CN107607285A - 海上地震风雪环境风洞模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上地震风雪环境风洞模拟装置，应用在环境风洞模拟装置领域，包括顺次设置的风力发生段、雪花发生段和测试段，风力发生段内设有风机；雪花发生段内周向设有若干液氮喷头和水喷头，液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接，水喷头通过水管路与压力水源连接；测试段从上至下分为净空层、海水层和海泥层；所述海泥层底部设有震动发生器。主要解决当前对于环境的风洞实验装置缺少能够模拟海上地震及其伴随着的风浪环境的风洞装置。本发明可模拟海上地震伴随着风雪环境情况对海上钻井平台的影响，以提出合理的抗海上地震风雪环境设计，提高海上钻井平台在海上地震环境中的安全性。

Description

海上地震风雪环境风洞模拟装置

技术领域

本发明属于环境风洞模拟装置领域，具体涉及一种海上地震风雪环境风洞模拟装置。

背景技术

随着人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋。因此，钻井工程作业也必须在浩瀚的海洋中进行。在海上进行油气钻井施工时，几百吨重的钻机要有足够的支撑和放置的空间，同时还要有钻井人员生活居住的地方，海上石油钻井平台就担负起了这一重任。由于海上气候的多变，基于海上风雪甚至地震的侵袭破坏，海上钻井平台的稳定性和安全性尤为重要。

海上地震，不言而喻，破坏性极强，可直接对海上钻井平台根基造成影响。同时，海上也可能伴随风雪环境，风雪共同作用会造成海上钻井平台结构积雪的不均匀分布，很容易引起结构局部失稳从而导致整体坍塌破坏。大海能不断蒸发水汽使得上表面趋于湿润，且水的比热容较高，冷却比较慢，往往空气开始降温时海水能保持比较高的温度，在暖流区更是如此，冷流遇上暖的水面和暖的水汽，从而非常容易产生冷流雪，在高纬度的海域会下雪而且还会积雪，如北冰洋；稍低些的会下雪但不会积雪，因为雪被海水化了，如中国东海。

当前对于环境的风洞实验装置多为针对飞机或宇航领域中流体力学的研究，缺少能够模拟海上地震及其伴风雪环境的风洞装置。目前仅限于基于经典假设的数值模拟分析，使得数值模拟方法的可靠性及精确性还有待商榷，同时也限制了数值模拟方法的发展。

因此，有必要研究出一种海上地震风雪环境风洞模拟装置，提出合理的抗海上地震风雪的设计，提高海上钻井平台在海上地震风雪环境中的安全性，其具有重大的实际意义和理论研究价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种海上地震风雪环境风洞模拟装置，以模拟研究海上地震及其伴随着的风雪环境对海上钻井平台的影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种海上地震风雪环境风洞模拟装置，包括顺次设置的风力发生段、雪花发生段和放置试验模型的测试段，所述风力发生段内设有风机；所述雪花发生段内周向设有若干液氮喷头和水喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接，所述水喷头通过水管路与压力水源连接；所述液氮管路与水管路外侧分别加设有与其连通的第一气管路和第二气管路，所第一气管路和第二气管路均与压力气源连接；所述测试段从上至下分为净空层、海水层和海泥层；所述净空层与风力发生段连通；所述海泥层底部设有与试验模型连接的震动发生器。

优选的，所述震动发生器包括传动台、底座和设置其间的伸缩筒；所述传动台与试验模型下端连接；所述底座固定设置于测试段底部；所述伸缩筒有六个，每个伸缩筒上下两端分别通过万向铰链与传动台和底座连接。

优选的，所述伸缩筒为电动缸、油缸或气缸中任意一种。

优选的，所述传动台和底座的侧面四周通过橡胶波纹管密封连接。

优选的，还包括顺次设置在风力发生段和雪花发生段之间的扩散段和稳定段；所述扩散段内径沿进风方向逐渐扩大至与稳定段内径相同；所述稳定段内径与雪花发生段内径相同。

优选的，还包括设置在雪花发生段和测试段之间的混合收缩段；所述混合收缩段内径沿进风方向逐渐缩小至与测试段的净空层内径相同。

优选的，所述测试段入口设有导流板，所述导流板的叶片呈细长菱形状。

优选的，所述水管路外表面加设有保温套。

优选的，所述液氮喷头和水喷头在雪花发生段内为分段布置或交错混合布置。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可实现模拟研究海上地震及其伴随着的风雪环境情况对海上钻井平台的影响。

