CN110375955A - 基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置及示踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡激振动时尾流泄放的显示试验技术，尤其是涉及基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置及示踪方法。一种基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，包括设置有循环水的水槽和设置有示踪剂的水箱，所述的水槽的底部设置有底座，所述的水槽的顶端设置有顶板，所述的顶板和底板之间设置有圆柱体模型管，所述的水箱和圆柱体模型管之间通过输液管连接，所述的圆柱体模型管上设置有开孔。本发明能够准确反映涡激振动尾流泄放情况。

Description

基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置及示踪方法

技术领域

本发明涉及涡激振动时尾流泄放的显示试验技术，尤其是涉及基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置及示踪方法。

背景技术

在工程领域中，涡激振动现象带来了非常多的问题，对它进行的研究工作也十分广泛。物体在一定流速的空气、水等流体作用下，尾部会产生交替的旋涡，导致物体两侧形成脉动的压差，从而引起结构的振动，如高压电缆，桥梁，电视塔，海洋立管等。海洋立管是海洋平台的重要组成部分，用于海底油气的传输，海洋立管的涡激振动会引起结构的疲劳破坏，海洋浮式平台的涡激振动对平台人员工作舒适性产生影响，同样也对锚链等其他附属结构的疲劳破坏产生影响。

连通器指的是上端开口或相通，底部相通的容器。

连通器里的同一种液体不流动时，各容器中直接与大气接触的液面总是保持同一高度。

目前涡激振动的研究主要集中在海洋立管以及浮式结构水动力特性研究领域。涡激振动的研究方法主要是模型试验，也有学者采用传统的尾流振子模型和CFD方法作数值模拟研究。试验研究中通常会对涡旋泄放的尾流状态进行研究，为了能准确区分尾流的泄放模式，通常采用示踪法进行显示试验，目前常用的方法是采用示踪试剂，如在振动结构外壁开孔，内部有示踪试剂随尾流射出，或者采用气泡、金属颗粒进行示踪，该方法能在一定程度反映尾流泄放情况，但是实践表明，效果并不是非常理想，旋涡的表征不是很明显。

发明内容

本发明主要是针对现有技术中不能准确反映涡激振动尾流泄放情况的问题，提供一种能够准确反映涡激振动尾流泄放情况的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置及示踪方法。

本发明的目的主要是通过下述方案得以实现的：一种基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，包括设置有循环水的水槽和设置有示踪剂的水箱，所述的水槽的底部设置有底座，所述的水槽的顶端设置有顶板，所述的顶板和底座之间设置有圆柱体模型管，所述的水箱和圆柱体模型管之间通过输液管连接，所述的圆柱体模型管上设置有开孔。水槽内通过循环水进行造流，水箱内倒入示踪剂，水槽的底部设置有底座，水槽的顶端设置有顶板，顶板和底座之间设置有圆柱体模型管，圆柱体模型管的两端被固定在顶板与底座之间，水箱和圆柱体模型管之间通过输液管连接，圆柱体模型管上设置有开孔，水槽中的水流流经圆柱体模型管后，在后方产生旋涡尾流，圆柱体模型管内的示踪剂沿开孔自由流出，产生尾流旋涡显示，拍摄影像即可记录尾流涡泄。

作为优选，所述的水箱上设置有用于调节水箱高度的升降机构，所述的升降机构包括设置在水箱壁上的升降电机，所述的水槽的水槽壁上设置有滑道，所述的水箱壁上设置有与滑道滑动连接的升降块，所述的滑道的侧壁上设置有齿条，所述的升降电机的输出轴处连接有与齿条啮合的齿轮。水箱上设置有用于调节水箱高度的升降机构，升降机构包括设置在水箱壁上的升降电机，水槽的水槽壁上设置有滑道，水箱壁上设置有与滑道滑动连接的升降块，滑道的侧壁上设置有齿条，升降电机的输出轴处连接有与齿条啮合的齿轮，根据实际情况，可以通过升降电机启动带动齿轮在齿条上的移动来实现对水箱高度的调节，使得水箱内的示踪剂能及时补充到圆柱体模型管内，保证内部压力的恒定，通过该试验方法，可以获得清晰的涡激振动尾流涡旋泄放影像以及图片资料，通过比较分析，可以得到相应的各种涡旋泄放特征，如旋涡泄放模式，泄放频率，旋涡大小等。

