CN114112305A - 一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法，装置由立管模型、上游管段倾角调节系统、张紧力测试模块、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成。通过调节球形接头升降杆改变立管模型上游管段下倾角，调节循环水槽水泵泵频、出水闸门开度改变循环水槽内水位高度及外流流速，调节液路阀门、气路阀门开度改变气液流速及气液比。通过声学多普勒测速仪、压力传感器、高速摄像机、粒子成像测速相机综合得到流速、压力、气液两相流流型、位移和尾流场信息，揭示内外流夹击的柔性立管流固耦合效应机理。
Description
技术领域
本发明属于海洋柔性立管流固耦合振动响应实验测试技术领域，具体涉及一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法。
背景技术
我国的海洋油气资源约占世界海洋油气资源总量的25％～30％，大力发展海洋油气工业，提升海洋油气勘探开发力度，既是贯彻落实中央关于加大国内油气勘探开发力度，也是保障国家能源安全的具体举措和必然要求。随着深水油气田开发力度的加大和开采水深的增加，柔性立管以其适应更大的浮体运动、适用于恶劣的海况环境、能够承受较大变形及张力等特点在海洋油气开采中得到广泛使用。柔性立管服役时受外部洋流和管内油气多相流的协同作用而激发出流致振动响应，而立管的振动同时又会反过来影响洋流流动和管内油气的输送，这种流固耦合振动易引发管道过度拉伸、弯曲变形等疲劳损伤问题，减少了立管结构的服役寿命，威胁管道的运行安全。因此，内外流夹击下的柔性立管流固耦合振动响应研究一直是海洋工程技术人员关注的热点。目前，关于柔性立管流固耦合振动的相关研究较少，更鲜有涉及立管上游管段变倾角的实验测试研究。所以亟需设计一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法来探究柔性立管流固耦合振动响应规律及内外流交互作用机理。
发明内容
为解决背景技术所提出的问题，本发明提出一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置及方法。
为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：
一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置由立管模型、上游管段倾角调节系统、张紧力测试模块、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成，装置主体布置于循环水槽中。立管模型为外壁面沿轴向均匀标记有黑色标记点的透明软管，用于模拟柔性立管。立管模型垂直于循环水槽底壁的中部轴线布置，立管模型顶部固定连接于顶张力固定装置底部，立管模型底部固定连接于循环水槽底壁上的球形接头。
上游管段倾角调节系统包括球形接头、刚性管、球形接头升降杆、升降杆固定装置和滑动桁架。刚性管与来流方向平行布置，刚性管的出口端通过固定在循环水槽底壁上的球形接头与立管模型连通，刚性管的入口端穿过连接在球形接头升降杆上的球形接头。球形接头升降杆通过升降杆固定装置连接于滑动桁架，且升降杆固定装置为球形接头升降杆提供支撑。球形接头升降杆表面刻有标尺，根据实验方案调节球形接头升降杆在竖直方向上的高度以调整球形接头与循环水槽底壁的距离，从而实现立管模型上游刚性管下倾角的调节。
张紧力测试模块由顶张力固定装置、牵引钢丝、张力传感器、预张力设置器、支撑立板、滑动桁架、空气滑块和空气滑轨组成。垂直拉伸的牵引钢丝一端与顶张力固定装置顶部相连，牵引钢丝的另一端穿过张力传感器后与固定在支撑立板上的预张力设置器相连。支撑立板与空气滑轨固定连接于滑动桁架。空气滑块一侧与顶张力固定装置固定连接，空气滑块的另一侧套装在空气滑轨上沿空气滑轨无摩擦地上下滑动，实现顶张力固定装置随立管模型的张力变化而在竖直方向上作微小运动。通过调节预张力设置器给立管模型预设张紧力，通过连接在牵引钢丝上的张力传感器实时监测立管模型的轴向张紧力，并将数据传递给数据采集终端。
