CN109975156A - 一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置和方法，包括循环水槽、支撑架、管线模型、万向节、水槽壁、高速摄像机、激光位移传感器、光纤光栅应变传感器、测针、导流板、张力计、砝码、动轨、滑轮、吊梁、多波束测深仪、超声流速仪ADV、滑轨、定轨；在管线模型底部安装多个测针，在管线模型表面沿轴向方向等间隔确定应变测点，每个应变测点在循环水槽内水流方向上设置左、右两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器左、右对称布置在管线模型的水平外表面；滑轨的一端与管线模型相连，另一端与钢丝绳连接，滑轨能相对支座前后滑动。能够实现对柔性管线和局部冲刷扩展的研究和涡激振动频率、振幅以及管线应变的测定。
Description
技术领域
本发明涉及海洋、石油、天然气工程技术领域，具体涉及一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置和方法。
背景技术
海底管线是海洋、石油、天然气等运输的生命线，因其具有安全快捷、经济可靠及能够连续密闭输送等优点而得到广泛应用。但是海底管线长时间暴露在恶劣的海洋环境中，承受着复杂的工作负荷、环境负荷和意外风险负荷，失效概率高。一旦发生失效，难以迅速更换或维修，不仅会造成巨大的经济损失，而且将导致严重的海洋环境污染，造成严重的经济损失。铺设在海底的管线在波浪和海流的作用下极易发生局部冲刷，致使海底管线发生悬空，出现悬跨段。在交变流体作用下，悬空的海底管线发生涡激振动，造成结构的疲劳损伤，极端情况下容易发生破坏失效。近年来我国发生的海底管线因冲刷和涡激振动导致的海底管线事故有很多。例如，2009年5月，埕岛油田CB25A至CB25B海底管道因悬空发生断裂。因此，开展海底柔性管线的冲刷扩展和涡激振动研究，对于人类开展海洋工程建设和灾害防治有重要实践意义。
目前，管线局部冲刷和涡激振动是作为相互独立的问题开展研究的，不能很好地反映二者之间的耦合作用和海洋环境的实际情况。沙勇等人(沙勇,王永学,王国玉,et al.冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动试验研究[J].应用力学学报,2009,26(2):308-311.)在波流水槽中采用玻璃钢管模型，对在混凝土抹制的冲蚀地形上悬跨管线的涡激振动进行研究，使用防水应变片测量管线在振动过程中的应变。管线在混凝土冲蚀地形上和在真实的砂土上受到水流的作用不一样。张靖等人(张靖,拾兵,赵恩金,et al.复杂波浪条件下海底管线冲刷深度实验研究[J].水动力学研究与进展A辑,2015,30(2):123-128.)在波浪水池中研究了PVC圆管在复杂波浪下的冲刷，用智能水位测针结合界面仪对冲刷后的地形测量。由于管线的阻挡，使管线下方的冲刷地形测量不精确。目前对海底管线的实验大部分是集中在单独研究管线的冲刷扩展和涡激振动的问题。但从实际条件看，海底管线破坏并非单一作用，而是受冲刷和涡激振动耦合作用的影响。因此，对于研究柔性管线冲刷扩展和涡激振动耦合的实验装置和方法的研究是十分必要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置和方法，能够实现对柔性管线局部冲刷扩展的研究和涡激振动频率、振幅以及管线应变的测定。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置，包括循环水槽、支撑架、管线模型，其特征在于，该装置还包括万向节、水槽壁、高速摄像机、激光位移传感器、光纤光栅应变传感器、测针、导流板、张力计、砝码、动轨、滑轮、吊梁、多波束测深仪、超声流速仪ADV、滑轨、定轨；