作为优选，同一滑道上的升降块的数量为两个，所述的齿轮位于两个升降块之间。同一滑道上的升降块的数量为两个，齿轮位于两个升降块之间，使得水箱在上下移动时的稳定性高。

作为优选，所述的顶板上设置有用于控制输液管长度的缠线器。顶板上设置有用于控制输液管长度的缠线器，缠线器为一现有设备，根据需要可以适当收放缠线器控制输液管的长度。

作为优选，还包括爬升控制装置，所述的爬升控制装置包括设置在水箱内的浮球，所述的浮球上螺纹连接有螺杆，所述的螺杆的远离水箱的一端设置有升降金属接头，所述的水槽壁上设置有用于与升降金属接头相配合的固定金属接头，所述的升降电机上通过第一导线与外部电源连接，所述的升降电机上通过第二导线与升降金属接头电连接，所述的固定金属接头通过第三导线与外部电源连接。还包括爬升控制装置，爬升控制装置包括设置在水箱内的浮球，浮球上螺纹连接有螺杆，螺杆的远离水箱的一端设置有升降金属接头，水槽壁上设置有用于与升降金属接头相配合的固定金属接头，升降电机上通过第一导线与外部电源连接，升降电机上通过第二导线与升降金属接头电连接，固定金属接头通过第三导线与外部电源连接，可以将第一导线与第三导线整合成一根线并连接到插座上，当水箱内的水位过低时，浮球带动螺杆下移，固定金属接头与螺杆上的升降金属接头接触，升降电机通电，升降电机启动带动齿轮沿着齿条上移，使得水箱爬升直至升降金属接头脱离固定金属接头的位置处，通过对爬升控制装置的调节，可以实现对水箱液面绝对高度的控制，以保证液面高度不变，即保证了圆柱体模型管内外静态压力差不变。

作为优选，所述的浮球上设置有用于锁紧螺杆的调节螺丝。浮球上设置有用于锁紧螺杆的调节螺丝，调节螺丝能够锁紧螺杆，防止螺杆相对于浮球偏移位置。

作为优选，所述的固定金属接头通过卡扣安装在水槽壁上。固定金属接头通过卡扣安装在水槽壁上，安装较为便捷。

作为优选，所述的卡扣的数量为多个，多个卡扣沿水槽的高度方向间隔设置。卡扣的数量为多个，多个卡扣沿水槽的高度方向间隔设置，从而可以选择不同高度的卡扣来安装固定金属接头，以满足控制需要。

作为优选，所述的升降金属接头与固定金属接头均位于绝缘保护罩内。升降金属接头与固定金属接头均位于绝缘保护罩内，绝缘保护罩能够起到较好的绝缘作用，提高了安全性。

一种上述基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置的示踪方法，按以下步骤进行：

步骤一，固定模型结构，将圆柱体模型管通过底座和顶板固定在水槽内；

步骤二，水槽充水，向水槽注水，直至液面达到试验所需高度，打开循环水进行造流；

步骤三，注入示踪剂，向水箱倒入示踪剂，封堵开孔，将输液管充满示踪剂后两端分别放入水箱和圆柱体模型管内，做适当固定后将过长的输液管置于缠线器内，圆柱体模型管内部的示踪剂液面逐渐上升，直至高出水槽液面一定高度，形成内外压差，调节水箱的高度，使水箱内的示踪剂液面高度和圆柱体模型管内的示踪剂液面齐平；

步骤四，调节爬升控制装置，调节螺杆在浮球中的位置，使升降金属接头与固定金属接头正好处于断开状态，当水箱过高或者过低时，可以选择不同高度的卡扣来装配固定金属接头，以满足控制需要；

