CN110702371B - 一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置及其使用方法，包括丝杆滑轨装置、支撑架装置和圆柱体振子装置；其中所述丝杆滑轨装置由控制柜、丝杆导轨和导轨滑块组成，控制柜可通过电脑输入参数控制丝杆转动的转速大小和方向，从而控制与导轨滑块相连接的支撑架装置和圆柱体振子装置来回运动的周期和幅值，实现等效振荡流，其中圆柱体振子装置可以实现多个圆柱体的叠加组合。通过上述连接方式，本发明可以实现单圆柱体或者多圆柱体在定常流、波浪流、振荡流或叠加流下的横流涡激振动实验研究，并由传感器测出相关实验数据。

Description

一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置及其 使用方法

技术领域

本发明涉及圆柱体涡激振动的实验装置及其使用方法，特别涉及弹性支撑圆柱体横流涡激振动的实验装置及其使用方法。

背景技术

随着陆地油气资源的日益减少，海洋能源的开采已经成为各海洋国家海洋战略的重要组成部分。近年来我国海洋油气资源的开发逐步向深海推进。作为深海石油生产系统中连接海底和海洋平台的关键组成部分,海洋立管的安全性需要充分保证。而涡激振动是立管疲劳破坏的主要诱因之一。在海流作用下，立管两侧容易发生涡脱落，导致立管在横流和顺流两个方向产生涡激振动，当涡脱落频率和立管振动频率锁定时，涡激振动会被放大，从而加剧立管的疲劳破坏。立管的破坏会导致油气资源的泄漏，造成巨大的经济损失并且严重破坏海洋的生态环境。所以有必要掌握实际海洋环境下的立管涡激振动特征，保证立管的安全设计。

在实际开采过程中，海洋立管多以立管群的形式存在，与单立管涡激振动相比，立管之间的尾流变化会相互影响，因此涡激振动特性更为复杂。另外，在实际海洋环境下,波浪和立管顶端平台运动会导致立管与流体之间产生相对振荡流，该振荡流可以影响立管的涡激振动，所以采用定常流研究涡激振动无法反应实际海况下立管的涡激振动特征。因此，有必要开展定常流和振荡流叠加或波浪流和振荡流叠加下多根立管的涡激振动特性的研究。因为开展柔性立管相关的实验和数值研究费用非常昂贵，所以从机理研究的角度出发，以多圆柱体为对象的涡激振动研究得到国内外学者的青睐。然而目前关于振荡流中圆柱体涡激振动的研究主要集中于单圆柱体，定常流和振荡流叠加或波浪流和振荡流叠加下多圆柱体涡激振动特性的研究和实验装置鲜有报道。因此有必要发明一种单圆柱体或者多圆柱体在定常流、波浪流、振荡流或叠加流下的横流涡激振动实验研究装置，测得的数据可以为涉及振荡流效应的立管安全设计提供参考。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置及其使用方法，能够实现单圆柱体或者多圆柱体在定常流、振荡流或定常流和振荡流叠加下的横流涡激振动实验研究，并由传感器测出相关实验数据。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置，所述实验装置包括丝杆滑轨装置、支撑架装置和圆柱体振子装置；其中支撑架装置分别连接支撑架装置和圆柱体振子装置；丝杆滑轨装置包括丝杆滑轨装置包括控制柜、丝杆导轨和导轨滑块，其中从电脑软件输入相关参数，通过控制柜控制丝杆导轨转动的周期，进而控制与导轨滑块相连接的支撑架装置和圆柱体振子装置来回运动的周期和幅值，实现等效振荡流，其中圆柱体振子装置可以实现多个圆柱体的叠加组合。

