CN107941457A - 一种管束流固耦合动力学振动试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管束流固耦合动力学振动试验装置，它包括储水槽（1）、数据采集系统（2）、实验水道（3）、水泵（4）和管束夹持台（5），管束夹持台（5）包括固设于实验水道（3）顶部的平台（9），平台（9）的中部固设有顺次贯穿平台（9）、实验水道（3）的中间立管（10）。本发明的有益效果是：结构紧凑、任意改变管束的位置和排布方式、试验步骤简单；利用数据采集系统采集应力应变数据，为分析管束因流致振动而发生事故和事故原因提供分析依据。

Description

一种管束流固耦合动力学振动试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种管束流固耦合动力学振动试验装置及方法。

背景技术

管束在横向流的作用下会引起振动，当管束振动频率与立管的固有频率接近时，立管会发生振动幅度变大的共振现象，导致立管之间的碰撞和摩擦，这种磨损引发立管疲劳破坏，缩短使用寿命，严重时还会造成立管的安全事故，介质泄露造成环境污染。在充分了解单根立管在整个管束中的受力情况下，将对不同排布情况和不同位置的立管进行实验，监测其实时受力和振动数据，分析受力与振动规律。现有的试验装置不能改变管束的位置、管束的排布方式以及不能采集不同流速时管束的应力应变数据。

发明内容

本发明能够采集管束在横向流作用下应力应变的动态数据，提供一种结构紧凑、任意改变管束的位置和排布方式、试验步骤简单的管束流固耦合动力学振动试验装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种管束流固耦合动力学振动试验装置，它包括储水槽、数据采集系统、实验水道、水泵和管束夹持台，所述的水泵的吸水口与储水槽连通，水泵的出水口与实验水道的左端部之间顺次连接有调节阀I和流量计，所述的实验水道的右端部与储水槽之间连接有调节阀II，所述的管束夹持台设置于实验水道的顶部，管束夹持台包括固设于实验水道顶部的平台，平台的中部固设有顺次贯穿平台、实验水道的中间立管，平台上开设有连通实验水道的通槽A和通槽B，通槽A内设置有两根伸入于实验水道内的前立管，通槽B内设置有两根伸入于实验水道内的后立管，平台顶部固定安装有双作用油缸A和双作用油缸B，双作用油缸A的两输出端分别固设于两个所述的前立管上，双作用油缸B的两输出端分别固设于两个所述的后立管上；所述中间立管、前立管和后立管的前后侧均粘贴有应变片，应变片与数据采集系统电连接。

所述的装置试验管束流固耦合动力学振动的方法，它包括以下步骤：

S1、卸下中间立管，将管束构成顺排方阵，只在前立管上安装应变片；打开调节阀I和调节阀II，启动水泵，水泵将储水槽内的水顺次经调节阀I、流量计进入实验水道内，实验水道内的水冲击管束，同时向后立管和前立管中通入水；当流量计上读数稳定时，数据采集系统采集流量计的流量数据，数据采集系统根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I的开度，连续增大水流量，测定出前立管在顺排方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I、调节阀II和水泵；

S2、将中间立管安装复位，只在中间立管上安装应变片，控制双作用油缸A和双作用油缸B活塞杆的同时伸出，双作用油缸A增大两根前立管之间间距，双作用油缸B增大两根后立管之间间距，从而将管束调整为平行三角形方阵；打开调节阀I和调节阀II，启动水泵，水泵将水泵入实验水道内，实验水道内的水冲击管束，同时向中间立管、前立管和后立管中通入水；当流量计上读数稳定时，数据采集系统采集流量计的流量数据，数据采集系统根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I的开度，连续增大水流量，测定出中间立管在平行三角形方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I、调节阀II和水泵；

S3、控制双作用油缸A和双作用油缸B活塞杆的同时缩回，双作用油缸A减小两根前立管之间间距，双作用油缸B减小两根后立管之间间距，从而将管束调整为正三角形方阵；打开调节阀I和调节阀II，启动水泵，水泵将水泵入实验水道内，实验水道内的水冲击管束；当流量计上读数稳定时，数据采集系统采集流量计的流量数据，数据采集系统根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I的开度，连续增大水流量，测定出管束在正三角形方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I、调节阀II和水泵。