在循环水槽的两侧外部对称布置四个等高度的垂直支撑架，四个垂直支撑架下端与地面连接固定；四个支撑架的高度高于循环水槽，在四个支撑架的上部放置固定定轨的安装平台，将定轨沿循环水槽宽度方向放置并固定于安装平台上；将动轨与定轨相连接，动轨垂直于定轨安装，动轨和定轨上都安装有滑块，动轨在定轨上匀速往复移动，动轨上的多波束测深仪能实现前后、左右两个方向的移动；所述吊梁两端分别固定在安装平台上，且吊梁与动轨垂直不接触，吊梁位于动轨上方；管线模型沿循环水槽宽度方向置于循环水槽内；
将激光位移传感器通过吊杆固定在吊梁上，激光位移传感器放置在管线模型正上方；所述高速摄像机也通过吊杆固定在吊梁上，安装在循环水槽的最前侧，与多波束测深仪互不影响；所述多波束测深仪通过吊杆固定在动轨的滑块上；超声流速仪ADV也通过吊杆连接在吊梁上，放置在循环水槽的最后侧；上述高速摄像机、多波束测深仪、超声流速仪ADV的探头、激光位移传感器均位于水面以下；
沿着管线模型轴线方向每隔2-3倍管线模型直径的距离均匀安装多个测针，且多个测针位于管线模型底部，插在砂土中；在管线模型表面沿轴向方向等间隔确定应变测点，相邻应变测点的距离为管线模型长度的1/15-1/10，每个应变测点在循环水槽内水流方向上设置左、右两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器左、右对称布置在管线模型的水平外表面；
将微型滑轨平放在支座上，滑轨的一端与管线模型相连，另一端与钢丝绳连接，滑轨能相对支座前后滑动；在前端水槽壁上方用螺丝固定两组滑轮，两组滑轮通过钢丝绳连接，钢丝绳一端悬挂砝码，另一端与循环水槽内放置的滑轨经过一组滑轮连接，且钢丝绳上设置有张力计；在循环水槽内沿与水流相同的方向安装导流板，导流板高出水面；在循环水槽内部前后两侧各设置一个导流板，且与循环水槽底部连接。
所述管线模型为PVC管和橡胶管嵌套构成。
一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验方法，该方法采用上述的实验装置，具体步骤是：
(1)将待模拟海域中的砂土平铺在循环水槽的两个导流板之间，用刮板将砂土刮平；在管线模型中间部位下方挖一个和管线模型相同直径的圆形孔洞，作为初始冲刷坑，冲刷由初始冲刷坑起动，然后向两侧扩展；在砂土上表面铺一层聚苯乙烯薄膜，避免实验开始前砂床出现冲刷变形；
(2)将管线模型自然平放在砂土中间位置，管线模型后端穿过相邻侧的导流板的孔洞并通过万向节与相邻的水槽壁相连；管线模型前端穿过另一侧导流板的孔洞，通过微型滑轨和滑轮连接，在滑轮另一侧悬挂砝码，对管线模型施加1.25倍至1.5倍管线模型质量的张力，张力大小通过张力计测得；
(3)向循环水槽中缓慢注水，待水流稳定将聚苯乙烯薄膜慢慢翻转至非砂床区取出；记录管线模型初始的频率和幅值，启动设备；超声流速仪ADV对管线左方0.5m至1m的来流速度进行测量；
(4)水流方向平行循环水槽的长度方向，管线模型底部放置的测针测量砂土冲刷的深度；水下高速摄像机记录整个冲刷扩展过程；光纤光栅传感器实时监测管线模型应变并将数据传到计算机中；同时，安放在管线模型正上方的激光位移传感器测量管线模型在涡激振动作用下的横向位移；
(5)冲刷过程结束，把激光位移传感器取下，将多波束测深仪和吊杆相连接并固定在动轨上，动轨上的电机驱动多波束测深仪在二维平面内匀速往复移动，同时对管线模型周围的冲刷地形以及下方阻挡的砂床进行扫描，将扫描得到冲刷地形数据传到计算机中；
(6)通过分析光纤光栅传感器和激光位移传感器采集的数据，对管线模型位移及应变进行分析，得出管线模型涡激振动幅值、频率以及管线模型的应变；对测针测得的数据进行分析，得到冲刷深度和冲刷扩展速度；通过分析多波束测深仪传到计算机中的数据，得到扫描冲刷地形的三维特征。
所述聚苯乙烯薄膜的厚度为0.05mm。
所述导流板为厚20mm的钢化玻璃板，高出水面100mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中侧扫功能的多波束测深仪，可任意角度倾斜测量，免安装校准，易于操作，创造性地消除传统测量盲区；电机驱动使多波束测深仪在二维平面内匀速往复移动且在水环境下进行高精度测量，相对于一维地形的测量，更能全方位扫描管线周围冲刷的地形地貌。
