CN112796676B - 一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置及方法，装置由两个转向轴承、一块鱼形整流罩和一个旋转五叶轮组成。鱼形整流罩为一体化成型的纺锥状流线型结构，套装在海洋立管外，使绕流边界层分离点向后迁移，延迟了旋涡的形成。鱼形整流罩尾部分隔平板分割了流动空间，避免了两侧剪切层的干涉，并在海流冲击下通过旋转调整攻角。此外，在筛孔鱼鳍圆形导流孔引流、鱼刺状通孔调配流体、旋转五叶轮旋转和锥形鱼嘴射流的协同作用下，干扰了海洋立管绕流边界层、剪切层的发展，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构和前驻点周围的流场，抑制了旋涡的形成与发展，减小了流动阻力与升力，实现了无能耗的涡激振动抑制。
Description
技术领域
本发明属于海洋立管涡激振动抑制技术领域，具体涉及一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置及方法。
背景技术
在开发海洋能源的过程中，海洋立管、隔水管、海底管道、锚链、跳接管、悬跨管以及海洋平台支柱、钻机井架等装备在海洋风、浪、流等影响下均存在不同程度的涡激振动隐患。
为抑制钝体结构的涡激振动，近年来学者们已设计出了很多的抑制装置，根据装置是否需要消耗额外的能量，分为主动控制和被动控制两大类。其中主动控制需要消耗外部能量，包括喷气射流、旋转控制柱等抑制方式。被动控制则通过改变钝体结构表面形状或添加附属装置，以改变边界层分离点或干扰尾流旋涡的形成与发展，不需要消耗外部能量，因而更受实际工程应用的青睐。尽管目前已有分离盘、整流罩、螺旋列板等被动抑制装置，但它们均存在显著的缺点，分离盘与整流罩对来流攻角十分敏感，螺旋列板则会增大结构的拖曳力。因此，如何适用流向多变的海洋环境且不增加绕流阻力是海洋工程结构涡激振动抑制的主要攻关方向。
发明内容
本发明的目的在于针对当前背景技术中提出的问题与不足，提出一种更加高效、绿色环保的仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置由两个转向轴承、一块鱼形整流罩和一个旋转五叶轮组成。
转向轴承为内嵌滚珠的内外圈结构，转向轴承的内径等于海洋立管的外径，上、下两个转向轴承按间隔一块鱼形整流罩的高度安装在海洋立管的外壁。转向轴承由内圈、保持架、滚珠和外圈组成，内圈与海洋立管无滑移，内圈外壁和外圈内壁均开有和滚珠直径相等的槽道。通过滚珠在槽道中滚动，实现外圈绕海洋立管的自由转动。
鱼形整流罩为一体化成型的纺锥状流线型结构，尾部加设分隔平板，整体类似鱼形。鱼形整流罩轴向开有直径等于转向轴承外圈外径的通孔，通过该通孔使鱼形整流罩套装在两个转向轴承的外圈外壁，且与外圈之间无滑移。鱼形整流罩迎流前缘的中部开有水平的引流槽道，水平引流槽道的端口安装有锥形鱼嘴；水平引流槽道与三根平行的弧形引流槽道相通，三根弧形引流槽道连通至鱼形整流罩前部的上端面，将鱼形整流罩前部上端面的海流引流至锥形鱼嘴处，并经锥形鱼嘴喷出。鱼形整流罩后部沿与海洋立管管轴垂直的方向开有鱼刺状通孔，使鱼形整流罩两侧的海水连通。鱼形整流罩尾部的分隔平板中部开有矩形窗口，窗口高度大于旋转五叶轮叶片的高度。在分隔平板矩形窗口的上、下两端中部开有圆柱形插孔，圆柱形插孔的直径等于叶轮转轴的直径。在垂直于分隔平板的鱼形整流罩最宽部位的两侧外壁开有矩形插槽，插槽高度和鱼形整流罩高度一样，插槽宽度等于筛孔鱼鳍根部的宽度。筛孔鱼鳍通过插槽套装在鱼形整流罩的两侧，筛孔鱼鳍凹面朝向鱼形整流罩，筛孔鱼鳍凸面朝外，筛孔鱼鳍上均匀开设有圆形的导流孔。