步骤五，示踪显示，升降电机通过第一导线接上外部电源，打开开孔，圆柱体模型管内的示踪剂缓缓随尾流流出，当管内示踪剂液面降低时，由于连通器原理，水箱内的示踪剂会通过输液管源源不断的注入到圆柱体模型管内，当水箱内的示踪剂液面有所下降时，升降金属接头触碰到固定金属接头上，使得电路通电，升降工作带动齿轮在滑道内嵌的齿条上滚动，使水箱上升直至升降金属接头离开固定金属接头的位置，此时电路断开，此时水箱内液面被抬升，如此往复保证了圆柱体模型管内外部压差恒定，确保可以得到一个稳定的尾流示踪显示。

步骤六，记录示踪轨迹，可以采用摄像机，相机等设备对尾流泄放的示踪轨迹进行记录；

步骤七，改变流速，改变水槽的流速，得到变化后的涡激振动尾流泄放涡泄，进行记录，必要时可以适当调节螺杆在浮球中的位置，以满足不同流速下对圆柱体模型管内外压差的要求；

步骤八，试验结束，关闭水槽中的循环水，关闭升降电机，取出输液管，释放水槽内的循环水。

因此，本发明的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置及示踪方法具备下述优点：本发明通过连通器原理，采用内部示踪剂沿开孔自由流出的方法，当外部流场随涡街变化产生压力变化后，管内部示踪剂被带出，当管内示踪剂被带出后，水箱内的示踪剂能及时补充到管内，保证内部压力的恒定。另外，水箱的液面高度和水槽流场高度可以设定一个高度差，有利于圆柱体模型管内部的示踪剂缓慢均匀的被带出。水箱内部的示踪剂由于不断的进入圆柱体模型管，其液面高度势必也缓慢降低，本发明同时设计了水箱随液面变化自动爬升的装置，以保证液面高度不变，即保证了圆柱体模型管内外静态压力差不变。通过该方法，可以实现涡激振动尾流泄放的稳定示踪，不会对流场产生大的剪切破坏，避免了过多的人工操作，可以进行较长时间的不同流速情况下的多种试验，不必再反复加示踪剂，对涡激振动尾流显示研究有重要的参考价值。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的俯视图。

附图3是本发明中爬升控制装置的结构示意图。

附图4是本发明中滑道和升降块的连接示意图。

图示说明：1-水槽，2-齿条，3-升降块，4-升降电机，5-水箱，6-第一导线，7-第二导线，8-爬升控制装置，9-缠线器，10-输液管，11-顶板，12-开孔，13-圆柱体模型管，14-底座，15-齿轮，16-滑道，17-第三导线，18-绝缘保护罩，19-螺杆，20-调节螺丝，21-浮球，22-固定金属接头，23-水槽壁，24-卡扣，25-升降金属接头，26-水箱壁。

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具体的说明。

实施例1：

如图1、2、4所示，一种基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，包括设置有循环水的水槽1和设置有示踪剂的水箱5，水槽1内通过循环水进行造流，水箱5内倒入示踪剂，水槽1的底部设置有底座14，水槽1的顶端设置有顶板11，顶板11和底座14之间设置有圆柱体模型管13，圆柱体模型管13的两端被固定在顶板11与底座14之间，水箱5和圆柱体模型管13之间通过输液管10连接，圆柱体模型管13上设置有开孔12，水槽中的水流流经圆柱体模型管13后，在后方产生旋涡尾流，圆柱体模型管13内的示踪剂沿开孔12自由流出，产生尾流旋涡显示，拍摄影像即可记录尾流涡泄；顶板11上设置有用于控制输液管10长度的缠线器9，缠线器9为一现有设备，根据需要可以适当收放缠线器9控制输液管10的长度。

水箱上设置有用于调节水箱高度的升降机构，升降机构包括设置在水箱的水箱壁26上的升降电机4，水槽的水槽壁23上设置有滑道16，水箱壁26上设置有与滑道16滑动连接的升降块3，滑道16的侧壁上设置有齿条2，升降电机4的输出轴处连接有与齿条2啮合的齿轮15，根据实际情况，可以通过升降电机4启动带动齿轮15在齿条2上的移动来实现对水箱高度的调节，使得水箱内的示踪剂能及时补充到圆柱体模型管13内，保证内部压力的恒定，通过该试验方法，可以获得清晰的涡激振动尾流涡旋泄放影像以及图片资料，通过比较分析，可以得到相应的各种涡旋泄放特征，如旋涡泄放模式，泄放频率，旋涡大小等；同一滑道16上的升降块3的数量为两个，齿轮15位于两个升降块3之间，使得水箱在上下移动时的稳定性高。