2、本发明采用的震动发生器可带动传动台做六自由度方向的运动，能更完整模拟地震波，如纵波、横波、面波，使本装置模拟地震情况更加真实。

3、本发明采用的净空层、海水层和海泥层，能更加真实的模拟海上钻井平台处于工作状态时的周围环境情况。

4、本发明采用的扩散段、稳定段和混合收缩段可使气流及风速更加稳定。

5、本发明采用的液氮喷头和水喷头是周向设置的，风洞内产生雪花的填充混合率更高，制造大批量雪花的能力更好。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为M区域局部放大示意图。

附图中标记如下：风力发生段1、风机11、雪花发生段2、氮喷头21、水喷头22、液氮管路23、液氮源24、水管路25、压力水源26、第一气管路27、第二气管路28、压力气源29、测试段3、净空层31、海水层32、海泥层33、震动发生器34、传动台341、底座342、伸缩筒343、万向铰链344、橡胶波纹管35、扩散段4、稳定段5、混合收缩段6、导流板7、保温套8、试验模型10。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1，一种海上地震风雪环境风洞模拟装置，包括顺次设置的风力发生段1、雪花发生段2和放置试验模型10的测试段3，所述风力发生段1内设有风机11；所述雪花发生段2内周向分段布置设有若干液氮喷头21和水喷头22，所述液氮喷头21通过液氮管路23与液氮源24连接，所述水喷头22通过水管路25与压力水源26连接；所述液氮管路23与水管路25外侧分别加设有与其连通的第一气管路27和第二气管路28，所第一气管路和第二气管路均与压力气源29连接；所述测试段3从上至下分为净空层31、海水层32和海泥层33；所述净空层31与风力发生段1连通；所述海泥层33底部设有与试验模型10连接的震动发生器34。其中海水层和海泥层取自海水和海泥原样本，当然也可是人为配比合成的水样和泥土样。

使用时，将形状近似海上钻井平台的试验模型10底部插放于海泥层中部，并与震动发生器34，试验模型顶部漏出海水层上表面，置于净空层，以此真实的模拟海上钻井平台的工作使用状态。然后打开震动发生器34，模拟海底地震对试验模型插于海泥层情况下的震动及侵扰；同时打开风力发生段1内的风机11，在风洞内形成稳定的气流，液氮和水分别经液氮管路23和水管路25输送至液氮喷头21和水喷头22处，并分别在第一气管路27和第二气管路28输送来的高压气体的推进作用下，向雪花发生段2中心区域喷出，因液氮喷头21和水喷头22是周向设置的，风洞内产生雪花的填充混合率更高，制造大批量雪花的能力更好。液氮迅速汽化吸热，雪花发生段内温度迅速降低，水则冷凝固化为雪花，在气流的带动下向前运动至测试段3，以此模拟海底地震发生时，伴随着的风雪环境作用于海上钻井平台的情景。

如图2，进一步的，本实施例采用的震动发生器34包括传动台341、底座342和设置其间的伸缩筒343；所述传动台341与试验模型10下端连接；所述底座342固定设置于测试段3底部；所述伸缩筒343有六个，每个伸缩筒上下两端分别通过万向铰链344与传动台341和底座342连接。该设计可使震动发生器34带动传动台341做六自由度方向的运动，可更完整的模拟地震波，如纵波、横波、面波，使传动台将地震波传递并作用给底部被海泥层覆盖填充着的试验模型，使更加真实的模拟海底地震情况。当然，可根据使用需求，在震动发生器上接入控制模块，并与外部控制系统连通交互，实现对地震强度和频率的调节。

进一步的，本实施例采用的伸缩筒为电动缸、油缸或气缸中任意一种，只要能实现自动伸缩即可。

进一步的，本实施例采用的传动台341和底座342的侧面四周通过橡胶波纹管35密封连接。因传动台341在震动发生器34模拟地震情况下做不规则运动，同时需要避免海泥层对震动发生器34的侵扰，采用橡胶波纹管35将传动台341和底座342的侧面四周连接，在保证密封型良好的同时，因其具有一定的冗余让性，又不致于干扰传动台341的随机运动。