其中，所述支撑架装置设有连接杆组，所述连接杆组由第一水平连接杆组、第二水平连接杆组、第三水平连接杆组、第一竖直连接杆组和第二竖直连接杆组组成；所述第一水平连接杆组、第二水平连接杆组、第三水平连接杆组、第一竖直连接杆组和第二竖直连接杆组均由互相平行且长度相等的两个连接杆组成；第一水平连接杆组水平固定在导轨滑块上方，第二水平连接杆组作为第一竖直连接杆组、第三水平连接杆组和第二竖直连接杆组的固定轨道，垂直连接于第一水平连接杆组上方以实现多个圆柱体振子装置的组合连接；第一竖直连接杆组竖直连接于第二水平连接杆组，用于增加高度和固定距离；第三水平连接杆组水平连接于第一竖直连接杆组的两侧；第二竖直连接杆组竖直连接于第三水平连接杆组两侧，且第二竖直连接杆组下端均固接有轴承，用来连接圆柱体振子装置。

优选地，所述圆柱体振子装置由弹簧连接线、弹簧、水平连接杆、圆柱管、圆柱体连接杆、圆柱体和传感器组成，其中，圆柱管穿过轴承，弹簧连接线与第三水平连接杆组连接；圆柱体两侧通过圆柱体连接杆和圆柱管垂直相连，两个圆柱管顶端之间通过水平连接杆垂直相连，圆柱体、圆柱体连接杆、圆柱管、和水平连接杆在弹簧和轴承作用下均可自由振动；水平连接杆上设置有传感器；在水平连接杆的边界连有弹簧，弹簧通过弹簧连接线与第三水平连接杆组相连。

优选地，所述圆柱管实心且表面光滑；所述轴承孔心竖直向下，用于固定圆柱管；所述圆柱体振子装置中的弹簧连接线的长度和圆柱管的半径按实验要求选取，这样可以实现不同圆柱体半径和不同排列方式下多圆柱体横流涡激振动的实验研究。

优选地，所述圆柱体连接杆为较薄的铝合金连接杆。

进一步地，水平连接杆的材质和宽度与圆柱体连接杆的材质与宽度相同。

进一步地，所述弹簧设置在距离水平连接杆边界的七分之一处。

优选地，所述丝杆滑轨装置还包括伺服电机和控制柜，所述丝杆滑轨装置包括控制柜、丝杆导轨和导轨滑块，通过控制柜控制丝杆导轨转动的周期和时间，带动导轨滑块的往返运动，进而带动支撑架装置和圆柱体振子装置往返运动。

进一步地，所述连接杆组均采用直角件连接，其中，若干个第三水平连接杆组通过第一竖直连接杆组重复固定在第二水平连接杆组，若干个第二竖直连接杆组与第三水平连接杆组依次垂直连接。

优选地，所述导轨滑块与第一水平连接杆组通过连接孔的螺丝相连。

一种上述用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置的使用方法：当丝杆导轨静止时，将装置置于一定流速的流场中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组位于水面之上，进行定常流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

一种上述用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置的使用方法：当丝杆导轨静止时，将装置置于一定流速的波浪流中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组位于水面之上，进行波浪流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

一种上述用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置的使用方法：当丝杆导轨转动时，将装置置于静止流场中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组位于水面之上，进行等效振荡流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

一种上述用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置的使用方法：当丝杆导轨转动时，将装置分别置于不同流速的流场中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组位于水面之上，进行定常流和振荡流叠加或波浪流和振荡流叠加下单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

有益效果：本发明的一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置，在基于丝杆导轨传动实现等效振荡流场的方式，可以实现单圆柱体或者多圆柱体在定常流、波浪流、振荡流或叠加流下的横流涡激振动实验研究，并且传感器测得的实验数据可以对现有的涡激振动数值预报方法进行校验。

附图说明

图1为本发明的整体结构三视图。

图2为图1的丝杆滑轨装置结构示意图。

图3为图1的支撑架装置结构示意图。

图4为图1的圆柱体振子装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置，包括图2由控制柜2、丝杆导轨3和导轨滑块1组成的丝杆滑轨装置，图3为可根据圆柱体个数组合的支撑架装置，图4为整体呈长方形连接的圆柱体振子装置。丝杆滑轨装置包括控制柜2、丝杆导轨3和导轨滑块1，导轨滑块1与支撑架装置连接，支撑架装置连接圆柱体振子装置，其中从电脑软件输入相关参数，通过控制柜3控制丝杆导轨3转动的周期，进而控制与导轨滑块1相连接的支撑架装置和圆柱体振子装置来回运动的周期和幅值，实现等效振荡流，其中圆柱体振子装置可以实现多个圆柱体的叠加组合。

