[发明专利]阶梯流下受预张力的深海立管模型涡激振动模拟试验装置

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，具体是一种阶梯流下受预张力的深海立管模型涡激振动模拟试验装置。

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。

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试验方法。通过模型试验方法可以加深对柔性立管涡激振动机理的认识，并提供可靠的立管涡激振动预报途径和技术。为了使试验中模拟的现象更加接近于自然界中的真实情况，除了采用先进的试验装置，试验中模拟的环境也必须和自然界接近。在实际海洋中，整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的。例如墨西哥湾2000m水深的海域，一般表层300m内的平均流速是300m-800m水深范围内平均流速的4到5倍，是800m以下平均流速的20倍以上。由此可见，海洋中整个深度范围内的流速截面应该更接近于阶梯状的流场。

经过对现有技术文献的检索发现，目前的涡激振动试验装置一般只能在均匀流或剪切流环境下使用。在第14届国际近海与极地工程会议“Proceedings of the Fourteen(2004)International Offshore and Polar Engineering Conference”中的论文“Laboratory Investigation of Long Riser VIV Response”(长立管涡激振动响应的实验研究)是关于柔性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型试验技术，把柔性立管横置于拖曳水池中，拖车拖动深海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，该试验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，尺度效应难以避免；2、受海洋工程水池拖车速度限制，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动试验。3、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，测得的试验数据较少。4、一般只能模拟均匀流的涡激振动，难以进行阶梯流下的涡激振动试验。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种阶梯流下受预张力的深海立管模型涡激振动模拟试验装置，本发明利用拖车和拖曳水池的相对运动模拟不同流速的来流，加上套筒模块的局部阻流作用，实现阶梯流的模拟，且能够对深海立管模型两端施加预张力，从而实现在实验室环境下模拟深海立管涡激振动，本发明测试时间长且能够测试流速高的横置于拖曳水池中的深海立管模型。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：深海立管模块、第一端部支撑模块、第二端部支撑模块、第一固定柱模块、第二固定柱模块、加力模块、两个整流罩模块、两个压浪板模块、套筒模块和测量分析控制模块，其中：加力模块设置于第二固定柱模块内部且与第二端部支撑模块连接，第二固定柱模块分别与拖车一侧的底部和第二端部支撑模块连接，第一固定柱模块分别与拖车另一侧的底部和第一端部支撑模块连接，深海立管模块两端分别与第二端部支撑模块和第一端部支撑模块连接，两个整流罩模块的整流罩边板分别固定于第一固定柱模块的下部外表面和第二固定柱模块的加力端固定柱下分段的外表面，两个压浪板模块分别穿过且固定于第一固定柱模块和第二固定柱模块外部，测量分析控制模块设置于拖车上，测量分析控制模块分别与深海立管模块、第一端部支撑模块、第二端部支撑模块和加力模块连接，套筒模块套在深海立管模块外部且与拖车连接。

所述的深海立管模块包括：光纤光栅传感器、两个立管固定接头和深海立管模型，其中：光纤光栅传感器沿深海立管模型表面轴向均匀布置，深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与第二端部支撑模块和第一端部支撑模块连接，光纤光栅传感器与测量分析控制模块连接。深海立管模块用来模拟实际海洋中的立管。