2、本发明中激光位移传感器能够在水下环境中非接触进行测量管线的位移变化，管线在涡激振动下的位移测量精度、可靠性大幅度提高。
3、本发明中光纤光栅应变传感器具有抗干扰性好、电绝缘性能优良、体积小、重量轻等优点。与光纤光栅解调仪连接，通过对光纤光栅波长分析得出的应变变化，识别管线的多模态特征，实现对柔性管线涡激振动特性的研究。
4、本发明方法中测针是利用两根相邻的可导测针在水和饱和沙中导电性的差异，通过输出的电压值，来确定测针在水中的长度，从而确定冲刷深度和扩展速度。
5、本发明装置中将PVC管和橡胶管嵌套作为实验管线；管线结构参数遵循弹性相似关系，PVC管和橡胶管在弯曲刚度、弹性模量等性能方面与实际海底管线相似，可以更好地研究管线的冲刷和涡激振动。
附图说明
图1本发明模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置结构示意图；
图2本发明模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验方法的流程图；
图3本发明装置中吊梁部分的安装位置的示意图；
图中，1管线模型、2万向节、3水槽壁、4支撑架、5高速摄像机、6激光位移传感器、7光纤光栅应变传感器、8测针、9导流板、10张力计、11砝码、12动轨、13滑轮、14吊梁、15多波束测深仪、16超声流速仪ADV、17滑轨、18定轨。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置包括循环水槽、管线模型1、万向节2、水槽壁3、支撑架4、高速摄像机5、激光位移传感器6、光纤光栅应变传感器7、测针8、导流板9、张力计10、砝码11、动轨12、滑轮13、吊梁14、多波束测深仪15、超声流速仪ADV16、滑轨17、定轨18；
在循环水槽的两侧外部对称布置四个等高度的垂直支撑架4，四个垂直支撑架通过膨胀螺栓与地面连接固定；四个支撑架的高度高于循环水槽，在四个支撑架的上部放置固定定轨18的安装平台，将定轨沿循环水槽宽度方向放置于平台上后，并用扳手轻轻地拧紧定位螺栓，将定轨18与安装平台固定在一起；将动轨12与定轨18相连接，动轨垂直于定轨安装，动轨和定轨上都安装有滑块，采用电机驱动丝杠(图中未绘出)形式最终带动动轨和定轨上的滑块运动，动轨在定轨上匀速往复移动，动轨上的多波束测深仪在前后、左右两个方向移动；动轨和定轨安装好以后，用水平仪检验动轨和定轨的直线度和水平度，利用调节螺丝的方法调整动轨和定轨。所述吊梁14两端分别固定在安装平台上，且吊梁与动轨12垂直不接触，吊梁位于动轨上方。管线模型1沿循环水槽宽度方向置于循环水槽内。
将激光位移传感器6通过吊杆固定在吊梁14上，激光位移传感器放置在管线模型正上方；所述高速摄像机5也通过吊杆固定在吊梁上，安装在循环水槽的最前侧，与多波束测深仪15不互相影响；所述多波束测深仪15通过吊杆固定在动轨12的滑块上，超声流速仪ADV16也通过吊杆连接在吊梁上，放置在循环水槽的最后侧；上述高速摄像机5、多波束测深仪15、超声流速仪ADV16的探头、激光位移传感器6均位于水面以下。
沿着管线模型轴线方向每隔2-3倍管线模型直径的距离均匀安装多个测针8，且多个测针位于管线模型底部，插在砂土中，测针已应用到实验中(臧志鹏，滕斌，程亮.水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究[J].大连理工大学学报，2009,49(1):110-114)。在管线模型表面沿轴向方向等间隔确定应变测点，相邻应变测点的距离为管线模型长度的1/15-1/10，每个应变测点在循环水槽内水流方向上设置左、右两个光纤光栅应变传感器7，每个应变测点所在截面的管线环向具有上、下、左、右四个方向；两个光纤光栅应变传感器7左、右对称布置在管线模型的水平外表面。
本发明中定义循环水槽内水流方向为左右方向，沿循环水槽宽度方向为前后方向，循环水槽高度方向为上下方向。
