CN112146833A - 一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，包括水槽，水槽内部底端设有假底，水槽顶端设有支撑框，支撑框底端设有支撑横板，支撑横板底部设有水平导轨，水平导轨底端设有垂直支架，垂直支架内部设有竖向滑杆，竖向滑杆底端设有L型支撑臂，L型支撑臂之间设有可调式管道。有益效果：该实验装置弥补了科研人员开展实际复杂海洋环境条件下的海底管道双自由度涡激振动特性研究的空白，可便捷地实现多种实际复杂海洋环境条件下的物理模型实验工况，既能实现双自由度涡激振动实验工况，又能通过限位器实现单自由度涡激振动实验工况，以此能便捷地分析双自由度的耦合效应，能实现管道动力响应、受力及绕流场数据的同步采集。

Description

一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置

技术领域

本发明涉及模拟实验装置技术领域，具体来说，涉及一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置。

背景技术

海底管道由于长期处于复杂的海洋环境中，海底本身的凹凸不平及海流的冲刷，海底管道经常出现悬空现象，而悬空段受波流等环境荷载的作用，极易引发涡激振动，进而导致管道的疲劳损坏，影响管道寿命。涡激振动引起管道疲劳破坏是影响管道安全最为常见的因素，也是广大海底管道设计者、研究者一直以来关心的重点和难点问题。

目前国内外关于海底管道涡激振动的研究成果主要集中在均匀流作用下，实际上在管道输运过程中，会遇到各种复杂环境(如地形及水深的变化)，不仅会受到水流荷载，还会受到波浪荷载比如海洋内波作用，有少量研究采用振荡流模型模拟规则波的情况，而体现实际海洋环境的非线性随机波(不规则波)作用下的海底管道涡激振动特性研究成果是空白。

现有关于海底管道涡激振动的实验研究装置，主要有2种，1种是采用拖曳法造流的方式，第2种是采用水槽造流测试单自由度(横向)涡激振动的实验装置。第1种装置仅能生成均匀流或者振荡流，不能模拟实际海洋环境条件；第2种装置忽略了顺流向涡激振动的耦合响应，而已有研究表明小质量比的管道顺流向涡激振动会对横向涡激振动产生显著影响，顺流向与横向之间的振动耦合效应不可忽视。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，包括水槽，所述水槽内部的底端设置有假底，所述假底与所述水槽的底端之间通过升降调节机构相配合连接，所述假底为箱式结构，所述假底内部的底端设置有布沙机构，所述假底的底端设置有透光板，所述透光板底端的中间位置设置有激光发射器，所述水槽的顶端设置有与所述水槽固定连接的支撑框，所述支撑框底端的侧边设置有若干穿插于所述支撑框的电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的顶端设置有支撑横板，所述支撑横板的底部设置有水平导轨，所述水平导轨与所述支撑横板之间通过旋转驱动调节机构相配合连接，所述水平导轨的一侧设置有支撑横梁，所述支撑横梁与所述水平导轨之间通过若干水平滑轮相配合连接，所述水平滑轮与所述支撑横梁的一端通过若干水平弹簧相配合连接，所述水平导轨底端的中间位置设置有与所述激光发射器相匹配的垂直激光位移器，所述水平导轨一侧的中间位置设置有水平激光位移器，所述水平导轨的底端设置有垂直支架，所述垂直支架的内部设置有竖向滑杆，所述竖向滑杆与所述垂直支架之间通过若干竖向滑轮相配合连接，所述竖向滑杆与所述支撑横梁之间通过若干竖向弹簧相配合连接，所述竖向滑杆的底端设置有支撑横杆，所述支撑横杆内部的两端分别均设置有电动推杆，所述电动推杆的一端设置有L型支撑臂，所述L型支撑臂之间设置有可调式管道，所述支撑横板顶端的一侧设置有控制面板，所述控制面板的顶端设置有若干控制按钮。

进一步的，所述升降调节机构是由升降连杆和电推杆构成，所述升降连杆分别与所述水槽内部的底端以及所述假底的底端相配合连接，所述电推杆为防水结构。

进一步的，所述布沙机构是由布沙管、喷沙头、导料软管和操作杆构成，所述喷沙头位于所述布沙管的底端，所述布沙管的顶端与所述导料软管连接，所述操作杆与所述布沙管固定连接。