本发明具有以下优点：（1）本发明能够任意改变管束的位置和排布方式。（2）本发明能够在不同管束排布下、管束不同位置下以及不同水流流速作用时，利用数据采集系统采集应力应变数据，为分析管束因流致振动而发生事故和事故原因提供分析依据，指导施工作业以避免事故的发生。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为管束夹持台的俯视图；

图3 为图2的A-A剖视图；

图4 为管束顺排方阵的示意图；

图5 为管束平行三角形方阵的示意图；

图6 为管束正三角形方阵的示意图；

图中，1-储水槽，2-数据采集系统，3-实验水道，4-水泵，5-管束夹持台，6-调节阀I，7-流量计，8-调节阀II，9-平台，10-中间立管，11-通槽A，12-通槽B，13-前立管，14-后立管，15-双作用油缸A，16-双作用油缸B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1~3所示，一种管束流固耦合动力学振动试验装置，它包括储水槽1、数据采集系统2、实验水道3、水泵4和管束夹持台5，所述的水泵4的吸水口与储水槽1连通，水泵4的出水口与实验水道3的左端部之间顺次连接有调节阀I6和流量计7，所述的实验水道3的右端部与储水槽1之间连接有调节阀II8，所述的管束夹持台5设置于实验水道3的顶部。所述的流量计7与数据采集系统2电连接，数据采集系统2能够实时采集流量计7上的流量数据。

如图2~3所示，所述的管束夹持台5包括固设于实验水道3顶部的平台9，平台9的中部固设有顺次贯穿平台9、实验水道3的中间立管10，平台9上开设有连通实验水道3的通槽A11和通槽B12，通槽A11和通槽B12均水平设置且为矩形状，通槽A11内设置有两根伸入于实验水道3内的前立管13，通槽B12内设置有两根伸入于实验水道3内的后立管14，平台9顶部固定安装有双作用油缸A15和双作用油缸B16，双作用油缸A15的两输出端分别固设于两个所述的前立管13上，双作用油缸B16的两输出端分别固设于两个所述的后立管14上；所述中间立管10、前立管13和后立管14的前后侧均粘贴有应变片，应变片与数据采集系统2电连接。

所述的中间立管10、两根前立管13和两根后立管14组成管束。本实施例中，所述的双作用油缸A15与双作用油缸B16相互平行设置，所述的双作用油缸A15设置于平台9的前侧，双作用油缸B16设置于平台9的后侧。

所述的装置试验管束流固耦合动力学振动的方法，它包括以下步骤：

S1、卸下中间立管10，将管束构成顺排方阵，只在前立管13上安装应变片；打开调节阀I6和调节阀II8，启动水泵4，水泵4将储水槽1内的水顺次经调节阀I6、流量计7进入实验水道3内，实验水道3内的水冲击管束，同时向后立管14和前立管13中通入水；当流量计7上读数稳定时，数据采集系统2采集流量计7的流量数据，数据采集系统2根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I6的开度，连续增大水流量，测定出前立管13在顺排方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I6、调节阀II8和水泵4；

S2、将中间立管10安装复位，只在中间立管10上安装应变片，控制双作用油缸A15和双作用油缸B16活塞杆的同时伸出，双作用油缸A15增大两根前立管13之间间距，双作用油缸B16增大两根后立管14之间间距，从而将管束调整为平行三角形方阵；打开调节阀I6和调节阀II8，启动水泵4，水泵4将水泵入实验水道3内，实验水道3内的水冲击管束，同时向中间立管10、前立管13和后立管14中通入水；当流量计7上读数稳定时，数据采集系统2采集流量计7的流量数据，数据采集系统2根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I6的开度，连续增大水流量，测定出中间立管10在平行三角形方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I6、调节阀II8和水泵4；

S3、控制双作用油缸A15和双作用油缸B16活塞杆的同时缩回，双作用油缸A15减小两根前立管13之间间距，双作用油缸B16减小两根后立管14之间间距，从而将管束调整为正三角形方阵；打开调节阀I6和调节阀II8，启动水泵4，水泵4将水泵入实验水道3内，实验水道3内的水冲击管束；当流量计7上读数稳定时，数据采集系统2采集流量计7的流量数据，数据采集系统2根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I6的开度，连续增大水流量，测定出管束在正三角形方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I6、调节阀II8和水泵4。

