿轮脱离啮合后，正向驱动齿轮又开始与摆动齿轮啮合，重复上述过程，实现电机连续转动带动摆动输出齿轮的来回转动，从而通过齿条带动安装板及测试管上下运动，这样可以模拟水流的上下波动，使实验结构更接近于真实情况，提高实验数据的准确度。

作为优选，每根测试管上设有两块呈圆板状的滑板，所述滑板可滑动地套设在测试管上，滑板的最大厚度是滑板直径的6%至10%，滑板的直径小于相邻两根测试管的间距，滑板的外周其纵切面呈半圆形，滑板上设有锁紧机构。滑板的作用一是用于微调测试管的固有震动频率，可以测试柔性管的在不同自振频率下的涡激流振动情况；二是可以用于模拟柔性管在有外来附着物状态下的涡激流振动情况，从而取得多方面的测试数据。这里的滑板纵切面是指测试管长度方向上的剖切面，纵切面呈半圆形主要是为了减小水流阻力，避免对涡激流测试造成影响，通常在用于微调测试管的固有震动频率时，两块滑板在测试管的两端部对称设置；在用于模拟柔性管在有外来附着物状态下的涡激流振动时，两块滑板可以对称设置，也可以合并设置于测试管的某一部位。

作为优选，测试管的长度是测试管直径的100至300倍。本实验装置适合大跨度的柔性管的涡激流振动实验。

作为优选，测试管为铜管，铜管的空腔内固定有比重调节材料。比重调节材料用于调节测试管的整体比重，使其与拖曳池中的水的比重比例关系和实际工程中的柔性管与海水的比重关系相匹配，这样可以使实验结果更加精确。而比重调节材料与铜管之间应当固定，这样可以避免影响测试管的整体性。

作为优选，张紧机构包括一筒状壳体，万向节一端的固定轴伸入设壳体的开口端，壳体的封闭端设有通孔，拉绳的一端穿过通孔与万向节的固定轴连接，拉绳的另一端通过滑轮机构与设置在拖曳车上的配重块连接，测试管拉力传感器设置在壳体内的拉绳与固定轴之间，测试管剪力传感器设置在壳体内侧壁与固定轴之间。本方案在测试管的一端连接拉绳，并通过滑轮组、配重块对拉绳施加拉力，使每根测试管保持一定且基本相等的张力，本方案的配重块设置在拖曳车上。测试管剪力传感器通常设置四个，在固定轴是周向上均匀布置，一般两个剪力传感器在拖曳车的移动方向上，两个与拖曳车的移动方向垂直。

作为另一种可选方案，对于安装板可以上下滑动的结构，采用下面的张紧机构方案更为方便，即张紧机构包括一筒状壳体，万向节一端的固定轴伸入设壳体的开口端，壳体的空腔内设有一拉簧，拉簧的一端与万向节的固定轴连接，拉簧的另一端与设置在壳体封闭端的调节螺栓连接，测试管拉力传感器设置在拉簧与调节螺栓之间，测试管剪力传感器设置在壳体内侧壁与固定轴之间。本方案的张紧机构其张紧力由拉簧产生，无需拉绳，因此结构比较简单，通过调节螺栓可以调节测试管张紧力的大小，简单方便。

作为优选，测试管应变传感器等间隔地设置在测试管的多个横截面上，每个横截面上沿测试管管壁周向均匀设置四个应变传感器，其中两个应变传感器位于水平方向上，另外两个应变传感器位于垂直方向上，应变传感器与设置在测试管内的线缆连接，线缆由测试管的端部引出。

需要说明的是，本发明并未完整、详细地描述本发明的实验过程及数据分析处理过程，这些本发明没有描述或没有详细描述的内容都是本技术领域的技术人员应当掌握的公知技术，另外，本发明涉及的“左右”表述只是为了方便说明，并不是对实际位置的限定，实际上的左右位置可以对调。

本发明的有益效果是，它有效地解决了现有技术的拖曳水池柔性管件涡激流振动实验只能进行单管实验，不能进行实际工程中常见的多管件状态下涡激流振动的模型实验问题，也解决了现有技术的拖曳水池柔性管件涡激流振动试验装置不能模拟海水波动，试验结果与实际情形存在较大的差别的问题，本发明的横置柔性管涡激流振动实验装置可以解决多管件状态下的涡激流振动模型的实验问题，还可以模拟海水波动，其实验结果与实际情形存在更为接近，实验数据的准确度大大提高，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明横置柔性管涡激流振动实验装置的一种整体结构示意图；

图2是本发明安装板的一种结构示意图；

图3是图1的一种局部放大示意图；

图4是图1的一种局部放大示意图；

图5是张紧结构的一种结构剖视图；

图6是摆动机构与安装板的一种连接结构示意图；

图7是摆动机构的一种内部结构示意图；

图8是测试管的一种横截面结构示意图；

图9是滑板的一种安装结构示意图。

图中：1.测试管，2.拖曳车，3.左拖曳臂，4.右拖曳臂5.安装板，6.固定孔，7.长槽，8.万向节，9.张紧机构，10.拉力传感器，11.剪力传感器，12.应变传感器，13.滑槽，14.齿条，15.摆动机构，16.摆动输出齿轮，17.动力轴，18.正向驱动齿轮，19.反向驱动齿轮，20.摆动齿轮，21.换向齿轮，22.减速传动齿轮，23.滑板，24.筒状壳体，25.固定轴，26.通孔，27.拉绳，28.滑轮机构，29.拉簧，30.调节螺栓,31.拖曳池，32.线缆。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

