[发明专利]可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于研究结构在流场中振动的试验装置，具体涉及一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置。

背景技术

涡激振动是圆柱体在流场中的一种特殊振动形式，是圆柱体尾流处的涡旋脱落引起的振动。关于涡激振动的研究已有60多年的历史，但近年来，由于海洋深水油气开发而出现的立管涡激振动问题又掀起了新一轮的圆柱体涡激振动研究热潮。

研究发现，用传统的涡激振动理论不能很好地解释深水立管特殊的涡激振动现象，如振动幅度大。传统的涡激振动理论认为，涡激振动的振幅A与圆柱体直径D的比值为A/D＝0.1～0.15，而深水立管的涡激振动幅值A与直径D的比值大于1。

深水立管涡激振动的第二个特点是顺流向(与水的流动速度方向平行)振幅与横向(与水的流动速度方向垂直)振幅为同一数量级，其比值随水的流速变化而变化，申请人的研究结果表明，在非锁定区(锁定区是指涡旋泄放频率与圆柱体的频率相等)幅值比约等于1，在锁定区约等于1/3，但传统的涡激振动理论认为，顺流向振幅远远小于横向振幅，因此，传统涡激振动理论不包括顺流向振动。

深水立管涡激振动的第三个特点是顺流向振动频率与横向振动频率的比值随流场的流速变化而变化，申请人的研究结果表明，在非锁定区频率比为1，而在锁定区为2，而传统涡激振动理论认为频率比不随流速的变化而变化，在所有区段都是2。

产生上述差别的原因是传统涡激振动试验装置的局限性造成的，传统的涡激振动试验装置有：

1)两端固定支撑的刚性圆柱体试验装置

该试验装置的圆柱体既不能产生整体的刚体振动，也不能产生侧向弯曲振动，因此，不能产生流固耦合作用，从而不能进行涡激振动试验，只能进行没有流固耦合作用的涡旋泄放试验，与深水立管的涡激振动不符。

2)单向弹性支撑的刚性圆柱体试验装置

该试验装置只能产生具有弹性支撑方向的刚体振动，不能产生两个方向的振动，因此，不能进行两个方向的涡激振动试验，不能研究两个方向振动的耦合作用的相互影响，不能揭示两自由度流固耦合现象。

3)双向弹性支撑的刚性圆柱体试验装置

该试验装置能够产生两个方向的刚体振动，但不能独立地约束一个方向的振动而只产生另一个方向的振动。因此，不能研究一个方向振动对另一个方向涡激振动的影响，也不能研究一个方向的流固耦合作用对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。此外，该装置的另一个缺点是，一个方向的弹性支撑对于另一个方向的弹性支撑产生非线性的支撑反力，使得两个方向的回复力都是非线性的，因此，试验装置的振动系统是具有非线性刚度的振动系统，只能进行小振幅涡激振动试验。

4)两端固定支撑的弹性圆柱体试验装置

该试验装置能够产生两个方向的振动，但是不能独立地约束一个方向的振动而只产生另一个方向的振动。因此，不能研究一个方向振动对另一个方向涡激振动的影响，也不能研究一个方向的流固耦合作用对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。此外，该装置的另一个缺点是，由于模型试验的水是天然的水，其密度和黏度是不能改变的，因此，如果圆柱体的直径太小，则圆柱体的尾流形态和涡旋脱落方式都将与原型结构不相似，从而使试验毫无意义。所以试验模型的最小直径应保证涡旋的正常形成和脱落，而试验模型的长度又受到试验水池的限制，所以，试验模型的弯曲刚度不能合理地模拟深水立管的刚度(深水立管的长度L与直径D的比值比较大，通常大于2000，因此，弯曲刚度较小。)，导致模型试验不能产生大变形的弯曲振动，从而不能揭示深水立管涡激振动的大位移流固耦合特征。

综上所述，现有技术的主要缺陷在于：

a)不能进行独立控制单向振动的涡激振动试验，因此，不能用于弹性圆柱体顺流向(横向)振动对横向(顺流向)涡激振动影响的试验研究，不能揭示弹性圆柱体顺流向(横向)流固耦合对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力影响的本质特征，不能揭示顺流向和横向耦合振动的流固耦合特征及其对涡激振动的影响。

b)不能模拟深水立管大位移涡激振动的流固耦合特征，大位移意味着几何非线性，线性小位移假定不再适用，因此，传统涡激振动试验装置不适用于具有强几何非线性的深水立管涡激振动研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种能够独立控制顺流向或横向振动，更适于对流场中圆柱体进行涡激振动研究的试验装置。