[发明专利]一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置

权利要求书

1.一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，包括水槽（1），所述水槽（1）内部的底端设置有假底（2），所述假底（2）与所述水槽（1）的底端之间通过升降调节机构（3）相配合连接，所述假底（2）为箱式结构，所述假底（2）内部的底端设置有布沙机构（4），所述假底（2）的底端设置有透光板（5），所述透光板（5）底端的中间位置设置有激光发射器（6），所述水槽（1）的顶端设置有与所述水槽（1）固定连接的支撑框（7），所述支撑框（7）底端的侧边设置有若干穿插于所述支撑框（7）的电动伸缩杆（8），所述电动伸缩杆（8）的顶端设置有支撑横板（9），所述支撑横板（9）的底部设置有水平导轨（10），所述水平导轨（10）与所述支撑横板（9）之间通过旋转驱动调节机构（11）相配合连接，所述水平导轨（10）的一侧设置有支撑横梁（12），所述支撑横梁（12）与所述水平导轨（10）之间通过若干水平滑轮（13）相配合连接，所述水平滑轮（13）与所述支撑横梁（12）的一端通过若干水平弹簧（14）相配合连接，所述水平导轨（10）底端的中间位置设置有与所述激光发射器（6）相匹配的垂直激光位移器（15），所述水平导轨（10）一侧的中间位置设置有水平激光位移器（16），所述水平导轨（10）的底端设置有垂直支架（17），所述垂直支架（17）的内部设置有竖向滑杆（18），所述竖向滑杆（18）与所述垂直支架（17）之间通过若干竖向滑轮（19）相配合连接，所述竖向滑杆（18）与所述支撑横梁（12）之间通过若干竖向弹簧（20）相配合连接，所述竖向滑杆（18）的底端设置有支撑横杆（21），所述支撑横杆（21）内部的两端分别均设置有电动推杆（22），所述电动推杆（22）的一端设置有L型支撑臂（23），所述L型支撑臂（23）之间设置有可调式管道（24），所述支撑横板（9）顶端的一侧设置有控制面板（25），所述控制面板（25）的顶端设置有若干控制按钮（26），所述升降调节机构（3）是由升降连杆（27）和电推杆（28）构成，所述升降连杆（27）分别与所述水槽（1）内部的底端以及所述假底（2）的底端相配合连接，所述电推杆（28）为防水结构；所述布沙机构（4）是由布沙管（29）、喷沙头（30）、导料软管（31）和操作杆（32）构成，所述喷沙头（30）位于所述布沙管（29）的底端，所述布沙管（29）的顶端与所述导料软管（31）连接，所述操作杆（32）与所述布沙管（29）固定连接；所述喷沙头（30）的侧边设置有若干推板（33），所述操作杆（32）的一端设置有手柄（34）；所述旋转驱动调节机构（11）是由固定架（35）、第一齿轮（36）、驱动电机（37）和第二齿轮（38）构成，所述固定架（35）通过若干螺栓组（39）与所述水平导轨（10）固定连接，所述第一齿轮（36）位于所述固定架（35）的顶端并与所述固定架（35）固定连接，所述驱动电机（37）穿插于所述固定架（35），所述第二齿轮（38）与所述驱动电机（37）的输出轴连接并与所述第一齿轮（36）相啮合；所述可调式管道（24）是由主管道（45）和若干伸缩管（46）构成，所述伸缩管（46）位于所述主管道（45）的两端并穿插于所述主管道（45），所述伸缩管（46）远离所述主管道（45）的一端设置有限位头（47）。

2.根据权利要求1所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述支撑横板（9）顶端一侧的中间位置设置有角度指针（40），所述第一齿轮（36）的侧边设置有若干与所述角度指针（40）相匹配的刻度线（41）。

3.根据权利要求1所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述水槽（1）的一侧设置有CCD（42）。

4.根据权利要求1所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述竖向滑轮（19）与所述垂直支架（17）之间通过限位器（43）相配合连接。

5.根据权利要求1所述的一种模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置，其特征在于，所述可调式管道（24）的两端分别均设置有导流板（44）。

6.根据权利要求1-5任一项所述的模拟复杂海洋环境下海底管道涡激振动的实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

实验时，通过布沙机构（4）对假底（2）的内部进行布沙，模拟不同布置形式，实现海底地形的变化，布沙时，手动操作操作杆（32），沙子通过导料软管（31）进入到布沙管（29），然后由喷沙头（30）喷出，还可通过推板（33）对沙子进行堆叠调节，通过造波装置对水槽（1）内部的水进行模拟不规则波及水流，使其能较真实地反映实际海况；

然后通过旋转驱动调节机构（11）对装置的角度进行调节，实现斜向入射情况，调节时，按动控制按钮（26），通过驱动电机（37）带动第二齿轮（38）转动，由于第一齿（36）与第二齿轮（38）相啮合，从而带动第一齿轮（36）进行转动，进而电动整个装置进行转动，通过角度指针（40）和刻度线（41）能够直观观察到转动角度，在实验中，竖向滑杆（18）通过竖向滑轮（19）可在垂向自由振动，而垂直支架（17）通过侧向水平滑（13）安装在水平导轨（10）上，可做水平自由振动，从而实现管道的双自由度振动，在垂向和水平向分别安装有竖向弹簧（20）和水平弹簧（14），通过调节弹簧的数量来改变模型双向的固有频率；

其中，设置限位器（43）以限制某一方向运动，用于开展单自由度涡激振动实验管道横向和顺流向振动位移通过激光位移器测得，管道表面动水压力通过在管道周向等间距布置若干个微型压力传感器采集得到，管道的绕流流场主要采用激光粒子流场测量系统（PIV）进行测量，同时，在管道下游1.5倍管径处布置1支声学多普勒流速仪（ADV）和1支浪高仪分别测量管道中心高度处的尾流脉动流速和波高，在管道上游（6）倍波长位置再布设1支ADV和1支浪高仪，测量剪切来流速度和入射波高，在实验段底部搭设一座T型平台作为假底（2）来模拟海底地形平坦，假底（2）顶部采用专门设计的一块的透光板（5），透过该透光板（5）采用“自下向上”激光扫射的PIV系统进行流场测量，这可有效避免传统的从水面向下扫射的激光布设方式带来的水面反射干扰，相机位于水槽外侧正对管道的位置拍摄示踪粒子图像；

其中，管道模型两端各装有1个导流板（44），用于消除端部效应对实验结果的影响，另外，在装置转动时，可调式管道（24）两端的伸缩管（46）通过电动推杆（22）对伸缩长度进行调节，进一步消除端部效应对实验结果的影响，所述实验装置适用于某一固定悬跨管道、波流正向入射、海底地形平坦的情况。