在如图1所示的实施例1中，一种横置柔性管涡激流振动实验装置，包括测试管及用于拉动测试管的拖曳车及测控系统，所述的测试管1为四根，横向分两层设置，每层测试管为两根且上下对应，拖曳车2两侧分别设有可放入拖曳池31的拖曳臂，所述拖曳臂包括左拖曳臂3与右拖曳臂4，左拖曳臂与右拖曳臂下端部均设有安装板5，安装板上设有上下两个固定孔6及分别与固定孔处于同一水平线上的上下两条长槽7（见图2），四根测试管的左端通过万向节8分别固定在左侧安装板上的两个固定孔及两条长槽内（见图3），四根测试管的右端通过万向节及张紧机构9分别设置在右侧安装板上的两个固定孔及两条长槽内（见图4），四根测试管的中心轴线在一个长方体的四条相互平行的棱边上。所述测控系统包括测试管拉力传感器10、测试管剪力传感器11、测试管应变传感器12及车速控制装置，测试管拉力传感器及剪力传感器均设置在测试管的右端部，测试管应变传感器设置在测试管的管壁上。本实施例的张紧机构包括一筒状壳体24，万向节一端的固定轴25伸入设壳体的开口端，壳体的封闭端设有通孔26，拉绳27的一端穿过通孔与万向节的固定轴连接，拉绳的另一端通过滑轮机构28与设置在拖曳车上的配重块连接（图中未画出），测试管拉力传感器设置在壳体内的拉绳与固定轴之间，测试管剪力传感器设置在壳体内侧壁与固定轴之间，测试管剪力传感器为四个，在固定轴是周向上均匀布置，两个剪力传感器在拖曳车的移动方向上，两个与移动方向垂直。测试管应变传感器等间隔地设置在测试管的6个横截面上，每个横截面上沿测试管管壁周向均匀设置四个应变传感器，其中两个应变传感器位于水平方向上，另外两个应变传感器位于垂直方向上（见图8），应变传感器与设置在测试管内的线缆（图8中未画出）连接，线缆由测试管的端部引出。测试管拉力传感器、测试管剪力传感器及测试管应变传感器均通过线缆32连接电脑。

实施例2

实施例2的两侧拖曳臂上均固定有安装板滑动机构（见图6），滑动机构包括一竖直设置的滑槽13，安装板可上下滑动地设置在滑槽内，安装板的一侧边设有齿条14，滑槽的一侧设有摆动机构15，齿条与摆动机构上的摆动输出齿轮16啮合，摆动机构工作时，摆动输出齿轮带动安装板及测试管上下运动。实施例2的张紧机构包括一筒状壳体，万向节一端的固定轴伸入设壳体的开口端，壳体的空腔内设有一拉簧29（见图5），拉簧的一端与万向节的固定轴连接，拉簧的另一端与设置在壳体封闭端的调节螺栓30连接，测试管拉力传感器设置在拉簧与调节螺栓之间，测试管剪力传感器设置在壳体内侧壁与固定轴之间。本实施例的摆动机构包括一摆动电机，所述摆动电机为调速电机，摆动电机的动力轴17上叠设有正向驱动齿轮18与反向驱动齿轮19，正向驱动齿轮与反向驱动齿轮均为齿数、模数相同的扇形齿轮且错位布置，摆动机构还包括摆动齿轮20，正向驱动齿轮与摆动齿轮间断性啮合，反向驱动齿轮与换向齿轮21间断性啮合，换向齿轮与摆动齿轮啮合，摆动齿轮通过一减速传动齿轮22与摆动输出齿轮啮合（见图7），正向驱动齿轮与摆动齿轮啮合时，反向驱动齿轮与换向齿轮脱离啮合，反向驱动齿轮与换向齿轮啮合时，正向驱动齿轮与摆动齿轮脱离啮合，所述正向驱动齿轮驱动所述摆动齿轮摆动的角度与所述反向驱动齿轮通过换向齿轮驱动所述摆动齿轮摆动的角度相等，摆动机构连接测控系统，其余和实施例1相同。

实施例3

实施例3的每根测试管上设有两块呈圆板状的滑板23（见图9，图中显示其中一块），所述滑板可滑动地套设在测试管上，滑板的最大厚度是滑板直径的10%，滑板的直径小于相邻两根测试管的间距，滑板的外周其纵切面呈半圆形，滑板上设有锁紧机构。本实施例的测试管为铜管，铜管的空腔内固定有比重调节材料，测试管整体的比重为1.2克/立方厘米，测试管的长度是测试管直径的200倍；其余和实施例1或实施例2相同。

