[发明专利]一种用于研究深水立管尾流振动的试验装置

说明书

[技术领域]

本发明涉及研究试验装置，尤其涉及一种用于研究深水立管尾流振动的试验装置。

[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，传统的立管涡激振动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用于研究深水立管尾流振动的试验装置。

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装置，包括框架、上游圆柱和下游翼形柱；上游圆柱为圆柱体，按中心轴竖向设置在框架内；下游翼形柱的横截面是机翼形，前缘为圆弧形，圆弧形半径与上游圆柱的半径相等，后缘为两侧厚度逐渐收小合拢的翼尾，下游翼形柱竖向设置在框架内；所述上游圆柱中心轴线和下游翼形柱的中心轴线相互平行且在一个平面内，上游圆柱和下游翼形柱的间距可通过调节机构调节；所述上游圆柱的中间部位贴有用于测量上游圆柱振动的应变片和测量上游圆柱水动力的压力传感器，所述下游翼形柱的中间部位贴有用于测量下游翼形柱振动的应变片和测量下游翼形柱水动力的压力传感器。

作为改进，框架包括边撑、顶盖和底座，顶盖通过边撑与底座连接；调节机构包括顶盖中间设有的顶盖燕尾槽、可在顶盖燕尾槽内滑动的第1梯形滑块和第2梯形滑块、底座中间设有的底座燕尾槽以及可在底座燕尾槽内滑动的第3梯形滑块和第4梯形滑块，且顶盖燕尾槽朝下与底座燕尾槽相向而置；上游圆柱的上端与第1梯形滑块连接，下端与第3梯形滑块连接；下游翼形柱的上端与第2梯形滑块连接，下端与第4梯形滑块连接。

作为进一步的改进，第1梯形滑块和第3梯形滑块的顶面均设有圆孔，上游圆柱的上端与下端均为圆柱形，上游圆柱的上端与第1梯形滑块的圆孔连接，下端与第3梯形滑块的圆孔连接；第2梯形滑块和第4梯形滑块的顶面均设有圆孔，下游翼形柱的上端与下端均为圆柱形，下游翼形柱的上端与第2梯形滑块的圆孔连接，下端与第4梯形滑块的圆孔连接；下游翼形柱可在圆孔内转动。

作为更进一步的改进，还包括上游圆柱锁定螺钉和下游翼形柱锁定螺钉；上游圆柱锁定螺钉穿过顶盖与第1梯形滑块底面固定连接；下游翼形柱锁定螺钉穿过顶盖与第2梯形滑块底面固定连接。

作为另外一个改进，下游翼形柱的尾翼采用柔性材料制作并牢固地粘贴在与上游圆柱体相同规格的圆柱体上，下游翼形柱的截面宽度大于圆柱体直径的两倍。

作为优选，上述柔性材料为软橡胶。

本发明的有益效果是：