新型抗涡激振动仿生立管制造技术

本发明专利技术提供一种新型抗涡激振动仿生立管，仿生立管的横截面是周期凸起式的波浪状，也即本发明专利技术是在圆柱形立管的基础上改变其截面形状，其横向截面在径向边缘表面添加凸起结构，也可说是表面是由一些与轴向平行并在周向均匀分布的凸起结构构成。凸起结构作用于立管柱体表面所形成的边界层内，干扰旋涡的形成，减小旋涡的涡量强度，从而影响卷吸层的作用减弱涡的脱落，有效的抑制立管产生的涡激振动。本发明专利技术设计结构简单，成本较低，而且能够有效地抑制立管的涡激振动，实现了安全性与经济性的统一。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种立管结构，尤其涉及一种新型抗涡激振动仿生立管，属于海洋立管的设计领域。
技术介绍
立管作为海洋基础设施的关键组成部分，是海洋石油天然气开采过程中必不可少的设备。随着深海石油天然气等资源的不断开发，人们对在复杂海况下的海洋立管动力响应有了进一步的认识。近几年来，降低海洋立管的涡激振动效应一直是国内外众多学者的研究热点。几十年来已提出的涡激振动抑制措施主要分为两种类型：主动控制和被动控制。主动控制是通过主动改变海洋立管附近的流场和立管结构受力起到抑制旋涡脱落的目的；但是主动控制的成本较高，操作复杂。被动控制即是直接改变结构表面的形状或附加额外的装置以改变绕流场，从而控制旋涡的的形成与发展，抑制涡脱落；在海洋工程界得到了广泛的应用，包括：表面凸起型、裹覆型和近尾流稳定器。然而多数结构简单的抑制措施对来流的方向具有敏感性；复杂的全向性抑制措施设计安装成本较高且存在不稳定性问题。因此，为发展更具优良性能的抑振措施，还需要很多的创新性研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高海洋立管的抑振性能和使用寿命而提供一种新型抗涡激振动仿生立管。本专利技术的目的是这样实现的：仿生立管的横截面是周期凸起式的波浪状。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.所述周期凸起式的波浪状共有8-13个周期，且沿仿生立管的周向均匀设置。2.所述仿生立管的最小外径与最大外径的比值不低于2:3。3.周期凸起式的波浪状的每个周期均是由椭圆弧与直线桥接而成。4.周期凸起式的波浪状的每个周期均是由向外凸的半圆弧与向内凹的半圆弧桥接而成。5.周期凸起式的波浪状的每个周期均是由齿型轮廓线与直线桥接而成。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术改变传统海洋立管的圆柱体形状，其横向截面在径向边缘表面添加凸起结构，横截面呈波浪状，凸起沿柱体表面周向均匀分布，轴向凸起结构作用于柱体表面的剪切层，在旋涡形成初期的传递过程中起到降低旋涡涡量强度，继而减弱卷吸层的作用，达到抑制海洋立管产生涡激振动的目的。此外，采用沿周向均匀分布的方式，可以使得该结构具有全向性，对来流的方向不具敏感性，抑振效果稳定，提高了
海洋立管的抑振性能和使用寿命。本专利技术设计结构简单，成本较低，而且能够有效地抑制立管的涡激振动，实现了安全性与经济性的统一。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是本专利技术的主视图、左视图和俯视图；图3是本专利技术的椭圆凸起仿生立管横向截面轮廓示意图；图4是本专利技术的半圆凸起仿生立管横向截面轮廓示意图；图5是本专利技术的齿轮凸起仿生立管横向截面轮廓示意图；图6是普通圆形截面柱体的绕流机制示意图；图7是本专利技术的仿生立管的绕流机制示意图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。实施例一：结合图1和图2，仿生立管的横截面是周期凸起式的波浪状，也即本专利技术是在圆柱形立管的基础上改变其截面形状，其横向截面在径向边缘表面添加凸起结构，也可说是表面是由一些与轴向平行并在周向均匀分布的凸起结构构成。凸起结构作用于立管柱体表面所形成的边界层内，干扰旋涡的形成，减小旋涡的涡量强度，从而影响卷吸层的作用减弱涡的脱落，有效的抑制立管产生的涡激振动；进一步的，所述周期凸起式的波浪状共有8-13个周期，且沿仿生立管的周向均匀设置。进一步的，所述仿生立管的最小外径与最大外径的比值不低于2:3，也可以是凸起结构外凸径向长度与仿生柱体横向截面最大外径之比最大不超过1:3。进一步的，凸起结构在轴向方向可以是间断周期型分布实施例二：基于实施一并结合图3，周期凸起式的波浪状的每个周期均是由椭圆弧与直线桥接而成。实施例三：基于实施一并结合图4，周期凸起式的波浪状的每个周期均是由向外凸的半圆弧与向内凹的半圆弧桥接而成。实施例四：基于实施一并结合图5，周期凸起式的波浪状的每个周期均是由齿型轮廓线与直线桥接而成。实施例二、三、四说明本专利技术凸起结构构成的波浪状的截面形状有多种，椭圆形、半圆形、齿轮形等都会对柱体边界层流动机制起到相同效果。总的来说，本专利技术有助于减小海洋立管所产生的脉动压力，提高立管的抗涡激振动性能，这对现代海洋立管的设计提出了一种全新的思路。本专利技术增加海洋立管的水动力性能的机理
在于：旋涡在它起始所在一侧剪切层的涡量供应下，涡量强度不断增长，拖曳对面的剪切层穿过尾迹，被拖曳的剪切层携带着具有反方向涡量的流体，切断了上面旋涡的涡量供应，最终导致了旋涡的脱落；轴向凸起结构作用于柱体表面的剪切层，在旋涡形成初期的传递过程中起到降低旋涡涡量强度，继而减弱卷吸层的作用，达到抑制海洋立管产生涡激振动的目的。此外，采用在表面沿周向均匀分布的方式，可以使得该结构具有全向性，对来流的方向不具敏感性；该结构设计简单紧凑，抑振效果稳定，成本较低，发展前景广阔。结合图6和图7，本专利技术与普通柱体其绕流机制是不同的，A和B是在柱体两侧形成的旋涡。由于A和B交替形成、脱落并带有一定的周期性，因此，在垂直于流向的柱体两侧会形成压力差，使得柱体产生脉动现象；柱体脉动会对水流产生反作用，柱体周围流动更加复杂，加剧柱体的振动。对比图6和图7两种不同截面柱体绕流时涡的形成及脱落情况，带有凸起结构柱体的两侧凸起结构之间的凹槽内形成与主流涡量相反的小涡，对边界层外流体产生吸附作用，推迟分离点延缓涡的脱落并使得主流涡量减小，最终使得柱体产生的脉动现象减弱，有效的抑制了涡激振动的发生。本文档来自技高网...

【技术保护点】
新型抗涡激振动仿生立管，其特征在于：仿生立管的横截面是周期凸起式的波浪状。

【技术特征摘要】
1.新型抗涡激振动仿生立管，其特征在于：仿生立管的横截面是周期凸起式的波浪状。2.根据权利要求1所述的新型抗涡激振动仿生立管，其特征在于：所述周期凸起式的波浪状共有8-13个周期，且沿仿生立管的周向均匀设置。3.根据权利要求1所述的新型抗涡激振动仿生立管，其特征在于：所述仿生立管的最小外径与最大外径的比值不低于2:3。4.根据权利要求1或2或3所述的新型...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭春雨，张佐天，曹绪祥，赵大刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23