[发明专利]双向剪切流和双向阶梯剪切流下立管的涡激振动测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种横置于海洋工程深水池中柔性管件模型在双向剪切流和双向阶梯剪切流下的涡激振动旋转测试装置。

背景技术

根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流的作用下，悬置于海中的海洋平台立管、拖缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出现涡激振动现象，将会导致柔性管件的疲劳破坏。

由于海洋油气开采向深水推进，深水环境中的立管可视为细长柔性结构，小变形理论不再适用，这使得立管的涡激振动问题更加突出。目前为止，对柔性管件涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型测试方法。测试中模拟的现象更加接近于自然界中的真实情况，采用先进的测试装置可以保证测试数据的可靠性。通过模型测试的方法可以设计出更好的抑制海洋立管涡激振动的抑振装置。

经过对现有技术的检索发现，目前的涡激振动测试装置一般在拖曳海洋工程深水池中进行，有的在环形水槽中进行，有的用拖船拖动立管进行涡激振动测试。在第14届国际近海与极地工程会议“Proceedings of the Fourteen(2004)International Offshore and PolarEngineering Conference”中的论文“Laboratory Investigation of Long Riser VIVResponse”(长立管涡激振动响应的测试研究)是关于柔性管件涡激振动测试研究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型测试技术，把柔性立管横置于拖曳海洋工程深水池中，拖车拖动立管模型产生均匀流场。用布置在立管内部的加速度传感器来测量立管的运动，在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。经分析，该测试技术的不足之处在于：1.一般只能模拟小尺度管件的涡激振动，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动测试。2.受拖曳海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较小，测得的测试数据较少。3.一般只能模拟均匀流场中立管的涡激振动，不能模拟阶梯流场中立管的涡激振动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种双向剪切流和双向阶梯剪切流下立管的涡激振动测试装置，能够模拟实际尺寸立管、双向剪切或者双向阶梯剪切流场，且可以长时间置于海洋工程深水池中进行柔性立管模型的涡激振动旋转测试。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：立管模型机构、测量分析系统平台模块、驱动模块、顶部悬臂模块、圆筒轴分段模块和底部支撑模块，其中：立管模型机构的固定端悬挂固定在顶部悬臂模块下，圆筒轴分段模块垂直置于海洋工程深水池中且分别与底部支撑模块、驱动模块和顶部悬臂模块垂直连接，底部支撑模块固定设置于海洋工程深水池的升降底上，驱动模块分别与圆筒轴分段模块和顶部悬臂模块相连接并输出动力，顶部悬臂模块的左右两端分别与圆筒轴分段模块相连，测量分析系统平台模块分别与立管模型、顶部悬臂模块以及底部悬臂模块相连并接收检测数据。

所述的立管模型机构包括：立管模型、三分力传感器、滑动轴、直线轴承、缓冲弹簧、立管固定座以及两组万向节和立管固定接头，其中：立管模型的底端和顶端分别设有一组万向节和立管固定接头，第一立管固定接头的两端分别与立管模型的顶端和第一万向节的一端相连，第一万向节的另一端固定设置于固定设置于立管固定座上，第二立管固定接头的两端分别与立管模型的底端和第二万向节的一端相连，第二万向节的另一端固定设置于三分力传感器上，直线轴承与滑动轴相连，直线轴承和缓冲弹簧相连。

所述的立管模型的单位长度质量与其单位长度排开水的质量之比为1∶1。

所述的测量分析系统平台模块包括：测量单元、水下录像单元、计算单元和无线传输单元，其中：计算单元设置于海洋工程深水池的拖车机房内并与无线传输单元相连接以传输水下录像单元和测量单元输出的无线测量信号，计算单元实时地对接收到的无线测量信号进行存储和处理。