旋转五叶轮由五片矩形叶片和一根叶轮转轴组成，五片矩形叶片沿叶轮转轴周向均布。叶轮转轴两端插入鱼形整流罩分隔平板的矩形窗口中部圆柱形插孔中，旋转五叶轮绕叶轮转轴旋转，旋转五叶轮的扫略直径小于分隔平板的矩形窗口宽度。
所述的鱼形整流罩的尾部的长度约为鱼形整流罩前端长度的3～5倍。
利用所述的仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置提供一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制方法。鱼形整流罩与海流的流动方向存在攻角时，在海流的冲击下，鱼形整流罩带动转向轴承旋转，直至鱼形整流罩的尾部分隔平板绕至海洋立管的背流侧。因鱼形整流罩的流线型剖面，海流绕过鱼形整流罩时，边界层分离点向后迁移，延迟了尾流旋涡的形成，减小了尾流宽度。此外，海流经筛孔鱼鳍的圆形导流孔引流，干扰了边界层的发展；而海流通过鱼形整流罩后部的鱼刺状通孔，实现了海洋立管两侧流体空间上的调配，干扰了尾流旋涡的形成。鱼形整流罩尾部的分隔平板将两侧剪切层分割，避免了两侧剪切层的干涉，进一步延长了旋涡的形成长度；同时，分隔平板中部的旋转五叶轮在海流的冲击下自由旋转，破坏了两侧剪切层的发展。另外，鱼形整流罩前部上端面的海流通过三根弧形引流槽道和水平引流槽道引流至锥形鱼嘴处，并经锥形鱼嘴喷出，破坏了海洋立管的前驻点周围流场，减小了海洋立管前后的压差。因此，在鱼形整流罩流线型过流剖面、分隔平板分割流动空间与调整攻角、筛孔鱼鳍圆形导流孔引流、鱼刺状通孔调配两侧流体、旋转五叶轮旋转和锥形鱼嘴射流的共同作用下，干扰了海洋立管绕流边界层、剪切层的发展，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构和海洋立管前驻点周围流场，抑制了旋涡的形成与发展，减小了流动阻力与升力，实现了无能耗的涡激振动抑制。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1.本发明装置的鱼形整流罩在海流的冲击下可以发生自适应旋转，使整个装置适用于流向复杂多变的实际海流环境；
2.本发明装置前端的鱼嘴引流槽道将上部流体引流至锥形鱼嘴处，并从鱼嘴喷出，有效破坏了海洋立管的前驻点周围的流场，减小了立管前后的压差；
3.本发明装置筛孔鱼鳍的圆形导流孔和鱼形整流罩中部的鱼刺形导流孔有效扰乱了海洋立管的绕流流场及尾部旋涡，增强了振动的抑制效果；
4.本发明装置作为一个基本单元，在海洋立管上按合适间距串列安装后，可实现更强的涡激振动抑制效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为本发明装置一半鱼形整流罩示意图；
图3为本发明装置旋转五叶轮示意图；
图4为本发明装置锥形鱼嘴示意图；
图5为本发明装置转向轴承拆分示意图；
图6为本发明装置鱼嘴引流示意图；
图7为本发明装置旋涡抑制示意图。
其中：1-海洋立管；2-转向轴承；21-内圈；22-保持架；23-滚珠；24-外圈； 3-鱼形整流罩；4-筛孔鱼鳍；5-引流槽道；6-锥形鱼嘴；7-旋转五叶轮；71-叶轮转轴；72-叶片。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置由两个转向轴承2、一块鱼形整流罩3和一个旋转五叶轮7组成。