将铝合金微型滑轨平放在支座上，滑轨的一端与管线模型相连，另一端与钢丝绳连接，滑轨能相对支座前后滑动；在前端水槽壁上方用螺丝固定两组滑轮13，两组滑轮通过钢丝绳连接，钢丝绳一端用于悬挂砝码11，另一端与循环水槽内放置的滑轨17经过一组滑轮连接，且钢丝绳上设置有张力计10，施加张力大小通过张力计10测得；在循环水槽内沿与水流相同的方向安装导流板9，导流板为厚20mm的钢化玻璃板，高出水面；前后两侧各设置一个，分别紧贴厚0.2m、宽3m、长3m砂床，导流板与循环水槽底部连接，将实验段和循环水槽边界隔开，以减小边界效应的影响。
一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动耦合作用的实验方法，该方法的步骤是：
(1)将取自渤海实地的厚0.2m、宽3m、长3m的砂土平铺在循环水槽的两个导流板之间，用刮板将砂土刮平；在管线模型中间部位下方挖一个和管线模型相同直径的圆形孔洞，作为初始冲刷坑，冲刷由初始冲刷坑起动，然后向两侧扩展；在砂土上表面铺一层0.05mm厚的聚苯乙烯薄膜，避免实验开始前砂床出现冲刷变形。
(2)将长3.2m、直径0.05m的管线模型自然平放在砂土中间位置，管线模型后端穿过直径为0.08m导流板孔洞并通过万向节与水槽壁相连；前端穿过同等直径导流板孔洞，通过铝合金微型滑轨和滑轮连接，并悬挂砝码，对管线施加1.25倍至1.5倍管线模型质量的张力，张力大小通过张力计测得。
(3)向循环水槽中缓慢注水，待水流稳定将聚苯乙烯薄膜用夹子夹住薄膜的两角，慢慢翻转至非砂床区取出，不影响砂床；记录管线模型初始的频率和幅值，启动设备。超声流速仪ADV对管线左方0.5m至1m的来流速度进行测量；
(4)水流方向平行循环水槽的长度方向，垂直于管线模型；管线模型底部放置的测针测量砂土冲刷的深度；水下高速摄像机记录整个冲刷扩展过程；光纤光栅传感器实时监测管线模型应变并将数据传到计算机中；同时，安放在管线模型正上方的激光位移传感器测量管线模型在涡激振动作用下的横向位移。
(5)冲刷过程结束，把激光位移传感器取下，将多波束测深仪和吊杆相连接并固定在动轨上，动轨上的电机驱动多波束测深仪在二维平面内匀速往复移动，同时对管线模型周围的冲刷地形以及下方阻挡的砂床进行扫描，将扫描得到冲刷地形数据传到计算机中。
(6)通过分析光纤光栅传感器和激光位移传感器采集的数据，对管线模型位移及应变进行分析，得出管线模型涡激振动幅值、频率以及管线模型的应变；对测针测得的数据进行分析，得到冲刷深度和冲刷扩展速度；通过分析多波束测深仪传到计算机中的数据，得到扫描冲刷地形的三维特征。本发明实验方法能在冲刷过程中得到涡激振动数据，能够同时对冲刷过程和涡激振动一起研究，实现了对冲刷扩展和涡激振动耦合实验研究的目的。
本发明中电机驱动丝杠形式为的运动方式及原理均为现有技术，如何控制动轨及其上的多波束测深仪移动可以采用控制系统控制电机转动即可，具体控制方式为现有技术。
实施例1
冲刷扩展和涡激振动实验在循环水槽中进行，在循环水槽的两侧外部对称布置四个等高度垂直支撑架4，四个垂直支撑架通过膨胀螺栓与地面连接固定；支撑架上放置固定定轨18的安装平台，将定轨18轻轻地紧靠安装平台后，用扳手轻轻地拧紧定位螺栓，使定轨和安装平台紧密贴合；将动轨12与定轨18相连接，动轨垂直与定轨安装，动轨和定轨上都安装有滑块，采用电机驱动丝杠形式最终带动动轨和定轨上的滑块运动，动轨在定轨上匀速前后往复移动，再加上动轨上电机驱动丝杠形式驱动多波束测深仪在动轨上左右往复运动，使多波束测深仪在前后、左右两个方向移动；动轨和定轨安装好以后，用水平仪检验动轨和定轨的直线度和水平度，利用调节螺丝的方法调整动轨和定轨；吊梁14两端分别固定在安装平台上，且吊梁与动轨12垂直不接触，吊梁位于动轨上方。
将ZLDS100激光位移传感器6通过吊杆固定在吊梁14上，放置在管线模型正上方；将SK-EXYC106水下高速摄像机5固定在吊梁上，安装在循环水槽的最前侧，与多波束测深仪15互不影响；MS200多波束测深仪15固定在动轨12上，可在动轨上匀速往复运动；Argonaut超声流速仪ADV16连接在吊梁上，放置在循环水槽的最后侧。