内流循环系统由供液系统、供气系统、T形三通、直通、跨接管、弯头、柔性管及内流供给支撑系统组成。供液系统由水箱、潜水泵、液路阀门和液体流量计组成。水箱内水位高于潜水泵顶部，水经潜水泵泵入管道，依次经液路阀门调节和液体流量计监测流量后流入T形三通。供气系统由气泵、缓冲罐、气路阀门和气体流量计组成。空气经气泵泵入缓冲罐稳压，稳压后的空气通过气路阀门调节流量，并经气体流量计计量后进入T形三通。水和空气在T形三通处汇合后进入跨接管。气液两相流沿跨接管流动，在进入立管模型上游管段前通过直通转接入柔性管，气液两相流在柔性管内沿循环水槽边壁向下流至循环水槽底壁，柔性管底部通过弯头连接刚性管。内流供给支撑系统由内流供给支撑台和伸缩支撑杆组成。内流供给支撑台布置于循环水槽一侧，在内流供给支撑台上布置供液系统及供气系统。伸缩支撑杆位于跨接管下方连接内流供给支撑台及循环水槽边壁。调节球形接头升降杆时柔性管下游刚性管跟随球形接头一起升高，拉伸伸缩支撑杆使柔性管、内流供给支撑台、供液系统和供气系统一起向外推出，使沿循环水槽边壁布置的柔性管沿循环水槽顶端平面向循环水槽外移动，避免柔性管过度拉伸或折叠，减少对内部气液两相流流动细节和压力的影响。气液两相流流过上游管段及立管模型后经顶张力固定装置流出，再通过管道接至水箱上方，空气从管道出口排入大气，液体则回落至水箱，从而构成内流循环回路。
流场监测系统由声学多普勒测速仪、声学多普勒测速仪升降杆、压力传感器、激光发射器和粒子成像测速相机组成。声学多普勒测速仪布置于上游管段倾角调节系统上游，通过声学多普勒测速仪升降杆实现对声学多普勒测速仪在竖直方向上的高度调节，测量立管模型所在平面的外流垂向流速剖面。压力传感器分别布置于T形三通出口、立管模型的入口和出口，用于监测管内沿程压降和不同气液流速下立管模型内部的压力波动。激光发射器布置于循环水槽侧壁外，通过调节三脚架使激光发射器在立管模型的不同高度位置发射出平行于循环水槽底壁的激光平面，照亮该平面内的示踪粒子。粒子成像测速相机布置于循环水槽下方，且粒子成像测速相机镜头正对激光平面，通过捕捉激光平面内示踪粒子的运动得到不同高度位置立管模型尾部的流场信息。
振动监测系统由正视高速摄像机、俯视高速摄像机、平面镜和折叠支撑杆组成。两台高速摄像机通过捕捉均匀分布在立管模型外壁的黑色标记点位移得到立管模型的振动位移。正视高速摄像机正对立管模型布置于循环水槽侧壁外，用于监测立管模型流向的振动位移。此外，正视高速摄像机同时监测立管模型及上游管段内部的气液两相流流动细节。俯视高速摄像机布置于循环水槽下方，通过支撑于循环水槽底部的折叠支撑杆调节平面镜的角度，使俯视高速摄像机镜头能通过平面镜完整捕捉立管模型，从而实现立管模型横向振动位移的监测。
所述的声学多普勒测速仪、压力传感器、粒子成像测速相机、正视高速摄像机、俯视高速摄像机均接入数据采集终端，由数据采集终端同步触发监测，压力传感器、正视高速摄像机和俯视高速摄像机的同步监测使压力波动、气液两相流流动和立管模型振动数据同步，得到立管模型在内外流夹击下的流固耦合三维振动响应结果，同时得到内外流流场信息以揭示流固耦合响应机理。
利用所述的内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置提供一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试方法。启动循环水槽水泵，调节水泵泵频及循环水槽出水闸门开度以控制循环水槽中的来流流速和水位高度，通过声学多普勒测速仪测量上游来流速度剖面。同时打开内流循环系统的潜水泵和气泵，调节液路阀门和气路阀门以控制气液流量，记录液体流量计和气体流量计示数，达到测试所需的气液比及流量要求。立管模型在外部来流和内部气液两相流的共同作用下激发出流固耦合响应。