进一步的，所述喷沙头的侧边设置有若干推板，所述操作杆的一端设置有手柄。

进一步的，所述旋转驱动调节机构是由固定架、第一齿轮、驱动电机和第二齿轮构成，所述固定架通过若干螺栓组与所述水平导轨固定连接，所述第一齿轮位于所述固定架的顶端并与所述固定架固定连接，所述驱动电机穿插于所述固定架，所述第二齿轮与所述驱动电机的输出轴连接并与所述第一齿轮相啮合。

进一步的，所述支撑横板顶端一侧的中间位置设置有角度指针，所述第一齿轮的侧边设置有若干与所述角度指针相匹配的刻度线。

进一步的，所述水槽的一侧设置有CCD。

进一步的，所述竖向滑轮与所述垂直支架之间通过限位器相配合连接。

进一步的，所述可调式管道的两端分别均设置有导流板。

进一步的，所述可调式管道是由主管道和若干伸缩管构成，所述伸缩管位于所述主管道的两端并穿插于所述主管道，所述伸缩管远离所述主管道的一端设置有限位头。

本发明的有益效果为：

1、该实验装置弥补了科研人员开展实际复杂海洋环境条件下的海底管道双自由度涡激振动特性研究的空白。

2、利用该实验装置可便捷地实现多种实际复杂海洋环境条件下(如：波流共同作用、管道悬跨间距变化、海底地形变化及波流斜向入射等情况)的物理模型实验工况。

3、该实验装置既能实现双自由度(横向、顺流向)涡激振动实验工况，又能通过限位器实现单自由度(横向/顺流向)涡激振动实验工况，以此能便捷地分析双自由度的耦合效应。

4、该实验装置能实现管道动力响应(横向位移、顺流向位移)、受力(表面压力)及绕流场数据的同步采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的主视图；

图2是根据本发明实施例的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的侧视图；

图3是根据本发明实施例的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的内部俯视图；

图4是根据本发明实施例的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的俯视图；

图6是根据本发明实施例的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的的可调式管道结构示意图；

图7是根据本发明实施例的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的升降调节机构和布沙机构的结构示意图。

图中：

1、水槽；2、假底；3、升降调节机构；4、布沙机构；5、透光板；6、激光发射器；7、支撑框；8、电动伸缩杆；9、支撑横板；10、水平导轨；11、旋转驱动调节机构；12、支撑横梁；13、水平滑轮；14、水平弹簧；15、垂直激光位移器；16、水平激光位移器；17、垂直支架；18、竖向滑杆；19、竖向滑轮；20、竖向弹簧；21、支撑横杆；22、电动推杆；23、L型支撑臂；24、可调式管道；25、控制面板；26、控制按钮；27、升降连杆；28、电推杆；29、布沙管；30、喷沙头；31、导料软管；32、操作杆；33、推板；34、手柄；35、固定架；36、第一齿轮；37、驱动电机；38、第二齿轮；39、螺栓组；40、角度指针；41、刻度线；42、CCD；43、限位器；44、导流板；45、主管道；46、伸缩管；47、限位头。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置。

实施例一：

如图1-7所示，根据本发明实施例的模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，包括水槽1，所述水槽1内部的底端设置有假底2，所述假底2与所述水槽1的底端之间通过升降调节机构3相配合连接，所述假底2为箱式结构，所述假底2内部的底端设置有布沙机构4，所述假底2的底端设置有透光板5，所述透光板5底端的中间位置设置有激光发射器6，所述水槽1的顶端设置有与所述水槽1固定连接的支撑框7，所述支撑框7底端的侧边设置有若干穿插于所述支撑框7的电动伸缩杆8，所述电动伸缩杆8的顶端设置有支撑横板9，所述支撑横板9的底部设置有水平导轨10，所述水平导轨10与所述支撑横板9之间通过旋转驱动调节机构11相配合连接，所述水平导轨10的一侧设置有支撑横梁12，所述支撑横梁12与所述水平导轨10之间通过若干水平滑轮13相配合连接，所述水平滑轮13与所述支撑横梁12的一端通过若干水平弹簧14相配合连接，所述水平导轨10底端的中间位置设置有与所述激光发射器6相匹配的垂直激光位移器15，所述水平导轨10一侧的中间位置设置有水平激光位移器16，所述水平导轨10的底端设置有垂直支架17，所述垂直支架17的内部设置有竖向滑杆18，所述竖向滑杆18与所述垂直支架17之间通过若干竖向滑轮19相配合连接，所述竖向滑杆18与所述支撑横梁12之间通过若干竖向弹簧20相配合连接，所述竖向滑杆18的底端设置有支撑横杆21，所述支撑横杆21内部的两端分别均设置有电动推杆22，所述电动推杆22的一端设置有L型支撑臂23，所述L型支撑臂23之间设置有可调式管道24，所述支撑横板9顶端的一侧设置有控制面板25，所述控制面板25的顶端设置有若干控制按钮26。