因此本装置能够将管束排列成顺排方阵、平行三角形方阵以及正三角形方阵，并在不同管束排布下、管束不同位置下以及不同水流流速作用时，利用数据采集系统采集应力应变数据，为分析管束因流致振动而发生事故和事故原因提供分析依据，指导施工作业以避免事故的发生。

Claims (2)

1.一种管束流固耦合动力学振动试验装置，其特征在于：它包括储水槽（1）、数据采集系统（2）、实验水道（3）、水泵（4）和管束夹持台（5），所述的水泵（4）的吸水口与储水槽（1）连通，水泵（4）的出水口与实验水道（3）的左端部之间顺次连接有调节阀I（6）和流量计（7），所述的实验水道（3）的右端部与储水槽（1）之间连接有调节阀II（8），所述的管束夹持台（5）设置于实验水道（3）的顶部，管束夹持台（5）包括固设于实验水道（3）顶部的平台（9），平台（9）的中部固设有顺次贯穿平台（9）、实验水道（3）的中间立管（10），平台（9）上开设有连通实验水道（3）的通槽A（11）和通槽B（12），通槽A（11）内设置有两根伸入于实验水道（3）内的前立管（13），通槽B（12）内设置有两根伸入于实验水道（3）内的后立管（14），平台（9）顶部固定安装有双作用油缸A（15）和双作用油缸B（16），双作用油缸A（15）的两输出端分别固设于两个所述的前立管（13）上，双作用油缸B（16）的两输出端分别固设于两个所述的后立管（14）上；所述中间立管（10）、前立管（13）和后立管（14）的前后侧均粘贴有应变片，应变片与数据采集系统（2）电连接。

2.根据权利要求1中所述的装置试验管束流固耦合动力学振动的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、卸下中间立管（10），将管束构成顺排方阵，只在前立管（13）上安装应变片；打开调节阀I（6）和调节阀II（8），启动水泵（4），水泵（4）将储水槽（1）内的水顺次经调节阀I（6）、流量计（7）进入实验水道（3）内，实验水道（3）内的水冲击管束，同时向后立管（14）和前立管（13）中通入水；当流量计（7）上读数稳定时，数据采集系统（2）采集流量计（7）的流量数据，数据采集系统（2）根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I（6）的开度，连续增大水流量，测定出前立管（13）在顺排方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I（6）、调节阀II（8）和水泵（4）；

S2、将中间立管（10）安装复位，只在中间立管（10）上安装应变片，控制双作用油缸A（15）和双作用油缸B（16）活塞杆的同时伸出，双作用油缸A（15）增大两根前立管（13）之间间距，双作用油缸B（16）增大两根后立管（14）之间间距，从而将管束调整为平行三角形方阵；打开调节阀I（6）和调节阀II（8），启动水泵（4），水泵（4）将水泵入实验水道（3）内，实验水道（3）内的水冲击管束，同时向中间立管（10）、前立管（13）和后立管（14）中通入水；当流量计（7）上读数稳定时，数据采集系统（2）采集流量计（7）的流量数据，数据采集系统（2）根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I（6）的开度，连续增大水流量，测定出中间立管（10）在平行三角形方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I（6）、调节阀II（8）和水泵（4）；

S3、控制双作用油缸A（15）和双作用油缸B（16）活塞杆的同时缩回，双作用油缸A（15）减小两根前立管（13）之间间距，双作用油缸B（16）减小两根后立管（14）之间间距，从而将管束调整为正三角形方阵；打开调节阀I（6）和调节阀II（8），启动水泵（4），水泵（4）将水泵入实验水道（3）内，实验水道（3）内的水冲击管束；当流量计（7）上读数稳定时，数据采集系统（2）采集流量计（7）的流量数据，数据采集系统（2）根据流量数据计算出水流速，同时采集应变片的应力数据；逐渐改变调节阀I（6）的开度，连续增大水流量，测定出管束在正三角形方阵下及在不同水流流速下管束的振动响应；试验后关闭调节阀I（6）、调节阀II（8）和水泵（4）。