通过压力传感器监测沿程压降和立管模型内部气液两相流的压力变化，通过正视高速摄像机同步监测立管模型流向振动位移和立管模型及上游管段内部气液两相流的流型演变及流动细节，并由俯视高速摄像机监测立管模型横向振动位移。在立管模型不同高度位置重复启动激光发射器，通过粒子成像测速相机捕捉不同高度位置立管模型尾部的流场信息。通过球形接头升降杆调节立管模型上游管段倾角，实现上游变下倾角的直立立管内外流耦合振动响应的研究。将数据采集终端得到的流速数据、压力数据、位移数据和尾流场信息进行处理，分析得到内外流夹击的柔性立管流固耦合效应规律。保持循环水槽来流流速和水位高度不变，调节液路阀门和气路阀门开度，测试不同内部气液流速及气液比对立管模型振动的影响。在此基础上，调节球形接头升降杆，改变立管模型上游管段与循环水槽底壁的倾角，分析不同下倾角下立管模型及上游管段内部气液两相流动流型及其演变规律。保持内流流速和循环水槽内水位高度不变，调节循环水槽来流流速和出水闸门开度，测试不同外部来流流速对立管模型振动的影响。调节预张力设置器给立管模型预设张紧力，测试不同顶张力对立管模型流固耦合效应的影响。因此，利用所述的内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置可以开展变外流流速、变内流气液比及流速、变上游管段下倾角、变立管模型顶张力的多工况内外流夹击下柔性立管流固耦合效应测试。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1.本发明装置立管模型上游管段与循环水槽底壁的倾角可通过球形接头升降杆进行调节，实现不同下倾角下立管模型及上游管段内部气液两相流流动特征的实验测试；
2.本发明装置的俯视高速摄像机可在平面镜成像下实现完整捕捉立管模型横向振动位移，提高实验效率；
3.本发明装置可同步监测立管模型流向、横向振动位移，得到立管模型的三维振动特性；
4.本发明装置的压力传感器和高速摄像机同步触发将管内气液两相流流动细节、压力波动和立管模型振动从时间上一一对应，为流固耦合分析提供了保障；
5.本发明装置同时监测了外流流速剖面、外部尾流流场、内部压力波动、内部气液两相流流型、立管模型振动等参数，实验数据丰富，能用于揭示内外流夹击的柔性立管流固耦合效应机理。
附图说明
图1为本发明装置整体结构布置图；
图2为本发明装置立管模型及上游管段倾角调节系统示意图；
图3为本发明装置张紧力测试模块示意图；
图4为本发明装置内流循环系统布置示意图；
图5为本发明装置流场监测系统示意图；
图6为本发明装置振动监测系统示意图。
其中：1、立管模型；2、黑色标记点；3、球形接头；4、压力传感器；5、刚性管；6、弯头；7、柔性管；8、声学多普勒测速仪；9、循环水槽；10、滑动桁架；11、升降杆固定装置；12、声学多普勒测速仪升降杆；13、球形接头升降杆；14、直通；15、T形三通；16、液体流量计；17、气体流量计；18、液路阀门；19、气路阀门；20、缓冲罐；21、气泵；22、潜水泵；23、水箱；24、正视高速摄像机；25、俯视高速摄像机；26、三脚架；27、激光发射器；28、粒子成像测速相机；29、平面镜；30、折叠支撑杆；31、顶张力固定装置；32、牵引钢丝；33、张力传感器；34、预张力设置器；35、支撑立板；36、空气滑块；37、空气滑轨；38、伸缩支撑杆；39、内流供给支撑台；40、跨接管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
如图1所示，一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置由立管模型1、上游管段倾角调节系统、张紧力测试模块、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成，装置主体布置于循环水槽9中。立管模型1为外壁面沿轴向均匀标记有黑色标记点2的透明软管，用于模拟柔性立管。立管模型1垂直于循环水槽9底壁的中部轴线布置，立管模型1顶部固定连接于顶张力固定装置31底部，立管模型1底部固定连接于循环水槽9底壁上的球形接头3。