基于上述技术方案，通过该模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，弥补了科研人员开展实际复杂海洋环境条件下的海底管道双自由度涡激振动特性研究的空白，可便捷地实现多种实际复杂海洋环境条件下的物理模型实验工况，既能实现双自由度涡激振动实验工况，又能通过限位器实现单自由度涡激振动实验工况，以此能便捷地分析双自由度的耦合效应，能实现管道动力响应、受力及绕流场数据的同步采集。

在一个实施例中，所述升降调节机构3是由升降连杆27和电推杆28构成，所述升降连杆27分别与所述水槽1内部的底端以及所述假底2的底端相配合连接，所述电推杆28为防水结构。

在一个实施例中，所述布沙机构4是由布沙管29、喷沙头30、导料软管31和操作杆32构成，所述喷沙头30位于所述布沙管29的底端，所述布沙管29的顶端与所述导料软管31连接，所述操作杆32与所述布沙管29固定连接。

在一个实施例中，所述喷沙头30的侧边设置有若干推板33，所述操作杆32的一端设置有手柄34。

在一个实施例中，所述旋转驱动调节机构11是由固定架35、第一齿轮36、驱动电机37和第二齿轮38构成，所述固定架35通过若干螺栓组39与所述水平导轨10固定连接，所述第一齿轮36位于所述固定架35的顶端并与所述固定架35固定连接，所述驱动电机37穿插于所述固定架35，所述第二齿轮38与所述驱动电机37的输出轴连接并与所述第一齿轮36相啮合。

在一个实施例中，所述支撑横板9顶端一侧的中间位置设置有角度指针40，所述第一齿轮36的侧边设置有若干与所述角度指针40相匹配的刻度线41。

在一个实施例中，所述水槽1的一侧设置有CCD42。

在一个实在一个实施例中，所述竖向滑轮19与所述垂直支架17之间通过限位器43相配合连接。

在一个实施例中，所述可调式管道24的两端分别均设置有导流板44。

施例中，所述可调式管道24是由主管道45和若干伸缩管46构成，所述伸缩管46位于所述主管道45的两端并穿插于所述主管道45，所述伸缩管46远离所述主管道45的一端设置有限位头47。

工作原理：实验前，通过布沙机构4对假底2的内部进行布沙，模拟不同布置形式，实现海底地形的变化，布沙时，手动操作操作杆32，沙子通过导料软管31进入到布沙管29，然后由喷沙头30喷出，还可通过推板33对沙子进行堆叠调节，以完成对沙子的凹凸进行调整，真实地模拟海底情况，当布沙完成之后，手动操作操作杆32，将整个布沙机构4移出，从而能够有效避免布沙机构4在实验时对实验结果造成影响，进而提高实验结果的准确性，实验时，通过造波装置对水槽1内部的水进行模拟不规则波及水流，使其能较真实地反映实际海况，然后通过旋转驱动调节机构11对装置的整体角度进行调节，从而能够对可调式管道24的水平倾斜角度进行调节，进而能够实现可调式管道24与波流之间的角度调节，模拟出波流对可调式管道24不同角度的震荡，使得测试数据更加真实，调节时，按动控制按钮26，通过驱动电机37带动第二齿轮38转动，由于第一齿轮36与第二齿轮38相啮合，从而带动第一齿轮36进行转动，进而电动整个装置进行转动，通过角度指针40和刻度线41能够直观观察到转动角度，在实验中，竖向滑杆18通过竖向滑轮19可在垂向自由振动，而垂直支架17通过侧向水平滑轮13安装在水平导轨10上，可做水平自由振动，从而实现管道的双自由度振动，在垂向和水平向分别安装有竖向弹簧20和水平弹簧14，通过调节弹簧的数量来改变模型双向的固有频率，此外，设置限位器43以限制某一方向运动，用于开展单自由度涡激振动实验。管道横向和顺流向振动位移通过激光位移器测得，管道表面动水压力通过在管道周向等间距布置若干个微型压力传感器采集得到。管道的绕流流场主要采用激光粒子流场测量系统(PIV)进行测量，同时，在管道下游1.5倍管径处布置1支声学多普勒流速仪(ADV)和1支浪高仪分别测量管道中心高度处的尾流脉动流速和波高，在管道上游6倍波长位置再布设1支ADV和1支浪高仪，测量剪切来流速度和入射波高。在实验段底部搭设一座T型平台作为假底2来模拟海底地形平坦，假底2顶部采用专门设计的一块的透光板5，透过该透光板5采用″自下向上″激光扫射的PIV系统进行流场测量，这可有效避免传统的从水面向下扫射的激光布设方式带来的水面反射干扰，相机位于水槽外侧正对管道的位置拍摄示踪粒子图像。管道模型两端各装有1个导流板44，用于消除端部效应对实验结果的影响，另外，在装置转动时，可调式管道24两端的伸缩管46通过电动推杆22对伸缩长度进行调节，进一步消除端部效应对实验结果的影响，以上所述实验装置适用于某一固定悬跨管道(悬跨间距不变)、波流正向入射(入射方向与水槽轴线方向平行)、海底地形平坦的情况。

