本发明专利技术公开了一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，包括由多个海洋立管模型构成的海洋立管束、横向试验支持架、流速增大装置、拖车、应变采集仪和计算机，位于海底管道模型一侧导流板的内侧固定有一流线型整流罩，流线型整流罩罩住海洋立管模型一端的轴段；设置在海洋立管束中部的流速增大装置，流速增大装置包括增速段和稳流段，增速段呈喇叭形；稳流段设有用于海洋立管束穿过的通孔；可转动支持装置连接在横向试验支持架与流速增大罩之间。本发明专利技术可实现大雷诺数、大长径比的深海立管束涡激振动试验观测，同时弥补了学术界缺乏倾角阶梯状来流条件深海张紧式立管束涡激振动试验装备的空白，具有重要的推广应用价值和科学意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种海洋工程
的试验装置，具体地说，涉及的是一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置。
技术介绍
海洋立管是连接顶部浮式平台与海底井口的重要装备，在深海油气开采、输运过程中应用广泛。对于深海立管系统而言，它所承受的海洋环境荷载主要来自于海流的作用。当海流经过立管结构物时，会在立管两侧产生交替的旋涡脱落，诱使涡激振动现象发生。涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。海洋立管并不是单独作业，在实际的工程应用中，多根立管会组成立管束共同作业，因此探究多根立管涡激振动具有重要的理论和现实意义。目前，学术界对涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。特别是针对立管束的情况，倾角均匀来流条件深海立管束涡激振动特性还不得而知。研究海洋立管涡激振动现象的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流条件对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，存在局部的流速突然增大区域。可以发现，整个深度范围内的来流是局部流速增大倾角阶梯来流。经对现有的技术文献检索发现，国内外对于局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流立管涡激振动试验已有开展。2005 年第 21 期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Laboratorymeasurements of vortex-1nduced vibrat1ns of a vertical tens1n riser in astepped current ” (阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测)，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现局部流速增大倾角阶梯状来流条件，并且该装置仅能试验测量单根立管涡激振动特性。经过对现有的技术文献调研发现，国内外针对局部流速增大倾角阶梯状海洋立管束涡激振动试验研究还未开展，主要原因是缺乏必要的试验装置。如何实现倾角来流条件、如何实现局部流速增大、如何实现阶梯状来流条件、以及如何实现立管束的不同布置方式等是亟需克服的技术难题。
技术实现思路
本专利技术针对局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究攻角阶梯状来流下立管束涡激振动的试验装置，能够模拟有倾角的阶梯状来流，可实现局部流速增大试验条件，对深海张紧式立管束开展试验研究，探究其涡激振动机理及来流倾角对涡激振动的影响，为工程实际提供参考和借鉴。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、流速增大装置、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型穿过流速增大装置侧面的圆形豁口，其一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架的两端连接，所述横向试验支持架固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型包括若干条导线和一薄壁铜管，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管的外径为8mm、壁厚为Imm;自所述薄壁铜管的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管和一层硅胶管，所述薄壁铜管与所述热缩管之间设有多片用于采集应变的应变片，所述应变片通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管的一端或分别与所述薄壁铜管的两端固定；所述薄壁铜管的一端通过销钉连接有第一圆柱接头，所述薄壁铜管的另一端通过销钉连接有第二圆柱接头；所述横向试验支持架包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型的数量和安装位置相同；每个通孔内分别设有一个万向联轴节，所述万向联轴节的一端通过万向联轴节螺丝固定在第一支撑板上，所述万向联轴节的另一端与所述海洋立管模型中的第一圆柱接头连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板或补贴板，所述角度卡板上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板，每套角度卡板上的立管安装孔的轴线与角度卡板厚度方向的夹角分别为O度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有多个滑轮，所述滑轮的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块，所述滑轮座垫块为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