转向轴承2为内嵌滚珠23的内外圈结构，转向轴承2的内径等于海洋立管 1的外径，上、下两个转向轴承2按间隔一块鱼形整流罩3的高度安装在海洋立管1的外壁。转向轴承2由内圈21、保持架22、滚珠23和外圈24组成，内圈 21与海洋立管1无滑移，内圈21外壁和外圈24内壁均开有和滚珠23直径相等的槽道。通过滚珠23在槽道中滚动，实现外圈24绕海洋立管1的自由转动。
鱼形整流罩3为一体化成型的纺锥状流线型结构，尾部加设分隔平板，整体类似鱼形。鱼形整流罩3轴向开有直径等于转向轴承2外圈24外径的通孔，通过该通孔使鱼形整流罩3套装在两个转向轴承2的外圈24外壁，且与外圈24之间无滑移。鱼形整流罩3迎流前缘的中部开有水平的引流槽道5，水平引流槽道 5的端口安装有锥形鱼嘴6；水平引流槽道5与三根平行的弧形引流槽道5相通，三根弧形引流槽道5连通至鱼形整流罩3前部的上端面，将鱼形整流罩3前部上端面的海流引流至锥形鱼嘴6处，并经锥形鱼嘴6喷出。鱼形整流罩3后部沿与海洋立管1管轴垂直的方向开有鱼刺状通孔，使鱼形整流罩3两侧的海水连通。鱼形整流罩3尾部的分隔平板中部开有矩形窗口，窗口高度大于旋转五叶轮7叶片72的高度。在分隔平板矩形窗口的上、下两端中部开有圆柱形插孔，圆柱形插孔的直径等于叶轮转轴71的直径。在垂直于分隔平板的鱼形整流罩3最宽部位的两侧外壁开有矩形插槽，插槽高度和鱼形整流罩3高度一样，插槽宽度等于筛孔鱼鳍4根部的宽度。筛孔鱼鳍4通过插槽套装在鱼形整流罩3的两侧，筛孔鱼鳍4凹面朝向鱼形整流罩3，筛孔鱼鳍4凸面朝外，筛孔鱼鳍4上均匀开设有圆形的导流孔。
旋转五叶轮7由五片矩形叶片72和一根叶轮转轴71组成，五片矩形叶片 72沿叶轮转轴71周向均布。叶轮转轴71两端插入鱼形整流罩3分隔平板的矩形窗口中部圆柱形插孔中，旋转五叶轮7绕叶轮转轴71旋转，旋转五叶轮7的扫略直径小于分隔平板的矩形窗口宽度。
所述的鱼形整流罩3的尾部的长度约为鱼形整流罩3前端长度的3～5倍。
利用所述的仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置提供一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制方法。鱼形整流罩3与海流的流动方向存在攻角时，在海流的冲击下，鱼形整流罩3带动转向轴承2旋转，直至鱼形整流罩3的尾部分隔平板绕至海洋立管1的背流侧。因鱼形整流罩3的流线型剖面，海流绕过鱼形整流罩3时，边界层分离点向后迁移，延迟了尾流旋涡的形成，减小了尾流宽度。此外，海流经筛孔鱼鳍4的圆形导流孔引流，干扰了边界层的发展；而海流通过鱼形整流罩3后部的鱼刺状通孔，实现了海洋立管1两侧流体空间上的调配，干扰了尾流旋涡的形成。鱼形整流罩3尾部的分隔平板将两侧剪切层分割，避免了两侧剪切层的干涉，进一步延长了旋涡的形成长度；同时，分隔平板中部的旋转五叶轮7在海流的冲击下自由旋转，破坏了两侧剪切层的发展。另外，鱼形整流罩3前部上端面的海流通过三根弧形引流槽道5和水平引流槽道5 引流至锥形鱼嘴6处，并经锥形鱼嘴6喷出，破坏了海洋立管1的前驻点周围流场，减小了海洋立管1前后的压差。因此，在鱼形整流罩3流线型过流剖面、分隔平板分割流动空间与调整攻角、筛孔鱼鳍4圆形导流孔引流、鱼刺状通孔调配两侧流体、旋转五叶轮7旋转和锥形鱼嘴6射流的共同作用下，干扰了海洋立管 1绕流边界层、剪切层的发展，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构和海洋立管1前驻点周围流场，抑制了旋涡的形成与发展，减小了流动阻力与升力，实现了无能耗的涡激振动抑制。