本发明的实验装置在测试时，在计算机内安装好计算机实时分析处理软件，将实验中的设定参数如拖曳车速度、测试管拉力等输入电脑，并将实验中测得的数据如测试管剪力数据、应变量数据等送入计算机进行分析处理，得到横置柔性管涡激流振动的实验结果。通过改变测试管的间距、拉力、比重、拖曳车的速度及测试管的升降速度等实验条件，可以得到各种不同情况下横置柔性管涡激流振动的实验结果，从而为实际海洋工程提供指导。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征或技术数据可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施方式，这些本发明没有详细描述的实施方式是本领域技术人员无需创造性劳动就可以轻易实现的，因此这些未详细描述的实施方式也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种横置柔性管涡激流振动实验装置，包括测试管及用于拉动测试管的拖曳车及测控系统，其特征在于，所述的测试管（1）为四根，横向分两层设置，每层测试管为两根且上下对应，拖曳车（2）两侧分别设有可放入拖曳池的拖曳臂，所述拖曳臂包括左拖曳臂（3）与右拖曳臂（4），左拖曳臂与右拖曳臂下端部均设有安装板（5），安装板上设有上下两个固定孔（6）及分别与固定孔处于同一水平线上的上下两条长槽（7），四根测试管的左端通过万向节（8）分别固定在左侧安装板上的两个固定孔及两条长槽内，四根测试管的右端通过万向节及张紧机构（9）分别设置在右侧安装板上的两个固定孔及两条长槽内，四根测试管的中心轴线在一个长方体的四条相互平行的棱边上；所述测控系统包括测试管拉力传感器（10）、测试管剪力传感器（11）、测试管应变传感器（12）及车速控制装置，测试管拉力传感器及剪力传感器均设置在测试管的右端部，测试管应变传感器设置在测试管的管壁上。

2.根据权利要求1所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，所述的拖曳臂上固定有安装板滑动机构，滑动机构包括一竖直设置的滑槽（13），安装板可上下滑动地设置在滑槽内，安装板的一侧边设有齿条（14），滑槽的一侧设有摆动机构（15），齿条与摆动机构上的摆动输出齿轮（16）啮合，摆动机构工作时，摆动输出齿轮带动安装板及测试管上下运动。

3.根据权利要求2所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，所述摆动机构包括一摆动电机，摆动电机的动力轴（17）上叠设有正向驱动齿轮（18）与反向驱动齿轮（19），正向驱动齿轮与反向驱动齿轮均为齿数、模数相同的扇形齿轮且错位布置，摆动机构还包括摆动齿轮（20），正向驱动齿轮与摆动齿轮间断性啮合，反向驱动齿轮与换向齿轮（21）间断性啮合，换向齿轮与摆动齿轮啮合，摆动齿轮通过一减速传动齿轮（22）与摆动输出齿轮啮合，正向驱动齿轮与摆动齿轮啮合时，反向驱动齿轮与换向齿轮脱离啮合，反向驱动齿轮与换向齿轮啮合时，正向驱动齿轮与摆动齿轮脱离啮合，所述正向驱动齿轮驱动所述摆动齿轮摆动的角度与所述反向驱动齿轮通过换向齿轮驱动所述摆动齿轮摆动的角度相等，摆动机构连接测控系统。

4.根据权利要求1所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，每根测试管上设有两块呈圆板状的滑板（23），所述滑板可滑动地套设在测试管上，滑板的最大厚度是滑板直径的6%至10%，滑板的直径小于相邻两根测试管的间距，滑板的外周其纵切面呈半圆形，滑板上设有锁紧机构。

5.根据权利要求1所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，测试管的长度是测试管直径的100至300倍。

6.根据权利要求1所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，所述的测试管为铜管，铜管的空腔内固定有比重调节材料。

7.根据权利要求1所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，张紧机构包括一筒状壳体（24），万向节一端的固定轴（25）伸入设壳体的开口端，壳体的封闭端设有通孔（26），拉绳（27）的一端穿过通孔与万向节的固定轴连接，拉绳的另一端通过滑轮机构（28）与设置在拖曳车上的配重块连接，测试管拉力传感器设置在壳体内的拉绳与固定轴之间，测试管剪力传感器设置在壳体内侧壁与固定轴之间。

8.根据权利要求2所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，张紧机构包括一筒状壳体，万向节一端的固定轴伸入设壳体的开口端，壳体的空腔内设有一拉簧（29），拉簧的一端与万向节的固定轴连接，拉簧的另一端与设置在壳体封闭端的调节螺栓（30）连接，测试管拉力传感器设置在拉簧与调节螺栓之间，测试管剪力传感器设置在壳体内侧壁与固定轴之间。

9.根据权利要求1-8任一项所述的横置柔性管涡激流振动实验装置，其特征是，测试管应变传感器等间隔地设置在测试管的多个横截面上，每个横截面上沿测试管管壁周向均匀设置四个应变传感器，其中两个应变传感器位于水平方向上，另外两个应变传感器位于垂直方向上，应变传感器与设置在测试管内的线缆（32）连接，线缆由测试管的端部引出。