CN105509996B - 一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置及方法，包括转动机构，实验机构和圆环形水槽；所述转动机构包括支撑板、变频电机、电机支座、联轴器、轴承支座、轴承、转轴；所述实验机构包括连杆、传感器接头一、测阻力传感器、传感器接头二、测升力传感器、试件夹具、紧定螺钉、圆柱试件；所述圆环形水槽为内外两层环形铁板构成的水槽，支撑板通过地脚螺栓安装固定在圆环形水槽中部并与水平面保持垂直；实验机构连接转动机构。本发明改变传统水洞实验装置的水体流动、试件静止的模式，让水体静止、试件运动，利用水体与试件的相对运动完成实验，在保证实验效果的同时，简化了实验装置，极大的提高了实验的可操作性。

Description

一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置及方法

技术领域

本发明涉及隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置及方法，属于油气田开发技术领域。

背景技术

钝体绕流是流体力学的经典问题之一，1908年，Benard就记录下了水中圆柱背对来流一侧的周期性漩涡脱落。1911年冯·卡门从理论上研究了圆柱绕流产生的两列涡街的稳定性，此后引起了众多学者对绕流问题广泛的关注。隔水管是海洋石油钻井的重要组成部分，作为传输管线广泛用于连接井口、海底管道与浮式结构。在现场使用过程中，波浪、洋流经过隔水管时会产生绕流作用，在隔水管背面出现周期性漩涡，并交替脱落。漩涡的产生和释放过程中产生涡激振动现象，进而对隔水管产生周期性升力和阻力。阻力方向与洋流运动方向相反，大小呈周期性变化；升力方向与洋流方向垂直，大小也呈周期性变化。这两种力的作用，将会使隔水管产生不同程度上的疲劳损坏甚至破裂，对隔水管产生摧毁性破坏现象屡见不鲜。因此，通过实验模拟海洋隔水管的受力，对实际工程的研究具有十分重要的意义。在海洋实际工况下，洋流速度为0-1.5m/s，隔水管直径大多在0.5-1m左右，可知隔水管所处水下环境雷诺数R_e＝0-1.5×10⁶。在实验装置的设计中，考虑到实验装置、场地大小及操作难易程度，将直径在1m左右的圆柱等比例缩小，圆环水槽两壁面间距与圆柱试件直径之比为40，可忽略壁面边界流动对试件带来的影响。要求实验中流体流经隔水管模型的流动特性必须和实际情况相近；研究表明当圆柱长径比L/D>6时，能很好反应整个流场。模型缩小的理论依据为：雷诺数相似准则。不可压缩流体动力学控制方程的无因次方程表明，只要控制方程中的雷诺数相同，无论任何牛顿流体，其流动形式是完全一样的。因此，保证在实验和实际工况下雷洛数Re相近时，将隔水管模型缩小是合理的。

目前用于模拟隔水管升力、阻力的实验装置申请专利有：一种深水立管的时域涡激升力确定方法(申请号201110291358.0)、用于桩柱绕流试验的作用力测量装置(申请号201210160094.X)、隔水管阻力系数的实验与研究(方华灿，石油矿场机械)等。上述成果在一定程度上实现了现在隔水管阻力系数实验，但仍存在以下问题:1.模拟水洞对实验隔水管进行水力绕流测试，但并未进行升力测试，实验数据对现场生产作用有限；2.模拟产生水洞如果要制造出符合现场状态的水流情况，需要较大的空间和大功率水泵，增大实验难度，增加实验成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，本装置改变传统的水洞模型实验装置的工作方式，让水体保持静止，隔水管保持运动，从而能完成更多实验数据采集，同时达到节约空间和减少动力装置的目的。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，包括转动机构、实验机构、控制系统和圆环形水槽；所述转动机构包括支撑板、变频电机、电机支座、联轴器、轴承支座、轴承、转轴；所述实验机构包括连杆、传感器接头一、测阻力传感器、传感器接头二、测升力传感器、试件夹具、紧定螺钉、圆柱试件；所述圆环形水槽为内外两层环形铁板构成的水槽，支撑板通过地脚螺栓安装固定在圆环形水槽中部，保持转动机构中心位于圆环形水槽的圆心并与水平面保持垂直；变频电机通过螺栓固定在电机支座下部；电机支座和轴承支座用螺栓分别固定在支撑板上部；轴承安装于轴承支座中，转轴下部与轴承和联轴器连接，连杆一端与转轴上部垂直连接，连杆保持水平；连杆另一端依次连接传感器接头一和测阻力传感器，测阻力传感器保持水平；测升力传感器上端通过传感器接头二固定安装在测阻力传感器末端，测升力传感器垂直于水平面；试件夹具与传感器接头二用螺栓连接，圆柱试件与试件夹具用紧定螺钉连接，圆柱试件垂直于水平面。