如图2所示，上游管段倾角调节系统包括球形接头3、刚性管5、球形接头升降杆13、升降杆固定装置11和滑动桁架10。刚性管5与来流方向平行布置，刚性管5的出口端通过固定在循环水槽9底壁上的球形接头3与立管模型1连通，刚性管5的入口端穿过连接在球形接头升降杆13上的球形接头3。球形接头升降杆13通过升降杆固定装置11连接于滑动桁架10，且升降杆固定装置11为球形接头升降杆13提供支撑。球形接头升降杆13表面刻有标尺，根据实验方案调节球形接头升降杆13在竖直方向上的高度以调整球形接头3与循环水槽9底壁的距离，从而实现立管模型1上游刚性管5下倾角的调节。
如图3所示，张紧力测试模块由顶张力固定装置31、牵引钢丝32、张力传感器33、预张力设置器34、支撑立板35、滑动桁架10、空气滑块36和空气滑轨37组成。垂直拉伸的牵引钢丝32一端与顶张力固定装置31顶部相连，牵引钢丝32的另一端穿过张力传感器33后与固定在支撑立板35上的预张力设置器34相连。支撑立板35与空气滑轨37固定连接于滑动桁架10。空气滑块36一侧与顶张力固定装置31固定连接，空气滑块36的另一侧套装在空气滑轨37上沿空气滑轨37无摩擦地上下滑动，实现顶张力固定装置31随立管模型1的张力变化而在竖直方向上作微小运动。通过调节预张力设置器34给立管模型1预设张紧力，通过连接在牵引钢丝32上的张力传感器33实时监测立管模型1的轴向张紧力，并将数据传递给数据采集终端。
如图4所示，内流循环系统由供液系统、供气系统、T形三通15、直通14、跨接管40、弯头6、柔性管7及内流供给支撑系统组成。供液系统由水箱23、潜水泵22、液路阀门18和液体流量计16组成。水箱23内水位高于潜水泵22顶部，水经潜水泵22泵入管道，依次经液路阀门18调节和液体流量计16监测流量后流入T形三通15。供气系统由气泵21、缓冲罐20、气路阀门19和气体流量计17组成。空气经气泵21泵入缓冲罐20稳压，稳压后的空气通过气路阀门19调节流量，并经气体流量计17计量后进入T形三通15。水和空气在T形三通15处汇合后进入跨接管40。气液两相流沿跨接管40流动，在进入立管模型1上游管段前通过直通14转接入柔性管7，气液两相流在柔性管7内沿循环水槽9边壁向下流至循环水槽9底壁，柔性管7底部通过弯头6连接刚性管5。内流供给支撑系统由内流供给支撑台39和伸缩支撑杆38组成。内流供给支撑台39布置于循环水槽9一侧，在内流供给支撑台39上布置供液系统及供气系统。伸缩支撑杆38位于跨接管40下方连接内流供给支撑台39及循环水槽9边壁。调节球形接头升降杆13时柔性管7下游刚性管5跟随球形接头3一起升高，拉伸伸缩支撑杆38使柔性管7、内流供给支撑台39、供液系统和供气系统一起向外推出，使沿循环水槽9边壁布置的柔性管7沿循环水槽9顶端平面向循环水槽9外移动，避免柔性管7过度拉伸或折叠，减少对内部气液两相流流动细节和压力的影响。气液两相流流过上游管段及立管模型1后经顶张力固定装置31流出，再通过管道接至水箱23上方，空气从管道出口排入大气，液体则回落至水箱23，从而构成内流循环回路。
如图1、图5所示，流场监测系统由声学多普勒测速仪8、声学多普勒测速仪升降杆12、压力传感器4、激光发射器27和粒子成像测速相机28组成。声学多普勒测速仪8布置于上游管段倾角调节系统上游，通过声学多普勒测速仪升降杆12实现对声学多普勒测速仪8在竖直方向上的高度调节，测量立管模型1所在平面的外流垂向流速剖面。压力传感器4分别布置于T形三通15出口、立管模型1的入口和出口，用于监测管内沿程压降和不同气液流速下立管模型1内部的压力波动。激光发射器27布置于循环水槽9侧壁外，通过调节三脚架26使激光发射器27在立管模型1的不同高度位置发射出平行于循环水槽9底壁的激光平面，照亮该平面内的示踪粒子。粒子成像测速相机28布置于循环水槽9下方，且粒子成像测速相机28镜头正对激光平面，通过捕捉激光平面内示踪粒子的运动得到不同高度位置立管模型1尾部的流场信息。