将测针8沿着管线模型轴线方向每隔2.5倍管线直径的距离均匀安装在管线上，位置固定在管线底部，插在砂土中。在管线表面沿轴向方向等间隔确定应变测点，相邻应变测点的距离为管线模型长度的1/12，每个测点设置2个光纤光栅应变传感器7，左、右对称布置在管线模型的水平外表面。
将铝合金微型滑轨平放在支座，滑轨的一端与管线模型相连，另一端与钢丝绳连接，滑轨能相对支座前后滑动；在前端水槽壁上方用螺丝固定两组滑轮13，两组滑轮通过钢丝绳连接，钢丝绳一端用于悬挂砝码11，另一端与循环水槽内放置的滑轨17经过一组滑轮连接，且钢丝绳上设置有张力计10，施加张力大小通过张力计测得；在循环水槽内沿与水流相同的方向安装导流板9，导流板为厚20mm的钢化玻璃板，高出水面100mm，前后两侧各布置一个，分别紧贴厚0.2m、宽3m、长3m砂床，导流板与水槽底部连接，将实验段和循环水槽边界隔开，以减小边界效应的影响。
本实施例模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验方法，该方法的具体步骤是：
(1)实验在循环水槽中进行，水槽尺寸为50m×3.5m×2m(长×宽×高)，水深为0.5m；支撑架装置的尺寸为4m×3m×2.5m(长×宽×高)。将取自渤海实地的厚0.2m、宽3m、长3m的砂土平铺在水槽中，用刮板将砂土刮平；在管线模型中间部位下方挖一个和管线相同直径的圆形孔洞，作为初始冲刷坑，冲刷由初始冲刷坑起动，然后向两侧扩展；在砂土上表面铺一层厚0.05mm的聚苯乙烯薄膜，避免实验开始前砂床出现冲刷变形。在水槽内沿与水流相同的方向安装导流板9，前后两侧各布置一个导流板并紧贴砂床，导流板为厚0.02m的钢化玻璃板，高出水面100mm，导流板与水槽底部连接，将实验段和循环水槽边界隔开。
(2)将长3.2m、直径0.05m的管线自然平放在砂土中间位置，后端穿过直径为0.08m导流板孔洞并通过万向节与水槽壁相连；前端穿过直径为0.08m导流板孔洞，通过铝合金微型滑轨和滑轮连接，并悬挂砝码，对管线施加1.25倍至1.5倍管线质量的张力，张力大小通过张力计测得。
(3)向循环水槽中缓慢注水，待水流稳定将聚苯乙烯薄膜取出。记录管线初始的频率和幅值，启动设备。Argonaut超声流速仪ADV对管线左侧0.5m至1m的流场速度进行测量。
(4)水流方向平行循环水槽长边，垂直于如图的管线模型；管线模型底部放置的测针实时测量冲刷砂土的深度；SK-EXYC106水下高速摄像机记录整个冲刷扩展过程。光纤光栅传感器实时监测管线应变并将数据传到计算机中；同时，安放在管线正上方的激光位移传感器测量管线在涡激振动作用下的横向位移。
(5)冲刷过程结束，把ZLDS100激光位移传感器取下，将MS200多波束测深仪和吊杆相连接并固定在动轨上，电机驱动MS200多波束测深仪在二维平面内匀速往复移动，同时对管线周围的冲刷地形以及下方阻挡的砂床进行扫描，将扫描得到冲刷地形数据传到计算机中。
(6)通过分析光纤光栅传感器和ZLDS100激光位移传感器采集的数据，对管线模型位移、应变进行分析，得出管线模型涡激振动幅值，频率以及管线模型的应变；对测针测得的数据进行分析，得到冲刷深度和冲刷扩展速度；通过分析MS200多波束测深仪传到计算机中的数据，得到扫描冲刷地形的三维特征。
本发明未述及之处适用于现有技术，所涉及的元器件均可通过商购获得。
Claims (5)
1.一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置，包括循环水槽、支撑架、管线模型，其特征在于，该装置还包括万向节、水槽壁、高速摄像机、激光位移传感器、光纤光栅应变传感器、测针、导流板、张力计、砝码、动轨、滑轮、吊梁、多波束测深仪、超声流速仪ADV、滑轨、定轨；
在循环水槽的两侧外部对称布置四个等高度的垂直支撑架，四个垂直支撑架下端与地面连接固定；四个支撑架的高度高于循环水槽，在四个支撑架的上部放置固定定轨的安装平台，将定轨沿循环水槽宽度方向放置并固定于安装平台上；将动轨与定轨相连接，动轨垂直于定轨安装，动轨和定轨上都安装有滑块，动轨在定轨上匀速往复移动，动轨上的多波束测深仪能实现前后、左右两个方向的移动；所述吊梁两端分别固定在安装平台上，且吊梁与动轨垂直不接触，吊梁位于动轨上方；管线模型沿循环水槽宽度方向置于循环水槽内；
