[发明专利]一种深水立管尾流振动试验方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及深水立管尾流振动问题的研究方法，尤其涉及一种深水立管尾流振动的试验方法。

[背景技术]

深水立管通常是多根立管沿两个相互垂直的方向等间距排列的，每排立管至少有两根，多则三至四根。因此，当海流的流动方向与两根以上的立管排列方向平行时，就形成了上下游的排列方式，迎着来流方向的第一根立管称为上游立管，其他则为下游立管，行业内称其为串列立管。现场观测和实验室实验均发现，下游立管在上游立管尾流和自身涡激升力的作用，横向振动远远大于上游立管或单根立管的横向振动，因为，上游立管或单根立管仅仅受到自身涡激升力的作用。由于下游立管的涡旋泄放与上游立管的尾流涡街是耦合在一起的，因此，尾流振动和涡激振动也是耦合在一起的，两个振动之间存在相位差，并不等于尾流振动与涡激振动的直接叠加。如果采用现有的涡激振动试验方法，则无法将尾流振动和涡激振动分离开来，因此，无法研究尾流振动的性质及其与涡激振动的耦合机理。

涡激振动是圆柱体尾流场的涡旋泄放诱发的一种振动形式，传统的涡激振动只研究一个圆柱体的涡激振动问题。由于深水油气开发工程出现了多根立管沿两个垂直方向排列的结构形式，因此，当流速与立管的排列方向平行时，迎着来流方向的第一根立管以外的立管均处于其上游立管的尾流场中，可称其为尾流立管。现场观测和实验室实验均发现，尾流立管的横向振动远远大于上游立管或单根立管在同样流速条件下的横向振动。分析认为，这是由于尾流立管不仅受到自身涡旋泄放造成的涡激升力，而且受到上游立管尾流场涡街造成的横向力作用。由于涡旋泄放具有自身的规律，与流速和圆柱体的振动性质有关，因此，上游立管尾流发放的涡运动到尾流立管时的形态与两立管之间的距离有关。而下游立管的涡旋形成和发放不仅与流速和尾流立管振动形态有关，还与上游立管的尾流涡运动形态有关，这使问题变得复杂。此外，传统涡激振动立管并不包括尾流立管这样的问题，是深水油气开发引发了关于尾流立管的流致振动的研究。目前，关于尾流立管的流致振动研究还没有一种成熟的方法，主要采用传统涡激振动理论和实验方法进行研究，而传统理论和实验方法不能将上游立管尾流引起的振动和自身涡激升力引起的振动分离开来，因此，无法研究他们的耦合机理，从而不能建立相应的理论和分析模型与方法。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种深水立管尾流振动试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种深水立管尾流振动试验方法，包括如下步骤：

(1)将试验装置放置在水槽中，所述试验装置包括上游圆柱和下游翼形柱；将上游圆柱和下游翼形柱均竖立设置并固定在水槽中部的水流稳定区，以上游圆柱在前、下游翼形柱在后的顺序迎着水流方向排列，使得上游圆柱和下游翼形柱的轴线位于水槽的中轴线；在上游圆柱中部表面贴有应变片和压力传感器；在下游翼形柱中部的表面也贴有应变片和压力传感器；

(2)水槽充水至上游圆柱或下游翼形柱高度的2/3及以上；

(3)设定上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值，所述间距系列设定值为上游圆柱直径的整数倍；

(4)设定水槽内水流流速为流速系列设定数值；所述流速系列设定值为使水槽内水流流速的雷诺数达到特定值；

(5)启动造流泵并调整水流流速使雷诺数达到流速系列设定值中某一流速设定值；

(6)取上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值中的某一间距设定值，并保持这个间距；

(7)通过上游圆柱和下游翼形柱中部的表面贴有的应变片和压力传感器，分别测量上游圆柱和下游翼形柱的动应变和动水压力值；

(8)分析上游圆柱和下游翼形柱的测量数据，计算出振动频率、振动幅值和涡激升力的频率和大小；

(9)关闭造流系统，调整并固定上游圆柱和下游翼形柱的间距为间距系列设定值的另一个整数倍；重复步骤7-8，直至试验完每个间距系列设定值；

(10)启动造流泵并调整水流流速使雷诺数达到流速系列设定值中另外一个流速设定值；

(11)重复步骤6-9；直至试验完每个流速系列设定值；

(12)对上述试验数据进行分析可得出在不同雷诺数范围，尾流振动与上下游圆柱和下游翼形柱间距的关系。

作为优选，间距系列设定值分别为上游圆柱直径的10倍、9倍、8倍、7倍、6倍、5倍、4倍、3倍、2倍、1倍。

作为优选，流速系列设定值是分别使雷诺数达到300、2000、20000、200000的流速。