优选的，所述转轴下部为直径不同的两段，分别与轴承和联轴器连接，连接方式均为过渡配合。

优选的，所述连杆与转轴上部采用热装方式安装，将转轴加热到安装孔能放入连杆后，冷却至连杆安装紧固。

优选的，所述测阻力传感器用于测量试件运动时所受阻力F_d，测升力传感器用于测量圆柱试件运动时受到的升力F_l。

优选的，所述转动机构上设有无线接收装置，接收操作信号，并操作变频电机启停和转速。

优选的，所述实验机构上设有无线发送装置，发送测阻力传感器和测升力传感器所检测到的数据。

优选的，所述圆柱试件有多个类型，各类型直径不同，根据实验需求，选择安装对应直径的圆柱试件进行实验；在同一直径的情况下，选择不同表面织构，如光滑表面，凹坑表面，凹槽表面的圆柱试件进行对比实验。

优选的，所述装置旋转半径与圆柱试件半径相比极大，圆柱试件沿着圆周方向的转动近似直线运动。

本发明还提供一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置的工作方法，步骤如下：

1)初始状态下，安装好所选类型的圆柱试件，向圆环形水槽中灌入清水或配制出的海水，水深控制到圆柱试件上端，保持水面平静；

2)启动装置，系统开始自检，自检完成后，设定变频电机转速，开启变频电机；

3)转动机构带动实验机构开始转动，并达到匀速圆周运动；

4)测阻力传感器和测升力传感器检测实验过程中的阻力和升力，通过无线发送装置传送到控制系统中保存并进行转换，从而得到不同雷诺数下阻力系数C_d和升力系数C_l的大小；

5)本组数据测试完毕后，改变频率重复上述步骤，得到不同雷诺数下阻力和升力系数；

6)实验结束后，关闭设备并排出圆环形水槽中的水，清理实验装置。

本发明的优点在于：

1.本发明改变传统水洞实验装置的水体流动、试件静止的模式，让水体静止、试件运动，利用水体与试件的相对运动完成实验，在保证实验效果的同时，简化了实验装置，极大的提高了实验的可操作性。

2.装置采用变频电机提供动力，能输出不同的转速来调节雷诺数。

3.各部分采用分离式设计，通过螺栓连接，易于拆卸和安装。

4.实验利用单向传感器测力，测量数据精准。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主体部分结构示意图；