还包括爬升控制装置8，如图3所示，爬升控制装置8包括设置在水箱内的浮球21，浮球21上螺纹连接有螺杆19，螺杆19的远离水箱的一端设置有升降金属接头25，水槽壁23上设置有用于与升降金属接头25相配合的固定金属接头22，升降电机4上通过第一导线6与外部电源连接，升降电机4上通过第二导线7与升降金属接头25电连接，固定金属接头22通过第三导线17与外部电源连接，可以将第一导线6与第三导线17整合成一根线并连接到插座上，当水箱内的水位过低时，浮球21带动螺杆19下移，固定金属接头22与螺杆19上的升降金属接头25接触，升降电机4通电，升降电机4启动带动齿轮15沿着齿条2上移，使得水箱爬升直至升降金属接头25脱离固定金属接头22的位置处，通过对爬升控制装置8的调节，可以实现对水箱液面绝对高度的控制，以保证液面高度不变，即保证了圆柱体模型管13内外静态压力差不变。

浮球21上设置有用于锁紧螺杆19的调节螺丝20，调节螺丝20能够锁紧螺杆19，防止螺杆19相对于浮球21偏移位置。

固定金属接头22通过卡扣24安装在水槽壁23上，安装较为便捷；卡扣24的数量为多个，多个卡扣24沿水槽的高度方向间隔设置，从而可以选择不同高度的卡扣24来安装固定金属接头22，以满足控制需要。

升降金属接头25与固定金属接头22均位于绝缘保护罩18内，绝缘保护罩18能够起到较好的绝缘作用，提高了安全性。

一种上述基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置的示踪方法，按以下步骤进行：

步骤一，固定模型结构，将圆柱体模型管13通过底座和顶板11固定在水槽内；

步骤二，水槽充水，向水槽注水，直至液面达到试验所需高度，打开循环水进行造流；

步骤三，注入示踪剂，向水箱倒入示踪剂，封堵开孔12，将输液管10充满示踪剂后两端分别放入水箱和圆柱体模型管13内，做适当固定后将过长的输液管10置于缠线器9内，圆柱体模型管13内部的示踪剂液面逐渐上升，直至高出水槽液面一定高度，形成内外压差，调节水箱的高度，使水箱内的示踪剂液面高度和圆柱体模型管13内的示踪剂液面齐平；

步骤四，调节爬升控制装置8，调节螺杆19在浮球21中的位置，使升降金属接头25与固定金属接头22正好处于断开状态，当水箱过高或者过低时，可以选择不同高度的卡扣24来装配固定金属接头22，以满足控制需要；

步骤五，示踪显示，升降电机4通过第一导线6接上外部电源，打开开孔12，圆柱体模型管13内的示踪剂缓缓随尾流流出，当管内示踪剂液面降低时，由于连通器原理，水箱内的示踪剂会通过输液管10源源不断的注入到圆柱体模型管13内，当水箱内的示踪剂液面有所下降时，升降金属接头25触碰到固定金属接头22上，使得电路通电，升降工作带动齿轮15在滑道16内嵌的齿条2上滚动，使水箱上升直至升降金属接头25离开固定金属接头22的位置，此时电路断开，此时水箱内液面被抬升，如此往复保证了圆柱体模型管13内外部压差恒定，确保可以得到一个稳定的尾流示踪显示。

步骤六，记录示踪轨迹，可以采用摄像机，相机等设备对尾流泄放的示踪轨迹进行记录；

步骤七，改变流速，改变水槽的流速，得到变化后的涡激振动尾流泄放涡泄，进行记录，必要时可以适当调节螺杆19在浮球21中的位置，以满足不同流速下对圆柱体模型管13内外压差的要求；