本实施例所述海上地震风雪环境风洞模拟装置，还包括顺次设置在风力发生段1和雪花发生段2之间的扩散段4和稳定段5；所述扩散段4内径沿进风方向逐渐扩大至与稳定段5内径相同；所述稳定段5内径与雪花发生段2内径相同。扩散段4可使风机采入的高速高压气流得以适当降压，稳定段5可保证进入雪花发生段2的气流稳定，使风量风速稳定性更好。

本实施例所述海上地震风雪环境风洞模拟装置，还包括设置在雪花发生段2和测试段3之间的混合收缩段6；所述混合收缩段6内径沿进风方向逐渐缩小至与测试段3的净空层31内径相同。混合收缩段6可使液氮与水作用形成雪花的过程更稳定，同时也使雪花与气流的混合更加均匀，输送至测试段的风雪也能在内径缩小的混合收缩段作用下适当加压，使风雪更加强劲集中。

进一步的，本实施例采用的测试段3入口设有导流板7，所述导流板的叶片呈细长菱形状。导流板可使实验人员选择风雪作用于试验模型的方向，且设置成细长菱形状，风阻更小，导流效果更好。

进一步的，本实施例采用的水管路25外表面加设有保温套8。由于水喷头22受冷气流的影响处于极低温度环境，可能导致水喷头中水体凝结，堵塞喷头。为防止这种现象发生，在水管路外表面加设有保温套，对水管路内的水体保温，使喷头喷出的水体温度不至于过低，从而保证水喷头畅通。

进一步的，本实施例采用的液氮喷头21和水喷头22在雪花发生段内交错混合布置。该布置方式可使液氮与水混合更均匀，产生的雪花颗粒也更稳定。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种海上地震风雪环境风洞模拟装置，包括顺次设置的风力发生段、雪花发生段和放置试验模型的测试段，其特征在于：所述风力发生段内设有风机；所述雪花发生段内周向设有若干液氮喷头和水喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接，所述水喷头通过水管路与压力水源连接；所述液氮管路与水管路外侧分别加设有与其连通的第一气管路和第二气管路，所第一气管路和第二气管路均与压力气源连接；所述测试段从上至下分为净空层、海水层和海泥层；所述净空层与风力发生段连通；所述海泥层底部设有与试验模型连接的震动发生器。

2.根据权利要求1所述的海上地震风雪环境风洞模拟装置，其特征在于：所述震动发生器包括传动台、底座和设置其间的伸缩筒；所述传动台与试验模型下端连接；所述底座固定设置于测试段底部；所述伸缩筒有六个，每个伸缩筒上下两端分别通过万向铰链与传动台和底座连接。

3.根据权利要求2所述的海上地震风雪环境风洞模拟装置，其特征在于：所述伸缩筒为电动缸、油缸或气缸中任意一种。

4.根据权利要求2所述的海上地震环境风洞模拟装置，其特征在于：所述传动台和底座的侧面四周通过橡胶波纹管密封连接。

5.根据权利要求1所述的海上地震风雪环境风洞模拟装置，其特征在于：还包括顺次设置在风力发生段和雪花发生段之间的扩散段和稳定段；所述扩散段内径沿进风方向逐渐扩大至与稳定段内径相同；所述稳定段内径与雪花发生段内径相同。

6.根据权利要求1所述的海上地震风雪环境风洞模拟装置，其特征在于：还包括设置在雪花发生段和测试段之间的混合收缩段；所述混合收缩段内径沿进风方向逐渐缩小至与测试段的净空层内径相同。

7.根据权利要求1所述的海上地震风雪环境风洞模拟装置，其特征在于：所述测试段入口设有导流板，所述导流板的叶片呈细长菱形状。

8.根据权利要求1所述的海上地震风雪环境风洞模拟装置，其特征在于：所述水管路外表面加设有保温套。

9.根据权利要求1所述的风雪环境模拟装置，其特征在于：所述液氮喷头和水喷头在雪花发生段内为分段布置或交错混合布置。