图3是本发明的结构示意图俯视图。

图中所示：1-支撑板、2-变频电机、3-电机支座、4-联轴器、5-轴承支座、6-轴承、7-转轴、8-连杆、9-传感器接头、10-测阻力传感器、11-传感器接头、12-测升力传感器、13-试件夹具、14-紧定螺钉、15-圆柱试件、16-圆环形水槽。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1～图3所示，一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，包括转动机构、实验机构、控制系统和圆环形水槽16；所述转动机构包括支撑板1、变频电机2、电机支座3、联轴器4、轴承支座5、轴承6、转轴7，转动机构上设有无线接收装置，接收操作信号，并操作变频电机启停和转速；所述实验机构包括连杆8、传感器接头一9、测阻力传感器10、传感器接头二11、测升力传感器12、试件夹具13、紧定螺钉14、圆柱试件15，实验机构上设有无线发送装置，发送测阻力传感器和测升力传感器所检测到的数据；所述圆环形水槽16为内外两层环形铁板构成的水槽，支撑板1通过地脚螺栓安装固定在圆环形水槽16中部，保持转动机构中心位于圆环形水槽16的圆心并与水平面保持垂直；变频电机2通过螺栓固定在电机支座3下部；电机支座3和轴承支座5用螺栓分别固定在支撑板1上部；轴承6安装于轴承支座5中，所述转轴7下部为直径不同的两段，采用过渡配合分别与轴承6和联轴器4连接，所述连杆8与转轴7上部采用热装方式安装，将转轴7加热到安装孔能放入连杆8后，冷却至连杆安装紧固，连杆8保持水平；连杆8另一端依次连接传感器接头一9和测阻力传感器10，测阻力传感器10保持水平，用于测量试件运动时所受阻力F_d；测升力传感器12上端通过传感器接头二11固定安装在测阻力传感器10末端，测升力传感器12垂直于水平面，用于测量圆柱试件15运动时受到的升力F_l；试件夹具13与传感器接头二11用螺栓连接，圆柱试件15与试件夹具13用紧定螺钉连接，圆柱试件15垂直于水平面，所述圆柱试件15有多个类型，各类型直径不同，根据实验需求，选择安装对应直径的圆柱试件15进行实验；在同一直径的情况下，选择不同表面织构，如光滑表面，凹坑表面，凹槽表面的圆柱试件15进行对比实验。

隔水管在洋流及波浪的作用下，产生涡激振荡现象，作用在隔水管上交变阻力和升力载荷，易导致隔水管疲劳破坏，造成严重的经济损失，为了更深入了解其破坏机理从而制定出预防处理方案，需要计算出阻力系数C_d和升力系数C_l。

C_d＝2F_d/ρu²A (式1)

C_l＝2F_l/ρu²A (式2)

其中ρ为密度，u为来流方向液体流速，A为圆柱试件来流方向上的投影面积。

分析不同雷诺数Re与C_d和C_l的关系及影响C_d、C_l的因素；分析雷诺数与阻力、升力系数之间存在的关系，如何减小涡激振动时阻力、升力对试件的疲劳冲击，为后续研究如何减小阻力及振动，提高隔水管疲劳寿命提供研究方向。

实施例

使用本装置进行隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定，

1)初始状态下，按照直径和表面织构，选择本次实验的圆柱试件15对象，根据本次实验所需安装好所选类型的圆柱试件15，向圆环形水槽16中灌入清水或配制出的海水，水深控制到圆柱试件15上端，保持水面平静；

2)对雷诺数进行分组，实际雷诺数Re＝uD/ν(u-圆柱速度，D圆柱直径，ν-运动粘度)，通过改变电机转速u来改变Re，启动装置，系统开始自检，自检完成后，调节变频电机2并观测显示仪表，使变频电机2转速到确定值，如果变频电机2启动转速较小，应先将开启转速调至一个较大值(如30r/min)，再逐步调至需要的转速，开启变频电机2；

3)转动机构带动实验机构开始转动，并达到匀速圆周运动，每一组实验从变频电机2开启到变频电机2关闭进行计时，保证每一组中的各个实验所用时间基本相同，使得没入部分对液体扰动的影响在每一组实验间保持基本一致；同时，实验时间不应过长，连杆8转动一周的时间，以此削弱伸入液面的部分对液体扰动；

4)测阻力传感器10和测升力传感器12检测实验过程中的阻力和升力并在控制系统进行转换，从而得到不同雷诺数下阻力系数C_d和升力系数C_l的大小，将数据通过无线发送装置传送到控制系统中，操作人员对数据进行保存和分析；

