[发明专利]均匀流下顶端可运动深海立管列阵模型涡激振动试验装置

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，具体地涉及一种均匀流下顶端可运动深海立管列阵模型涡激振动试验装置。

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。深海立管常常以列阵的形式出现，各立管由于彼此接近，相互之间会有水动力干扰，导致更为复杂的涡激振动。例如在海流或海洋平台的运动的作用下，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以及海洋平台的运动对立管的涡激振动的影响的认识，并提供可靠的立管涡激振动预报途径和技术。

经过对现有技术文献的检索发现，目前的涡激振动测试装置一般只能安装单根立管。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、不能进行强迫振荡试验。5、不能模拟平台的运动，从而研究平台的运动对立管涡激振动的影响。6、只能进行单根立管模型的涡激振动试验，难以进行两根甚至多根立管列阵的涡激振动试验。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种均匀流下顶端可运动深海立管列阵模型涡激振动试验装置，本发明利用垂直轨道模块与水平轨道模块以及拖车和拖曳水池的相对运动模拟不同流速的来流，从而实现在实验室环境下模拟深海立管列阵涡激振动。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列阵模型，也可以进行深海立管列阵模型的往复振荡测试。

根据本发明的一个方面，提供一种均匀流下顶端可运动深海立管列阵模型涡激振动试验装置，其特征在于，包括多个深海立管模块、顶部支撑模块、底部支撑模块、两个垂直轨道模块、水平轨道模块、四个电机模块、四个整流罩模块和测量分析控制模块，其中，两个所述垂直轨道模块分别与所述水平轨道模块的底部、顶部支撑模块、以及底部支撑模块连接，所述水平轨道模块与两个所述垂直轨道模块的顶部连接，所述深海立管模块的两端分别与所述顶部支撑模块和所述底部支撑模块连接，四个所述整流罩模块的整流罩边板分别穿过且固定于两个所述垂直轨道模块的外部，每个所述垂直轨道模块上有两个所述整流罩模块，所述测量分析控制模块通过导线分别与所述深海立管模块、顶部支撑模块、底部支撑模块、以及四个电机模块连接，四个所述电机模块分为两组，其中的两个所述电机模块安装在所述水平轨道模块上来控制两个所述垂直轨道模块的运动，剩余的两个所述电机模块分别安装在两个所述垂直轨道模块的顶部上来控制两个所述垂直轨道模块上的所述滑块的运动，从而控制所述顶部支撑模块和底部支撑模块运动；所述深海立管模块包括光纤光栅传感器、两个立管固定接头、以及立管模型，其中，所述光纤光栅传感器沿所述立管模型表面轴向均匀布置，所述立管模型两端分别与两个所述立管固定接头连接，两个所述立管固定接头分别与所述顶部部支撑模块和所述底部支撑模块连接，所述光纤光栅传感器与所述测量分析控制模块连接，其中，所述深海立管模块的个数为两个以上，所述多个深海立管模块构成深海立管模块列阵。

这时根据顶部支撑模块、底部支撑模块以及两个垂直轨道模块的运动状态，可以将研究的问题分为以下几类：