如图1所示，所述单个圆柱体振子装置中的圆柱管13穿过支撑架装置底部的轴承9，弹簧连接线11与第三水平连接杆组4连接，当处于初始状态时，圆柱体振子装置可自由振动，连接架装置的第一水平连接杆组7通过螺孔与导轨滑块1相连。其中，圆柱体15两侧通过较薄的铝合金的第三水平连接杆组14和实心的圆柱管13相连，两圆柱管顶端通过水平连接杆12相连，水平连接杆12上设置有传感器16，水平连接杆12的材质和宽度与圆柱体连接杆14相同。在距离边界的七分之一处连有弹簧10，弹簧10通过弹簧连接线11与连接架装置的水平连接杆4相连，这里弹簧连接线11的长度和圆柱管13的半径按实验要求选取，可实现不同圆柱体半径和不同排列方式下多圆柱体横流涡激振动的实验研究。

连接架装置中除了第一水平连接杆组7与导轨滑块1通过螺孔连接外，其他杆件均采用直角件连接。其中第二水平连接杆组6连接在第一水平连接杆组7的最外端，第一竖直连接杆组5连接在第二水平连接杆组6之上，第三水平连接杆组4连接在第一竖直连接杆组5的顶端，第二竖直连接杆组8连接在第三水平连接杆组4的最外端，另一侧相同。圆柱体连接杆14要保持竖直，且圆柱体连接杆14两轴心的距离要各自分别与两个圆柱管13的管心距离一致。当涉及多圆柱体时，第一竖直连接杆组5、第三水平连接杆组4和第二竖直连接杆组8与圆柱体振子装置依次固定在第二水平连接杆组6的相应位置，如图3右侧为双圆柱体，其他同理。

当涉及定常流实验时，丝杆导轨3保持静止，此时连接架装置亦保持静止，将实验装置放在一定流速的水流中，此时圆柱体15部分位于水面之下，第二竖直连接杆组8位于水面之上，在定常流作用下，圆柱体15会发生涡脱落，产生振动，改变定常流速度和圆柱体15的排列方式，通过传感器16测得实验数据，可实现定常流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

当涉及波浪流实验时，丝杆导轨3保持静止，此时连接架装置亦保持静止，将装置放在一定流速的波浪流中，此时圆柱体15部分位于水面之下，第二竖直连接杆组8位于水面之上，在波浪流作用下，圆柱体15会发生涡脱落，产生振动，改变波浪流速度和圆柱体15的排列方式，通过传感器16测得实验数据，可实现波浪流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

当涉及振荡流实验时，将装置置于静止流场中，通过控制柜2控制丝杆导轨3转动的转速大小和周期，从而控制与导轨滑块1连接的支撑架装置来回运动的周期和幅值，进而控制圆柱体振子装置来回运动，实现等效振荡流。此时圆柱体15部分位于水面之下，第二竖直连接杆组8位于水面之上，在来回运动过程中，圆柱体15会发生涡脱落，产生振动，改变丝杆导轨3转动的转速大小和周期以及圆柱体15的排列方式，通过传感器16测得实验数据，可实现等效振荡流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

当涉及叠加流实验时，将装置置于一定速度的定常流或者波浪流中，通过控制柜2控制丝杆导轨3转动的转速大小和周期，从而控制与导轨滑块1相连接的支撑架装置来回运动的周期和幅值，进而控制圆柱体振子装置来回运动，此时圆柱体15部分位于水面之下，第二竖直连接杆组8位于水面之上，在来回运动过程中，圆柱体15会发生涡脱落，产生振动，改变丝杆导轨3的转速大小和周期以及圆柱体15的排列方式，通过传感器16测得实验数据，可实现定常流和振荡流叠加或波浪流和振荡流叠加下单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