5)本组数据测试完毕后，改变频率重复上述步骤，得到不同雷诺数下阻力和升力系数，每一雷诺数下，都要圆柱试件15进行实验，不同的雷诺数之间应将阻力值换算成阻力系数再进行对比，得到阻力系数C_d与雷诺数Re间的关系曲线，不同雷诺数下的实验，也要保证实验时间相同，便于对比分析；

6)实验结束后，关闭设备并排出圆环形水槽16中的水，清理实验装置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，其特征在于，包括转动机构，实验机构、控制系统和圆环形水槽；所述转动机构包括支撑板(1)、变频电机(2)、电机支座(3)、联轴器(4)、轴承支座(5)、轴承(6)、转轴(7)；所述实验机构包括连杆(8)、传感器接头一(9)、测阻力传感器(10)、传感器接头二(11)、测升力传感器(12)、试件夹具(13)、紧定螺钉(14)、圆柱试件(15)；所述圆环形水槽(16)为内外两层环形铁板构成的水槽，支撑板(1)通过地脚螺栓安装固定在圆环形水槽(16)中部，保持转动机构中心位于圆环形水槽(16)的圆心并与水平面保持垂直；变频电机(2)通过螺栓固定在电机支座(3)下部；电机支座(3)和轴承支座(5)用螺栓分别固定在支撑板(1)上部；轴承(6)安装于轴承支座(5)中，转轴(7)下部与轴承(6)和联轴器(4)连接，连杆(8)一端与转轴(7)上部垂直连接，连杆(8)保持水平；连杆(8)另一端依次连接传感器接头一(9)和测阻力传感器(10)，测阻力传感器(10)保持水平；测升力传感器(12)上端通过传感器接头二(11)固定安装在测阻力传感器(10)末端，测升力传感器(12)垂直于水平面；试件夹具(13)与传感器接头二(11)用螺栓连接，圆柱试件(15)与试件夹具(13)用紧定螺钉连接，圆柱试件(15)垂直于水平面。

2.根据权利要求1所述的一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，其特征在于，所述转轴(7)下部为直径不同的两段，分别与轴承(6)和联轴器(4)连接，连接方式均为过渡配合。

3.根据权利要求1所述的一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，其特征在于，所述连杆(8)与转轴(7)上部采用热装方式安装，将转轴(7)加热到安装孔能放入连杆(8)后，冷却至连杆(8)安装紧固。

4.根据权利要求1所述的一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，其特征在于，所述测阻力传感器(10)用于测量试件运动时所受阻力F_d，测升力传感器(12)用于测量圆柱试件(15)运动时受到的升力F_l。

5.根据权利要求1所述的一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，其特征在于，所述转动机构上设有无线接收装置，接收操作信号，并操作变频电机(2)启停和转速。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，其特征在于，所述实验机构上设有无线发送装置，发送测阻力传感器(10)和测升力传感器(12)所检测到的数据。

7.根据权利要求6所述的一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置，其特征在于，所述圆柱试件(15)有多个类型，各类型直径不同，根据实验需求，选择安装对应直径的圆柱试件(15)进行实验；在同一直径情况下，选择不同表面织构的圆柱试件(15)进行对比实验。

8.采用如权利要求7所述的一种隔水管绕流阻力系数和升力系数的测定装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：

1)初始状态下，安装好所选类型的圆柱试件(15)，向圆环形水槽(16)中灌入清水或配制出的海水，水深控制到圆柱试件(15)上端，保持水面平静；

2)启动装置，系统开始自检，自检完成后，设定变频电机(2)转速，开启变频电机(2)；

3)转动机构带动实验机构开始转动，并达到匀速圆周运动；

4)测阻力传感器(10)和测升力传感器(12)检测实验过程中的阻力和升力，通过无线发送装置传送到控制系统中保存并进行转换，从而得到不同雷诺数下阻力系数C_d和升力系数C_l的大小；

5)本组数据测试完毕后，改变频率重复上述步骤，得到不同雷诺数下阻力和升力系数；

6)实验结束后，关闭设备并排出圆环形水槽(16)中的水，清理实验装置。