综上所述，基于本发明的上述技术方案，通过该模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，弥补了科研人员开展实际复杂海洋环境条件下的海底管道双自由度涡激振动特性研究的空白，可便捷地实现多种实际复杂海洋环境条件下的物理模型实验工况，既能实现双自由度涡激振动实验工况，又能通过限位器实现单自由度涡激振动实验工况，以此能便捷地分析双自由度的耦合效应，能实现管道动力响应、受力及绕流场数据的同步采集。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″设置″、″连接″、″固定″、″旋接″等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，包括水槽(1)，所述水槽(1)内部的底端设置有假底(2)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述假底(2)与所述水槽(1)的底端之间通过升降调节机构(3)相配合连接，所述假底(2)为箱式结构，所述假底(2)内部的底端设置有布沙机构(4)，所述假底(2)的底端设置有透光板(5)，所述透光板(5)底端的中间位置设置有激光发射器(6)，所述水槽(1)的顶端设置有与所述水槽(1)固定连接的支撑框(7)，所述支撑框(7)底端的侧边设置有若干穿插于所述支撑框(7)的电动伸缩杆(8)，所述电动伸缩杆(8)的顶端设置有支撑横板(9)，所述支撑横板(9)的底部设置有水平导轨(10)，所述水平导轨(10)与所述支撑横板(9)之间通过旋转驱动调节机构(11)相配合连接，所述水平导轨(10)的一侧设置有支撑横梁(12)，所述支撑横梁(12)与所述水平导轨(10)之间通过若干水平滑轮(13)相配合连接，所述水平滑轮(13)与所述支撑横梁(12)的一端通过若干水平弹簧(14)相配合连接，所述水平导轨(10)底端的中间位置设置有与所述激光发射器(6)相匹配的垂直激光位移器(15)，所述水平导轨(10)一侧的中间位置设置有水平激光位移器(16)，所述水平导轨(10)的底端设置有垂直支架(17)，所述垂直支架(17)的内部设置有竖向滑杆(18)，所述竖向滑杆(18)与所述垂直支架(17)之间通过若干竖向滑轮(19)相配合连接，所述竖向滑杆(18)与所述支撑横梁(12)之间通过若干竖向弹簧(20)相配合连接，所述竖向滑杆(18)的底端设置有支撑横杆(21)，所述支撑横杆(21)内部的两端分别均设置有电动推杆(22)，所述电动推杆(22)的一端设置有L型支撑臂(23)，所述L型支撑臂(23)之间设置有可调式管道(24)，所述支撑横板(9)顶端的一侧设置有控制面板(25)，所述控制面板(25)的顶端设置有若干控制按钮(26)，所述升降调节机构(3)是由升降连杆(27)和电推杆(28)构成，所述升降连杆(27)分别与所述水槽(1)内部的底端以及所述假底(2)的底端相配合连接，所述电推杆(28)为防水结构；所述布沙机构(4)是由布沙管(29)、喷沙头(30)、导料软管(31)和操作杆(32)构成，所述喷沙头(30)位于所述布沙管(29)的底端，所述布沙管(29)的顶端与所述导料软管(31)连接，所述操作杆(32)与所述布沙管(29)固定连接；所述喷沙头(30)的侧边设置有若干推板(33)，所述操作杆(32)的一端设置有手柄(34)；所述旋转驱动调节机构(11)是由固定架(35)、第一齿轮(36)、驱动电机(37)和第二齿轮(38)构成，所述固定架(35)通过若干螺栓组(39)与所述水平导轨(10)固定连接，所述第一齿轮(36)位于所述固定架(35)的顶端并与所述固定架(35)固定连接，所述驱动电机(37)穿插于所述固定架(35)，所述第二齿轮(38)与所述驱动电机(37)的输出轴连接并与所述第一齿轮(36)相啮合。

