[发明专利]一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置

说明书

本发明属于海洋工程领域，具体涉及一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的顶张力立管群涡激振动试验装置。整个装置包括顶张力施加系统、变角度和变间距联合装置、固定装置、立管群模型四个部分，本发明旨在波‑浪‑流联合水槽内进行变角度及间距的立管群耦合干涉效应试验，能够提供切实可行的顶张力施加系统，解决精确施加、测量立管群顶张力的难题；采用变角度、变间距联合装置能够满足角度和间距同步变换下立管群耦合干涉效应试验的需要。本发明为立管群耦合干涉效应试验提供了新思路与技术方法。

技术领域

本发明属于深海工程技术领域，具体涉及一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置，在进行立管群耦合干涉效应的涡激振动试验时，该装置能够精确施加及测量顶张力，自由变换立管模型长度，同时，达到角度和间距同步变换的试验目的。

背景技术

在波、浪、流作用于海洋立管时产生流动分离，近尾迹分离的剪切层相互作用产生漩涡脱落，交替的漩涡脱落在立管上生成周期性变化的流体脉动压力（升力和曳力），引发立管的周期性大幅度振动，这种规律性的振动反过来又改变其尾流漩涡的发放形态。一般深海立管具有较低的自振频率，当漩涡脱落频率与立管固有频率接近时，系统将在一定流速范围内被激发锁振，导致立管结构失稳产生剧烈的大幅振动并加速疲劳损伤，甚至发生立管间碰撞，危及立管的使用寿命，涡激振动问题已经引起了工程界和学术界的广泛关注。

海洋立管不止以单根的形式出现，多以“串”、“列”及“群”的结构形式广泛存在于实际深水工程中，布置形式多种多样。海流作用下，立管与立管之间产生间隙流，上游立管产生的尾流改变下游立管的动力响应，以致于下游立管的振动是由涡激振动和尾激振动叠加而成，同样地，下游立管对上游立管产生反馈效应。与孤立单管相比，立管之间的干涉作用导致立管群的动力响应、尾涡结构和模态形式截然不同，多管之间的耦合作用和响应机理成为研究热点和重点，无论对于学术界还是工程界都有着重要的研究意义。

实际工程之中，海洋立管的上端通过滑移节与平台或船舶连接，下端通过万向节与采油井口连接，波浪、海流、冰及地震等各种复杂海洋环境荷载作用于平台及立管，导致立管多自由度振动。在模型试验中，立管的连接方式和顶张力的施加是必须考虑的两个重要因素。国内外研究者针对复杂多管的涡激振动问题研究较少，针对孤立单管的试验装置不能满足群管顶张力施加的要求。本发明为立管群耦合干涉效应试验提供了新思路与技术方法，对实际工程具有指导意义。

发明内容

本发明一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置能够准确地施加、测量立管的顶张力，同时实现立管长度的改变、排列角度以及间距的变化，保证耦合干涉效应下的立管群涡激振动试验顺利开展。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于耦合干涉效应的变角度及间距的立管群涡激振动试验装置包括顶张力施加系统、变角度和变间距联合装置、固定装置、立管群模型四个部分。其中，顶张力施加系统由施力装置、牵引钢丝绳、不锈钢连接环、铝合金导力板、铝合金固定板、导力杆以及外置数显张力计组成；变角度和变间距联合装置包括刻度盘、可伸缩连接杆、磁力座、球形铰；固定装置包括支撑、SBR光轴直线导轨、SBR滑块、铝合金固定板、万向节、丝杆锁紧螺母、直角角件、T型高强螺栓及法兰螺母；立管群模型两端分别连接能够保证立管能在顺流向、横流向自由振动的万向节。

1、试验装置的支撑是由直角角件、T型高强螺栓及法兰螺母将铝合金型材连接固定，四个斜支撑的作用在于确保整体稳定性。

2、采用万向节将立管与固定装置进行连接，保证立管在横流向、顺流向自由振动。

3、采用SBR光轴直线导轨能够保证铝合导力板和铝合金固定板上下滑动，在进行试验时可以自由变换立管模型的长度，方便更换试验工况，并简化操作流程。