如图1、图6所示，振动监测系统由正视高速摄像机24、俯视高速摄像机25、平面镜29和折叠支撑杆30组成。两台高速摄像机通过捕捉均匀分布在立管模型1外壁的黑色标记点2位移得到立管模型1的振动位移。正视高速摄像机24正对立管模型1布置于循环水槽9侧壁外，用于监测立管模型1流向的振动位移。此外，正视高速摄像机24同时监测立管模型1及上游管段内部的气液两相流流动细节。俯视高速摄像机25布置于循环水槽9下方，通过支撑于循环水槽9底部的折叠支撑杆30调节平面镜29的角度，使俯视高速摄像机25镜头能通过平面镜29完整捕捉立管模型1，从而实现立管模型1横向振动位移的监测。
所述的声学多普勒测速仪8、压力传感器4、粒子成像测速相机28、正视高速摄像机24、俯视高速摄像机25均接入数据采集终端，由数据采集终端同步触发监测，压力传感器4、正视高速摄像机24和俯视高速摄像机25的同步监测使压力波动、气液两相流流动和立管模型1振动数据同步，得到立管模型1在内外流夹击下的流固耦合三维振动响应结果，同时得到内外流流场信息以揭示流固耦合响应机理。
利用所述的内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置提供一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试方法。启动循环水槽9水泵，调节水泵泵频及循环水槽9出水闸门开度以控制循环水槽9中的来流流速和水位高度，通过声学多普勒测速仪8测量上游来流速度剖面。同时打开内流循环系统的潜水泵22和气泵21，调节液路阀门18和气路阀门19以控制气液流量，记录液体流量计16和气体流量计17示数，达到测试所需的气液比及流量要求。立管模型1在外部来流和内部气液两相流的共同作用下激发出流固耦合响应。通过压力传感器4监测沿程压降和立管模型1内部气液两相流的压力变化，通过正视高速摄像机24同步监测立管模型1流向振动位移和立管模型1及上游管段内部气液两相流的流型演变及流动细节，并由俯视高速摄像机25监测立管模型1横向振动位移。在立管模型1不同高度位置重复启动激光发射器27，通过粒子成像测速相机28捕捉不同高度位置立管模型1尾部的流场信息。通过球形接头升降杆13调节立管模型1上游管段倾角，实现上游变下倾角的直立立管内外流耦合振动响应的研究。将数据采集终端得到的流速数据、压力数据、位移数据和尾流场信息进行处理，分析得到内外流夹击的柔性立管流固耦合效应规律。保持循环水槽9来流流速和水位高度不变，调节液路阀门18和气路阀门19开度，测试不同内部气液流速及气液比对立管模型1振动的影响。在此基础上，调节球形接头升降杆13，改变立管模型1上游管段与循环水槽9底壁的倾角，分析不同下倾角下立管模型1及上游管段内部气液两相流动流型及其演变规律。保持内流流速和循环水槽9内水位高度不变，调节循环水槽9来流流速和出水闸门开度，测试不同外部来流流速对立管模型1振动的影响。调节预张力设置器34给立管模型1预设张紧力，测试不同顶张力对立管模型1流固耦合效应的影响。因此，利用所述的内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置可以开展变外流流速、变内流气液比及流速、变上游管段下倾角、变立管模型1顶张力的多工况内外流夹击下柔性立管流固耦合效应测试。
Claims (2)
1.一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置，由立管模型(1)、上游管段倾角调节系统、张紧力测试模块、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成；装置主体布置于循环水槽(9)中，立管模型(1)为外壁面沿轴向均匀标记有黑色标记点(2)的透明软管，用于模拟柔性立管，立管模型(1)垂直于循环水槽(9)底壁的中部轴线布置，立管模型(1)顶部固定连接于顶张力固定装置(31)底部，立管模型(1)底部固定连接于循环水槽(9)底壁上的球形接头(3)；上游管段倾角调节系统包括球形接头(3)、刚性管(5)、球形接头升降杆(13)、升降杆固定装置(11