实施例：
安装本发明装置时，首先安装转向轴承2，根据鱼形整流罩3的高度确定上、下两个转向轴承2的间距，分别将上、下两个转向轴承2套装在海洋立管1外壁。
然后，安装旋转五叶轮7，旋转五叶轮7安置于鱼形整流罩3尾部分隔平板的矩形窗口中，且叶轮转轴71的上、下两端插入矩形窗口的圆柱形插孔中，使旋转五叶轮7可以自由转动，且叶轮转轴71的上、下两端与鱼形整流罩3的上、下端面保持齐平。
之后，安装鱼形整流罩3，将鱼形整流罩3套装在转向轴承2的外壁上。
最后，安装筛孔鱼鳍4和锥形鱼嘴6，将筛孔鱼鳍4根部插入在鱼形整流罩 3两侧外壁的矩形插槽中，并使筛孔鱼鳍4凹面朝向鱼形整流罩3，筛孔鱼鳍4 凸面朝外，筛孔鱼鳍4的上、下端与鱼形整流罩3的上、下端面保持平齐。再将锥形鱼嘴6通过螺纹安装在鱼形整流罩3水平引流槽道5正对来流的端口。
安装完毕后，将该装置放置于海流中。鱼形整流罩3与海流的流动方向存在攻角时，在海流的冲击下，鱼形整流罩3带动转向轴承2旋转，直至鱼形整流罩 3的尾部分隔平板绕至海洋立管1的背流侧。因鱼形整流罩3的流线型剖面，海流绕过鱼形整流罩3时，边界层分离点向后迁移，延迟了尾流旋涡的形成，减小了尾流宽度。此外，海流经筛孔鱼鳍4的圆形导流孔引流，干扰了边界层的发展；而海流通过鱼形整流罩3后部的鱼刺状通孔，实现了海洋立管1两侧流体空间上的调配，干扰了尾流旋涡的形成。鱼形整流罩3尾部的分隔平板将两侧剪切层分割，避免了两侧剪切层的干涉，进一步延长了旋涡的形成长度；同时，分隔平板中部的旋转五叶轮7在海流的冲击下自由旋转，破坏了两侧剪切层的发展。另外，鱼形整流罩3前部上端面的海流通过三根弧形引流槽道5和水平引流槽道5 引流至锥形鱼嘴6处，并经锥形鱼嘴6喷出，破坏了海洋立管1的前驻点周围流场，减小了海洋立管1前后的压差。因此，在鱼形整流罩3流线型过流剖面、分隔平板分割流动空间与调整攻角、筛孔鱼鳍4圆形导流孔引流、鱼刺状通孔调配两侧流体、旋转五叶轮7旋转和锥形鱼嘴6射流的共同作用下，干扰了海洋立管1绕流边界层、剪切层的发展，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构和海洋立管1前驻点周围流场，抑制了旋涡的形成与发展，减小了流动阻力与升力，实现了无能耗的涡激振动抑制。
Claims (2)
1.一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置，由两个转向轴承(2)、一块鱼形整流罩(3)和一个旋转五叶轮(7)组成；转向轴承(2)为内嵌滚珠(23)的内外圈结构，转向轴承(2)的内径等于海洋立管(1)的外径，上、下两个转向轴承(2)按间隔一块鱼形整流罩(3)的高度安装在海洋立管(1)的外壁；转向轴承(2)由内圈(21)、保持架(22)、滚珠(23)和外圈(24)组成，内圈(21)与海洋立管(1)无滑移，内圈(21)外壁和外圈(24)内壁均开有和滚珠(23)直径相等的槽道；通过滚珠(23)在槽道中滚动，实现外圈(24)绕海洋立管(1)的自由转动；旋转五叶轮(7)由五片矩