将激光位移传感器通过吊杆固定在吊梁上，激光位移传感器放置在管线模型正上方；所述高速摄像机也通过吊杆固定在吊梁上，安装在循环水槽的最前侧，与多波束测深仪互相不影响；所述多波束测深仪通过吊杆固定在动轨的滑块上，超声流速仪ADV也通过吊杆连接在吊梁上，放置在循环水槽的最后侧；上述高速摄像机、多波束测深仪、超声流速仪ADV的探头、激光位移传感器均位于水面以下；
沿着管线模型轴线方向每隔2-3倍管线模型直径的距离均匀安装多个测针，且多个测针位于管线模型底部，插在砂土中；在管线模型表面沿轴向方向等间隔确定应变测点，相邻应变测点的距离为管线模型长度的1/15-1/10，每个应变测点在循环水槽内水流方向上设置左、右两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器左、右对称布置在管线模型的水平外表面；
将微型滑轨平放在支座上，滑轨的一端与管线模型相连，另一端与钢丝绳连接，滑轨能相对支座前后滑动；在前端水槽壁上方用螺丝固定两组滑轮，两组滑轮通过钢丝绳连接，钢丝绳一端悬挂砝码，另一端与循环水槽内放置的滑轨经过一组滑轮连接，且钢丝绳上设置有张力计；在循环水槽内沿与水流相同的方向安装导流板，导流板高出水面；在循环水槽内部前后两侧各设置一个导流板，且与循环水槽底部连接。
2.根据权利要求1所述的模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置，其特征在于，所述导流板为厚20mm的钢化玻璃板。
3.根据权利要求1所述的模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置，其特征在于，所述管线模型为PVC管和橡胶管嵌套构成。
4.一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验方法，该方法采用权利要求1-3任一所述的实验装置，具体步骤是：
(1)将待模拟海域中的砂土平铺在循环水槽的两个导流板之间，用刮板将砂土刮平；在管线模型中间部位下方挖一个和管线模型相同直径的圆形孔洞，作为初始冲刷坑，冲刷由初始冲刷坑起动，然后向两侧扩展；在砂土上表面铺一层聚苯乙烯薄膜，避免实验开始前砂床出现冲刷变形；
(2)将管线模型自然平放在砂土中间位置，管线模型后端穿过相邻侧的导流板的孔洞并通过万向节与相邻的水槽壁相连；管线模型前端穿过另一侧导流板的孔洞，通过微型滑轨和滑轮连接，在滑轮另一侧悬挂砝码，对管线模型施加1.25倍至1.5倍管线模型质量的张力，张力大小通过张力计测得；
(3)向循环水槽中缓慢注水，待水流稳定将聚苯乙烯薄膜慢慢翻转至非砂床区取出；记录管线模型初始的频率和幅值，启动设备；超声流速仪ADV对管线左方0.5m至1m的来流速度进行测量；
(4)水流方向平行循环水槽的长度方向，管线模型底部放置的测针测量砂土冲刷的深度；水下高速摄像机记录整个冲刷扩展过程；光纤光栅传感器实时监测管线模型应变并将数据传到计算机中；同时，安放在管线模型正上方的激光位移传感器测量管线模型在涡激振动作用下的横向位移；
(5)冲刷过程结束，把激光位移传感器取下，将多波束测深仪和吊杆相连接并固定在动轨上，动轨上的电机驱动多波束测深仪在二维平面内匀速往复移动，同时对管线模型周围的冲刷地形以及下方阻挡的砂床进行扫描，将扫描得到冲刷地形数据传到计算机中；
(6)通过分析光纤光栅传感器和激光位移传感器采集的数据，对管线模型位移及应变进行分析，得出管线模型涡激振动幅值、频率以及管线模型的应变；对测针测得的数据进行分析，得到冲刷深度和冲刷扩展速度；通过分析多波束测深仪传到计算机中的数据，得到扫描冲刷地形的三维特征。
5.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，所述聚苯乙烯薄膜的厚度为0.05mm；导流板高出水面100mm。
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