)和滑动桁架(10)，刚性管(5)与来流方向平行布置，刚性管(5)的出口端通过固定在循环水槽(9)底壁上的球形接头(3)与立管模型(1)连通，刚性管(5)的入口端穿过连接在球形接头升降杆(13)上的球形接头(3)，球形接头升降杆(13)通过升降杆固定装置(11)连接于滑动桁架(10)，且升降杆固定装置(11)为球形接头升降杆(13)提供支撑，球形接头升降杆(13)表面刻有标尺；张紧力测试模块由顶张力固定装置(31)、牵引钢丝(32)、张力传感器(33)、预张力设置器(34)、支撑立板(35)、滑动桁架(10)、空气滑块(36)和空气滑轨(37)组成，垂直拉伸的牵引钢丝(32)一端与顶张力固定装置(31)顶部相连，牵引钢丝(32)的另一端穿过张力传感器(33)后与固定在支撑立板(35)上的预张力设置器(34)相连，支撑立板(35)与空气滑轨(37)固定连接于滑动桁架(10)，空气滑块(36)一侧与顶张力固定装置(31)固定连接，空气滑块(36)的另一侧套装在空气滑轨(37)上沿空气滑轨(37)无摩擦地上下滑动，实现顶张力固定装置(31)随立管模型(1)的张力变化而在竖直方向上作微小运动，通过调节预张力设置器(34)给立管模型(1)预设张紧力，通过连接在牵引钢丝(32)上的张力传感器(33)实时监测立管模型(1)的轴向张紧力，并将数据传递给数据采集终端；内流循环系统由供液系统、供气系统、T形三通(15)、直通(14)、跨接管(40)、弯头(6)、柔性管(7)及内流供给支撑系统组成，供液系统由水箱(23)、潜水泵(22)、液路阀门(18)和液体流量计(16)组成，水箱(23)内水位高于潜水泵(22)顶部，水经潜水泵(22)泵入管道，依次经液路阀门(18)调节和液体流量计(16)监测流量后流入T形三通(15)，供气系统由气泵(21)、缓冲罐(20)、气路阀门(19)和气体流量计(17)组成，空气经气泵(21)泵入缓冲罐(20)稳压，稳压后的空气通过气路阀门(19)调节流量，并经气体流量计(17)计量后进入T形三通(15)，水和空气在T形三通(15)处汇合后进入跨接管(40)，气液两相流沿跨接管(40)流动，在进入立管模型(1)上游管段前通过直通(14)转接入柔性管(7)，气液两相流在柔性管(7)内沿循环水槽(9)边壁向下流至循环水槽(9)底壁，柔性管(7)底部通过弯头(6)连接刚性管(5)，内流供给支撑系统由内流供给支撑台(39)和伸缩支撑杆(38)组成，内流供给支撑台(39)布置于循环水槽(9)一侧，在内流供给支撑台(39)上布置供液系统及供气系统，伸缩支撑杆(38)位于跨接管(40)下方连接内流供给支撑台(39)及循环水槽(9)边壁，气液两相流流过上游管段及立管模型(1)后经顶张力固定装置(31)流出，再通过管道接至水箱(23)上方，使空气从管道出口排入大气，液体则回落至水箱(23)，从而构成内流循环回路；流场监测系统由声学多普勒测速仪(8)、声学多普勒测速仪升降杆(12)、压力传感器(4)、激光发射器(27)和粒子成像测速相机(28)组成，声学多普勒测速仪(8)布置于上游管段倾角调节系统上游，通过声学多普勒测速仪升降杆(12)实现对声学多普勒测速仪(8)在竖直方向上的高度调节，测量立管模型(1)所在平面的外流垂向流速剖面，压力传感器(4)分别布置于T形三通(15)出口、立管模型(1)的入口和出口，用于监测管内沿程压降和不同气液流速下立管模型(1)内部的压力波动，激光发射器(27)布置于循环水槽(9)侧壁外，通过调节三脚架(26)使激光发射器(27)在立管模型(1)的不同高度位置发射出平行于循环水槽(9)底壁的激光平面，照亮该平面内的示踪粒子，粒子成像测速相机(28)布置于循环水槽(9)下方，且粒子成像测速相机(28)镜头正对激光平面，通过捕捉激光平面内示踪粒子的运动得到不同高度位置立管模型(1)尾部的流场信息；振动监测系统由正视高速摄像机(24)、俯视高速摄像机(25)、平面镜(29)和折叠支撑杆(30)组成，两台高速摄像机通过捕捉均匀分布在立管模型(1)外壁的黑色标记点(2)位移得到立管模型(1