形叶片(72)和一根叶轮转轴(71)组成，五片矩形叶片(72)沿叶轮转轴(71)周向均布；其特征在于：鱼形整流罩(3)为一体化成型的纺锥状流线型结构，尾部加设分隔平板，整体类似鱼形；鱼形整流罩(3)轴向开有直径等于转向轴承(2)外圈(24)外径的通孔，通过该通孔使鱼形整流罩(3)套装在两个转向轴承(2)的外圈(24)外壁，且与外圈(24)之间无滑移；鱼形整流罩(3)迎流前缘的中部开有水平的引流槽道(5)，水平引流槽道(5)的端口安装有锥形鱼嘴(6)；水平引流槽道(5)与三根平行的弧形引流槽道(5)相通，三根弧形引流槽道(5)连通至鱼形整流罩(3)前部的上端面，将鱼形整流罩(3)前部上端面的海流引流至锥形鱼嘴(6)处，并经锥形鱼嘴(6)喷出；鱼形整流罩(3)后部沿与海洋立管(1)管轴垂直的方向开有鱼刺状通孔，使鱼形整流罩(3)两侧的海水连通；鱼形整流罩(3)尾部的分隔平板中部开有矩形窗口，窗口高度大于旋转五叶轮(7)叶片(72)的高度；在分隔平板矩形窗口的上、下两端中部开有圆柱形插孔，圆柱形插孔的直径等于叶轮转轴(71)的直径；在垂直于分隔平板的鱼形整流罩(3)最宽部位的两侧外壁开有矩形插槽，插槽高度和鱼形整流罩(3)高度一样，插槽宽度等于筛孔鱼鳍(4)根部的宽度；筛孔鱼鳍(4)通过插槽套装在鱼形整流罩(3)的两侧，筛孔鱼鳍(4)凹面朝向鱼形整流罩(3)，筛孔鱼鳍(4)凸面朝外，筛孔鱼鳍(4)上均匀开设有圆形的导流孔；所述的叶轮转轴(71)两端插入鱼形整流罩(3)分隔平板的矩形窗口中部圆柱形插孔中，旋转五叶轮(7)绕叶轮转轴(71)旋转，旋转五叶轮(7)的扫略直径小于分隔平板的矩形窗口宽度。
2.一种仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制方法，采用如权利要求1所述的仿生鱼形海洋立管绕流控制与振动抑制装置，其特征在于：鱼形整流罩(3)与海流的流动方向存在攻角时，在海流的冲击下，鱼形整流罩(3)带动转向轴承(2)旋转，直至鱼形整流罩(3)的尾部分隔平板绕至海洋立管(1)的背流侧；因鱼形整流罩(3)的流线型剖面，海流绕过鱼形整流罩(3)时，边界层分离点向后迁移，延迟了尾流旋涡的形成，减小了尾流宽度；此外，海流经筛孔鱼鳍(4)的圆形导流孔引流，干扰了边界层的发展；而海流通过鱼形整流罩(3)后部的鱼刺状通孔，实现了海洋立管(1)两侧流体空间上的调配，干扰了尾流旋涡的形成；鱼形整流罩(3)尾部的分隔平板将两侧剪切层分割，避免了两侧剪切层的干涉，进一步延长了旋涡的形成长度；同时，分隔平板中部的旋转五叶轮(7)在海流的冲击下自由旋转，破坏了两侧剪切层的发展；另外，鱼形整流罩(3)前部上端面的海流通过三根弧形引流槽道(5)和水平引流槽道(5)引流至锥形鱼嘴(6)处，并经锥形鱼嘴(6)喷出，破坏了海洋立管(1)的前驻点周围流场，减小了海洋立管(1)前后的压差；因此，在鱼形整流罩(3)流线型过流剖面、分隔平板分割流动空间与调整攻角、筛孔鱼鳍(4)圆形导流孔引流、鱼刺状通孔调配两侧流体、旋转五叶轮(7)旋转和锥形鱼嘴(6)射流的共同作用下，干扰了海洋立管(1)绕流边界层、剪切层的发展，改变了边界层分离点，破坏了尾流旋涡的三维结构和海洋立管(1)前驻点周围流场，抑制了旋涡的形成与发展，减小了流动阻力与升力，实现了无能耗的涡激振动抑制。
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