块，每套滑轮座垫块上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩，所述流线型整流罩罩住所述海洋立管模型一端的轴段；所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有个数与滑轮个数相同与拉力传感器一端连接的固定结构，所述拉力传感器的另一端依次连接有拉力张紧器和拉力弹簧；分别自每个海洋立管模型中的第二圆柱接头，穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过滑轮至拉力弹簧的另一端连接有钢丝绳；所述钢丝绳和与之连接的海洋立管模型的轴线在同一平面内；所述海底管道模型的中部设有流速增大装置，所述流速增大装置包括流速增大罩和可转动支持装置，所述流速增大罩包括按水流方向顺次布置的增速段和稳流段，所述增速段呈喇叭形，所述增速段的进水端为喇叭形的大口端，所述增速段的出水端为喇叭形的小口端，所述稳流段的开口大小与喇叭形的小口端大小一致；所述增速段的进水端与出水端的面积比为该流速增大装置所要增大的流速倍数；所述稳流段设有用于所述海底管道模型穿过的通孔；所述可转动支持装置的顶端固定在横向试验支持架上，所述可转本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种局部流速增大倾角阶梯流海洋立管束涡激振动试验装置，包括海洋立管模型、横向试验支持架、拖车、应变采集仪和计算机，所述海洋立管模型(1)的一端设有第一端部支撑装置，所述海洋立管模型(1)的另一端设有第二端部支撑装置，所述第一端部支撑装置和第二端部支撑装置的顶部分别与所述横向试验支持架(3)的两端连接，所述横向试验支持架(3)固定于所述拖车的底部；所述海洋立管模型(1)包括若干条导线和一薄壁铜管(51)，所述导线的外径为0.3mm，所述导线为7芯导线，所述薄壁铜管(51)的外径为8mm、壁厚为1mm；自所述薄壁铜管(51)的外表面依次向外设有相互紧密接触的若干层热缩管(55)和一层硅胶管(56)，所述薄壁铜管(51)与所述热缩管(55)之间设有多片用于采集应变的应变片(53)，所述应变片(53)通过接线端子与所述导线相连，所述导线的两端与所述薄壁铜管(51)的一端或分别与所述薄壁铜管(51)的两端固定；所述薄壁铜管(51)的一端通过销钉(7)连接有第一圆柱接头(5)，所述薄壁铜管(51)的另一端通过销钉(7)连接有第二圆柱接头(6)；所述横向试验支持架(3)包括主体横梁，所述主体横梁的两侧顶部均分别设有角度盘；所述主体横梁的顶部设有槽钢，所述拖车支撑在槽钢上；所述第一端部支撑装置包括竖直方向的第一支撑管，所述第一支撑管的顶部连接有水平布置的第一角度板，所述第一支撑管的底部连接有第一支撑板，所述第一支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第一支撑板平行的第一导流板，所述第一导流板的下部设有多个通孔，所述通孔的数量和位置分别与试验时海洋立管模型(1)的数量和安装位置相同；每个通孔内分别设有一个万向联轴节(10)，所述万向联轴节(10)的一端通过万向联轴节螺丝(15)固定在第一支撑板上，所述万向联轴节(10)的另一端与所述海洋立管模型(1)中的第一圆柱接头(5)连接；所述第二端部支撑装置包括竖直方向的第二支撑管，所述第二支撑管的顶部连接有水平布置的第二角度板，所述第二支撑管的底部连接有第二支撑板，所述第二支撑板的内侧通过螺栓连接有与所述第二支撑板平行的第二导流板，所述第二导流板的下部设有多个长方形豁口，长方形豁口内分别设有角度卡板(22)或补贴板(26)，所述角度卡板(22)上设有多个立管安装孔；该试验装置中包括有四套角度卡板(22)，每套角度卡板(22)上的立管安装孔的轴线与角度卡板(22)厚度方向的夹角分别为0度、15度、30度、45度；所述第二支撑板的外侧设有多个滑轮(16)，所述滑轮(16)的个数与试验时安装的海洋立管模型的数量相同，所述滑轮(16)的滑轮座与第二支撑板之间设有滑轮座垫块(23)，所述滑轮座垫块(23)为楔形块，所述第二支撑板上位于每个滑轮座的下方分别设有一钢丝绳过孔；该试验装置中包括有三套数量与滑轮个数相同的滑轮座垫块(23)，每套滑轮座垫块(23)上的斜面与第二支撑板接触面之间的夹角分别为15度、30度、45度；所述第二导流板的内侧固定有一流线型整流罩(27)，所述流线型整流罩(27)罩住所述海洋立管模型(1)一端的轴段；所述主体横梁上、位于与第二端部支撑装置的连接端一侧连接有个数与滑轮个数相同与拉力传感器(25)一端连接的固定结构，所述拉力传感器(25)的另一端依次连接有拉力张紧器(24)和拉力弹簧(19)；分别自每个海洋立管模型中的第二圆柱接头(6)，穿过第二支撑板上的钢丝绳过孔后绕过滑轮(16)至拉力弹簧(19)的另一端连接有钢丝绳(17)；所述钢丝绳(17)和与之连接的海洋立管模型(1)的轴线在同一平面内；所述导线和所述拉力传感器与所述应变采集仪联接，所述应变采集仪与所述计算机连接；其特征在于：所述海底管道模型(1)的中部设有流速增大装置(62)，所述流速增大装置(62)包括流速增大罩(64)和可转动支持装置(63)，所述流速增大罩(64)包括按水流方向顺次布置的增速段(31)和稳流段(32)，所述增速段(31)呈喇叭形，所述增速段(31)的进水端为喇叭形的大口端，所述增速段(31)的出水端为喇叭形的小口端，所述稳流段(32)的开口大小与喇叭形的小口端大小一致；所述增速段(31)的进水端与出水端的面积比为该流速增大装置(28)所要增大的流速倍数；所述稳流段(32)设有用于所述海底管道模型(1)穿过的通孔；所述可转动支持装置(63)的顶端固定在横向试验支持架(3)上，所述可转动支持装置(63)的底端与所述流速增大罩(64)焊接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐万海，栾英森，冯旭，杜杰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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