步骤八，试验结束，关闭水槽中的循环水，关闭升降电机4，取出输液管10，释放水槽内的循环水。

应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，包括设置有循环水的水槽和设置有示踪剂的水箱，所述的水槽的底部设置有底座，所述的水槽的顶端设置有顶板，所述的顶板和底座之间设置有圆柱体模型管，所述的水箱和圆柱体模型管之间通过输液管连接，所述的圆柱体模型管上设置有开孔。

2.根据权利要求1所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，所述的水箱上设置有用于调节水箱高度的升降机构，所述的升降机构包括设置在水箱壁上的升降电机，所述的水槽的水槽壁上设置有滑道，所述的水箱壁上设置有与滑道滑动连接的升降块，所述的滑道的侧壁上设置有齿条，所述的升降电机的输出轴处连接有与齿条啮合的齿轮。

3.根据权利要求2所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，同一滑道上的升降块的数量为两个，所述的齿轮位于两个升降块之间。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，所述的顶板上设置有用于控制输液管长度的缠线器。

5.根据权利要求2或3所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，还包括爬升控制装置，所述的爬升控制装置包括设置在水箱内的浮球，所述的浮球上螺纹连接有螺杆，所述的螺杆的远离水箱的一端设置有升降金属接头，所述的水槽壁上设置有用于与升降金属接头相配合的固定金属接头，所述的升降电机上通过第一导线与外部电源连接，所述的升降电机上通过第二导线与升降金属接头电连接，所述的固定金属接头通过第三导线与外部电源连接。

6.根据权利要求5所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，所述的浮球上设置有用于锁紧螺杆的调节螺丝。

7.根据权利要求5所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，所述的固定金属接头通过卡扣安装在水槽壁上。

8.根据权利要求7所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，所述的卡扣的数量为多个，多个卡扣沿水槽的高度方向间隔设置。

9.根据权利要求5所述的基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置，其特征在于，所述的升降金属接头与固定金属接头均位于绝缘保护罩内。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的一种基于连通器原理的涡激振动尾流泄放示踪装置的示踪方法，其特征在于，按以下步骤进行：

步骤一，固定模型结构，将圆柱体模型管通过底座和顶板固定在水槽内；

步骤二，水槽充水，向水槽注水，直至液面达到试验所需高度，打开循环水进行造流；

步骤三，注入示踪剂，向水箱倒入示踪剂，封堵开孔，将输液管充满示踪剂后两端分别放入水箱和圆柱体模型管内，做适当固定后将过长的输液管置于缠线器内，圆柱体模型管内部的示踪剂液面逐渐上升，直至高出水槽液面一定高度，形成内外压差，调节水箱的高度，使水箱内的示踪剂液面高度和圆柱体模型管内的示踪剂液面齐平；

步骤四，调节爬升控制装置，调节螺杆在浮球中的位置，使升降金属接头与固定金属接头正好处于断开状态，当水箱过高或者过低时，可以选择不同高度的卡扣来装配固定金属接头，以满足控制需要；

步骤五，示踪显示，升降电机通过第一导线接上外部电源，打开开孔，圆柱体模型管内的示踪剂缓缓随尾流流出，当管内示踪剂液面降低时，由于连通器原理，水箱内的示踪剂会通过输液管源源不断的注入到圆柱体模型管内，当水箱内的示踪剂液面有所下降时，升降金属接头触碰到固定金属接头上，使得电路通电，升降工作带动齿轮在滑道内嵌的齿条上滚动，使水箱上升直至升降金属接头离开固定金属接头的位置，此时电路断开，此时水箱内液面被抬升，如此往复保证了圆柱体模型管内外部压差恒定，确保可以得到一个稳定的尾流示踪显示；

步骤六，记录示踪轨迹，可以采用摄像机，相机等设备对尾流泄放的示踪轨迹进行记录；

步骤七，改变流速，改变水槽的流速，得到变化后的涡激振动尾流泄放涡街，进行记录，必要时可以适当调节螺杆在浮球中的位置，以满足不同流速下对圆柱体模型管内外压差的要求；

步骤八，试验结束，关闭水槽中的循环水，关闭升降电机，取出输液管，释放水槽内的循环水。