Claims (6)

1.一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置，其特征在于：所述实验装置包括丝杆滑轨装置、支撑架装置和圆柱体振子装置；丝杆滑轨装置包括控制柜(2)、丝杆导轨(3)和导轨滑块(1)，导轨滑块(1)与支撑架装置连接，支撑架装置连接圆柱体振子装置；通过控制柜(2)控制丝杆导轨(3)转动的周期和时间，带动导轨滑块(1)的往返运动，进而带动支撑架装置和圆柱体振子装置往返运动；所述支撑架装置设有连接杆组，所述连接杆组由第一水平连接杆组(7)、第二水平连接杆组(6)、第三水平连接杆组(4)、第一竖直连接杆组(5)和第二竖直连接杆组(8)组成；所述第一水平连接杆组(7)、第二水平连接杆组(6)、第三水平连接杆组(4)、第一竖直连接杆组(5)和第二竖直连接杆组(8)均由互相平行且长度相等的两个连接杆组成；第一水平连接杆组(7)水平固定在导轨滑块(1)上方，第二水平连接杆组(6)作为第一竖直连接杆组(5)、第三水平连接杆组(4)和第二竖直连接杆组(8)的固定轨道，垂直连接于第一水平连接杆组(7)上方；第一竖直连接杆组(5)竖直连接于第二水平连接杆组(6)；第三水平连接杆组(4)水平连接于第一竖直连接杆组(5)的两侧；第二竖直连接杆组(8)竖直连接于第三水平连接杆组(4)两侧，且第二竖直连接杆组(8)下端均固接有轴承(9)，用来连接圆柱体振子装置；所述圆柱体振子装置由弹簧连接线(11)、弹簧(10)、水平连接杆(12)、圆柱管(13)、圆柱体连接杆(14)、圆柱体(15)和传感器(16)组成，其中，圆柱管(13)穿过轴承(9)，弹簧连接线(11)与第三水平连接杆组(4)连接，圆柱体(15)两侧通过圆柱体连接杆(14)和圆柱管(13)垂直相连，两个圆柱管(13)顶端之间通过水平连接杆(12)垂直相连，水平连接杆(12)上设置有传感器(16)；在水平连接杆(12)的边界连有弹簧(10)，弹簧(10)通过弹簧连接线(11)与第三水平连接杆组(4)相连；其中，所述圆柱体（15）为一个或多个圆柱体的组合。

2.根据权利要求1所述一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置，其特征在于：所述连接杆组均采用直角件连接，其中，若干个第三水平连接杆组(4)通过第一竖直连接杆组(5)重复固定在第二水平连接杆组(6)，若干个第二竖直连接杆组(8)与第三水平连接杆组(4)依次垂直连接。

3.根据权利要求1所述一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置，其特征在于：圆柱体连接杆(14)、弹簧(10)和弹簧连接线(11)要保持竖直，且圆柱体连接杆(14)两轴心的距离要各自分别与两个圆柱管(13)的管心距离一致。

4.根据权利要求1所述一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置，其特征在于：所述导轨滑块(1)与第一水平连接杆组(7)通过连接孔的螺丝相连。

5.一种权利要求1～4中任意一项所述一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置的使用方法，其特征在于：当丝杆导轨静止时，将装置置于一定流速的流场中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组(8)位于水面之上，进行定常流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究，当丝杆导轨转动时，将装置置于静止流场中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组(8)位于水面之上，进行等效振荡流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究，当丝杆导轨转动时，将装置分别置于不同流速的流场中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组(8)位于水面之上，进行定常流和振荡流叠加或波浪流和振荡流叠加下单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

6.一种权利要求1～4中任意一项所述一种用于弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究的实验装置的使用方法，其特征在于：当丝杆导轨静止时，将装置置于一定流速的波浪流中，此时圆柱体部分位于水面之下，第二竖直连接杆组(8)位于水面之上，进行波浪流中单圆柱体或多圆柱体的弹性支撑圆柱体横流涡激振动研究。

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