)的振动位移，正视高速摄像机(24)正对立管模型(1)布置于循环水槽(9)侧壁外，用于监测立管模型(1)流向的振动位移，此外，正视高速摄像机(24)同时监测立管模型(1)及上游管段内部的气液两相流流动细节，俯视高速摄像机(25)布置于循环水槽(9)下方；其特征在于：调节球形接头升降杆(13)在竖直方向上的高度以调整球形接头(3)与循环水槽(9)底壁的距离，从而实现立管模型(1)上游刚性管(5)下倾角的调节；调节球形接头升降杆(13)时柔性管(7)下游刚性管(5)跟随球形接头(3)一起升高，拉伸伸缩支撑杆(38)使柔性管(7)、内流供给支撑台(39)、供液系统和供气系统一起向外推出，使沿循环水槽(9)边壁布置的柔性管(7)沿循环水槽(9)顶端平面向循环水槽(9)外移动，避免柔性管(7)过度拉伸或折叠，减少对内部气液两相流流动细节和压力的影响；通过支撑于循环水槽(9)底部的折叠支撑杆(30)调节平面镜(29)的角度，使俯视高速摄像机(25)镜头能通过平面镜(29)完整捕捉立管模型(1)，从而实现立管模型(1)横向振动位移的监测；声学多普勒测速仪(8)、压力传感器(4)、粒子成像测速相机(28)、正视高速摄像机(24)、俯视高速摄像机(25)均接入数据采集终端，由数据采集终端同步触发监测，压力传感器(4)、正视高速摄像机(24)和俯视高速摄像机(25)的同步监测使压力波动、气液两相流流动和立管模型(1)振动数据同步，得到立管模型(1)在内外流夹击下的流固耦合三维振动响应结果，同时得到内外流流场信息，以揭示流固耦合响应机理。
2.一种内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试方法，采用如权利要求1所述的内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置，启动循环水槽(9)水泵，调节水泵泵频及循环水槽(9)出水闸门开度以控制循环水槽(9)中的来流流速和水位高度，通过声学多普勒测速仪(8)测量上游来流速度剖面，同时打开内流循环系统的潜水泵(22)和气泵(21)，调节液路阀门(18)和气路阀门(19)以控制气液流量，记录液体流量计(16)和气体流量计(17)示数，达到测试所需的气液比及流量要求，立管模型(1)在外部来流和内部气液两相流的共同作用下激发出流固耦合响应；其特征在于：通过压力传感器(4)监测沿程压降和立管模型(1)内部气液两相流的压力变化，通过正视高速摄像机(24)同步监测立管模型(1)流向振动位移和立管模型(1)及上游管段内部气液两相流的流型演变及流动细节，并由俯视高速摄像机(25)监测立管模型(1)横向振动位移，在立管模型(1)不同高度位置重复启动激光发射器(27)，通过粒子成像测速相机(28)捕捉不同高度位置立管模型(1)尾部的流场信息，通过球形接头升降杆(13)调节立管模型(1)上游管段倾角，实现上游变下倾角的直立立管内外流耦合振动响应的研究，将数据采集终端得到的流速数据、压力数据、位移数据和尾流场信息进行处理，分析得到内外流夹击的柔性立管流固耦合效应规律；保持循环水槽(9)来流流速和水位高度不变，调节液路阀门(18)和气路阀门(19)开度，测试不同内部气液流速及气液比对立管模型(1)振动的影响，在此基础上，调节球形接头升降杆(13)，改变立管模型(1)上游管段与循环水槽(9)底壁的倾角，分析不同下倾角下立管模型(1)及上游管段内部气液两相流动流型及其演变规律；保持内流流速和循环水槽(9)内水位高度不变，调节循环水槽(9)来流流速和出水闸门开度，测试不同外部来流流速对立管模型(1)振动的影响；调节预张力设置器(34)给立管模型(1)预设张紧力，测试不同顶张力对立管模型(1)流固耦合效应的影响；利用所述的内外流夹击的柔性立管流固耦合效应测试装置开展变外流流速、变内流气液比及流速、变上游管段下倾角、变立管模型(1)顶张力的多工况内外流夹击下柔性立管流固耦合效应测试。
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