3.根据权利要求2所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述支撑横板(9)顶端一侧的中间位置设置有角度指针(40)，所述第一齿轮(36)的侧边设置有若干与所述角度指针(40)相匹配的刻度线(41)。

4.根据权利要求2所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述水槽(1)的一侧设置有CCD(42)。

5.根据权利要求2所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述竖向滑轮(19)与所述垂直支架(17)之间通过限位器(43)相配合连接。

6.根据权利要求2所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述可调式管道(24)的两端分别均设置有导流板(44)。

7.根据权利要求2所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述可调式管道(24)是由主管道(45)和若干伸缩管(46)构成，所述伸缩管(46)位于所述主管道(45)的两端并穿插于所述主管道(45)，所述伸缩管(46)远离所述主管道(45)的一端设置有限位头(47)。

8.根据权利要求2-7任一项所述的模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

实验时，通过布沙机构(4)对假底(2)的内部进行布沙，模拟不同布置形式，实现海底地形的变化，布沙时，手动操作操作杆(32)，沙子通过导料软管(31)进入到布沙管(29)，然后由喷沙头(30)喷出，还可通过推板(33)对沙子进行堆叠调节，通过造波装置对水槽(1)内部的水进行模拟不规则波及水流，使其能较真实地反映实际海况；

然后通过旋转驱动调节机构(11)对装置的角度进行调节，实现斜向入射情况，调节时，按动控制按钮(26)，通过驱动电机(37)带动第二齿轮(38)转动，由于第一齿(36)与第二齿轮(38)相啮合，从而带动第一齿轮(36)进行转动，进而电动整个装置进行转动，通过角度指针(40)和刻度线(41)能够直观观察到转动角度，在实验中，竖向滑杆(18)通过竖向滑轮(19)可在垂向自由振动，而垂直支架(17)通过侧向水平滑(13)安装在水平导轨(10)上，可做水平自由振动，从而实现管道的双自由度振动，在垂向和水平向分别安装有竖向弹簧(20)和水平弹簧(14)，通过调节弹簧的数量来改变模型双向的固有频率；

其中，设置限位器(43)以限制某一方向运动，用于开展单自由度涡激振动实验管道横向和顺流向振动位移通过激光位移器测得，管道表面动水压力通过在管道周向等间距布置若干个微型压力传感器采集得到，管道的绕流流场主要采用激光粒子流场测量系统(PIV)进行测量，同时，在管道下游1.5倍管径处布置1支声学多普勒流速仪(ADV)和1支浪高仪分别测量管道中心高度处的尾流脉动流速和波高，在管道上游(6)倍波长位置再布设1支ADV和1支浪高仪，测量剪切来流速度和入射波高，在实验段底部搭设一座T型平台作为假底(2)来模拟海底地形平坦，假底(2)顶部采用专门设计的一块的透光板(5)，透过该透光板(5)采用″自下向上″激光扫射的PIV系统进行流场测量，这可有效避免传统的从水面向下扫射的激光布设方式带来的水面反射干扰，相机位于水槽外侧正对管道的位置拍摄示踪粒子图像；

其中，管道模型两端各装有1个导流板(44)，用于消除端部效应对实验结果的影响，另外，在装置转动时，可调式管道(24)两端的伸缩管(46)通过电动推杆(22)对伸缩长度进行调节，进一步消除端部效应对实验结果的影响，所述实验装置适用于某一固定悬跨管道、波流正向入射、海底地形平坦的情况。

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