[发明专利]一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置

权利要求书

1.一种用于研究立管系统流固耦合振动特性的实验装置的试验方法，其特征是，所述实验装置，包括供水系统、供气系统、立管系统、数据采集系统和图像摄制监测系统；所述供气系统和供水系统均与气液混合器相连，所述气液混合器之后依次通过水平管段和下倾管段与立管系统相连，所述立管系统顶部设置有与供水系统连通的供水管路；所述数据采集系统用于对各管路上的动态数据信号进行采集，所述图像摄制监测系统用于对各管路上的流型流态进行监测；

所述供气系统包括压缩机和供气管路，所述压缩机通过供气管路依次连接有第一气体缓冲罐和气体流量计以及第一压力变送器；

所述供水系统包括储水罐和供水管路，所述储水罐通过供水管路依次连接有离心泵和流体流量计；

所述供气管路和供水管路通过气液混合器汇合成气液混合管路，所述气液混合管包括水平管段和连接水平管段之后的下倾管段，所述下倾管段上依次设置有第二气体缓冲罐、第一双平行电导探针和第二压力变送器，之后所述下倾管段与立管系统连接，所述立管系统上设置有多个压力变送器和多个位移传感器；所述立管系统顶部出口处设置有第二双平行电导探针，且所述立管系统顶部通过供水管路连接有气液分离器，所述气液分离器再通过供水管路与储水罐连通，进而构成供水环路；所述第一双平行电导探针和第二双平行电导探针中每双电导探针相互平行且相距为5mm；

所述数据采集系统包括数据采集卡，所述数据采集卡分别与气体流量计、液体流量计、第一双平行电导探针、第二双平行电导探针、各个压力变送器和各个位移传感器通过线路连接，进而对相应管路上的流量信号、持液率信号、压力信号和动力响应信号进行采集；

所述图像摄制监测系统包括高速摄像机，所述高速摄像机用于在实验过程中对立管系统中流体的流型流态进行观察并记录；

在所述供气系统的供气管路上，所述压缩机与第一气体缓冲罐之间管路上设置有第一阀门，所述第一气体缓冲罐和气体流量计之间管路上设置有第二阀门，所述第一压力变送器和气液混合器之间管路上设置有第三阀门；在所述供水系统的供水管路上，所述储水罐与离心泵之间管路上设置有第六阀门，所述离心泵和流体流量计之间管路上设置有第五阀门，所述流体流量计和气液混合器之间管路上设置有第四阀门；所述第二气体缓冲罐与下倾管段之间的支管路上设置有第八阀门，且所述第二气体缓冲罐还设置有与大气连通的第九阀门；所述气液分离器上设置有与大气连通的第七阀门和安全阀；

试验方法具体包括以下步骤：

步骤一：选用垂直式立管系统进行实验，初始时，整个实验装置的阀门都处于关闭状态，且整个实验装置中充满气体；首先依次开启第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、离心泵、高速摄像机和数据采集卡，数据采集卡监测并记录第二压力变送器、第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第一双平行电导探针和第二双平行电导探针的信号变化，高速摄像机监测并记录立管系统中流体的流型流态；

所述垂直式立管系统由一个铰支固定，所述垂直式立管系统包括弯管段和通过弯管段与下倾管段连接的垂直式立管段，所述垂直式立管段靠近底部弯管段处设置有第一位移传感器和第三压力变送器，所述垂直式立管段靠近中间位置设置有第二位移传感器和第三位移传感器以及第四压力变送器，所述第二位移传感器和第三位移传感器相对立管段互相垂直设置，所述垂直式立管段靠近顶部位置设置有第五压力变送器；

步骤二：进行单相流固耦合振动实验时，调节离心泵频率来改变液体流量的大小，在不同液相流量下，进行弯管冲击试验，监测并记录各个压力变送器、位移传感器和双平行电导探针的信号变化，待液体流量稳定后，进行立管流固耦合振动实验，记录压力变送器、位移传感器和双平行电导探针的信号变化；

步骤三：进行气液两相流固耦合振动实验时，首先依次打开第一阀门、第二阀门、第三阀门、压缩机、第八阀门向实验装置中供气，此时立管系统中为气液两相流，通过第一双平行电导探针监测并记录立管上游下倾管段的持液率变化，通过第二双平行电导探针监测并记录立管顶部出口处持液率变化，第二压力变送器、第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器分别记录下倾管段靠近垂直式立管底部弯管段、垂直式立管段下部、垂直式立管段中部和垂直式立管段顶部的压力信号，第一位移传感器监测并记录垂直式立管底部竖直方向上的动力响应，第二位移传感器和第三位移传感器监测垂直式立管段中部垂直轴向的运动；

步骤四：改变气液流量得到不同工况时，垂直式立管段底部弯管段的冲击响应特性，等到垂直式立管段系统中流型较固定后进行立管流固耦合实验，并记录压力、持液率、动力响应数据；调节气液流量得到不同流型时，数据采集卡记录压力信号、持液率信号和动力响应信号；

步骤五：将垂直式立管系统换成自由悬链式立管系统，此时悬链式立管段底部安装的第一位移传感器监测并记录竖直方向的动力响应信号，悬链式立管段中部安装的第二位移传感器和第三位移传感器监测并记录垂直于悬链式立管段轴向的动力响应信号，第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器监测并记录压力信号；然后重复步骤一、二、三、四进行自由悬链式立管的单相流固耦合振动试验和气液两相流固耦合振动试验；

所述自由悬链式立管系统由一个铰支固定，所述自由悬链式立管系统包括弯管段和通过弯管段与下倾管段连接的悬链式立管段，所述悬链式立管段靠近底部弯管段处设置有第一位移传感器和第三压力变送器，所述悬链式立管段靠近中间位置设置有第二位移传感器和第三位移传感器以及第四压力变送器，所述第二位移传感器和第三位移传感器相对立管段互相垂直设置，所述悬链式立管段靠近顶部位置设置有第五压力变送器；

步骤六：将自由悬链式立管系统换成S型立管系统，此时S型立管段底部安装的第一位移传感器监测并记录竖直方向的动力响应信号，S型立管段中部安装的第二位移传感器、第三位移传感器、第四位移传感器和第五位移传感器监测并记录垂直于S型立管段轴向的动力响应信号，第三压力变送器、第四压力变送器、第五压力变送器、第六压力变送器和第七压力变送器监测并记录压力信号；然后重复步骤一、二、三、四进行S型立管的单相流固耦合振动试验和气液两相流固耦合振动试验；

所述S型立管系统由第一铰支和第二铰支固定，所述S型立管系统包括弯管段和通过弯管段与下倾管段连接的S型立管段，所述S型立管段靠近底部位置弯管段处设置有第一位移传感器和第三压力变送器，所述S型立管段靠近第一铰支处设置有第五压力变送器，所述S型立管段靠近顶部第二铰支处设置有第七压力变送器，所述S型立管段的底部至第一铰支之间的管段上设置有有第二位移传感器和第三位移传感器以及第四压力变送器，所述第二位移传感器和第三位移传感器相对立管段互相垂直设置，所述S型立管段的第一铰支至第二铰支之间的管段上还设置有第四位移传感器和第五位移传感器以及第六压力变送器，所述第四位移传感器和第五位移传感器相对立管段互相垂直设置。