本发明专利技术公开了一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置与实验方法，该装置包括实验水槽及生潮系统、地形扫描系统、海底管道模拟测量系统和数据采集处理及控制器，实验水槽及生潮系统用于模拟海底沙坡并利用水泵形成往复流；地形扫描系统利用超声地形仪采集沙坡形态，并将数据传输到数据采集处理及控制器；海底管道模拟测量系统利用设置在管道模型侧壁上的光纤应变传感器采集管道变形数据，利用高速摄像机采集管道位移信息，并将信息传输到数据采集处理及控制器。利用此装置可进行海底潮流沙波对管道工程影响的实验。该装置利用水泵形成周期变化的水流模拟潮流场、结合潮流沙波的形成，模拟沙波对海底管道的影响，采集数据真实，参考价值高。
【技术实现步骤摘要】
一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置与实验方法
本专利技术涉及海洋工程、泥沙运动学、海洋测量领域，特别是涉及一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置与实验方法。
技术介绍
随着海洋油气资源的开发，海底管道成为海上油气输送的主要方式。海底沙波是一种近似波浪状分布的典型海底地貌形态，波长尺度在几米至米百米，波高在几米左右，广泛分布于近海大陆架海域。海洋观测数据表明：潮流作用是形成海底沙波的主要原因之一。海底沙波普遍具有活动性，在某些情况下海底沙波会发生快速移动，引起海底管道的暴露或者悬空，最终导致海底管道疲劳以及断裂破坏。因此研究海底沙波的活动及其引起的海底管道悬空具有重要的工程意义和科学价值。目前对于海底沙波的研究主要依赖现场观测和数学方法，但是现场观测耗费巨大且观测周期也通常较长，数学方法均为简化模型，不能完全模拟沙波活动的瞬态过程，且也需要试验结果来验证模型的正确性。实验室模拟海底沙波是一种有效的研究手段。目前实验室中主要是利用波浪或单向流来简化替代潮流，但是得到的地形尺度很小，波长只有几厘米长，从本质上属于沙纹(一种更小的地形)，这并不是真正意义上的潮流沙波。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置与实验方法，利用变频控制器控制双向变频水泵实现水流的周期变化，模拟真实的潮流往复流动，并结合初始人工地形干扰来模拟潮流沙波的形成，进一步模拟沙波对海底管道的影响，采集数据真实，参考价值高。一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，包括实验水槽及生潮系统、地形扫描系统、海底管道模拟测量系统和数据采集处理及控制器，所述实验水槽及生潮系统包括水槽、循环管道、缓坡沙坑、双向变频水泵、变频控制器和流速仪；所述缓坡沙坑设置于所述水槽中部，其两端凸起、中间凹陷形成用于容纳海沙的容腔，同时凸起部位在靠近水槽端部处设有缓坡，所述缓坡的高度逐渐减小；所述循环管道设置于所述水槽下侧，其进、出口端分别设置于所述水槽相对的两个端部底面上；所述缓坡沙坑内填充海沙；所述双向变频水泵安装在所述循环管道上，所述变频控制器分别与双向变频水泵及数据采集处理及控制器连接，能依据数据采集处理及控制器的指令控制所述双向变频水泵工作；所述流速仪安装在水槽内部，其与数据采集处理及控制器连接，向其传输水槽内的水流速度；所述地形扫描系统包括超声地形仪、连接杆和运动装置；所述超声地形仪的探头安装在所述连接杆上，所述连接杆安装在所述运动装置上，由所述运动装置控制其运动轨迹；所述连接杆能通过伸缩的方式改变所述超声地形仪的探头的位置；所述超声地形仪与所述数据采集处理及控制器连接；所述海底管道模拟测量系统包括管道模型、配重、光纤应变传感器和高速摄像机；所述高速摄像机安装在所述水槽的上方，与所述数据采集处理及控制器相连，用于拍摄并回传缓坡沙坑内海沙的形貌；所述管道模型放置在所述缓坡沙坑内，其局部或全部被海沙掩埋；所述管道模型内部设有配重；所述光纤应变传感器固定设置于所述管道模型的侧壁上，且与所述数据采集处理及控制器相连，用于将检测到的管道模型应变数据回传。进一步，所述运动装置包括设置于所述水槽槽壁上的轨道、能沿所述轨道运动的滚轮装置、以及驱动所述滚轮装置运动的电机。进一步，所述循环管道与所述缓坡沙坑的长边相平行。进一步，所述缓坡的横截面为类直角三角形，高度与底边的比为1:15～25。进一步，所述缓坡沙坑内的海沙局部为沙堆。进一步，所述光纤应变传感器有多个。进一步，所述光纤应变传感器有多个，其沿轴向上分布在所述管道模型的多个位置，且在每个位置的周向上均匀分布。进一步，所述光纤应变传感器有多个，其沿轴向上分布在所述管道模型的多个位置，且在每个位置的周向上均匀分布有四个。进一步，所述管道模型为PVC管。进一步，所述配重为水或海沙。一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的实验方法，包括如下步骤：1)将沙样装入缓坡沙坑，然后将沙面总体整平，将沙面的局部区域加工成微小的凸起或沟槽状；2)在不影响缓坡沙坑内沙样状态的条件下，向水槽内缓慢注水，达到实验要求深度；3)利用变频控制器预设往复流的周期和最大流速，控制双向变频水泵工作，在水槽内形成往复流；4)利用流速仪和超声地形仪探头进行采集缓坡沙坑内形貌，并将采集到的数据传输至数据采集处理及控制器(在实际应用中，数据采集处理及控制器往往是电脑)；5)当沙样形成模拟的海底沙波后，放空水槽内的水，将管道模型铺设在海底沙波上，重新加入水至原高度，在水槽内形成往复流，模拟潮流场；6)利用流速仪、超声地形仪、高速摄像机和光纤应变传感器，对水的流速、缓坡沙坑内形貌以及海底管道运动及变形进行同时观测；并将采集到的数据传输至数据采集处理及控制器进行分析处理。该模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置利用变频控制器控制双向变频水泵实现水流的周期变化，模拟真实的潮流往复流动，并结合初始人工地形干扰来模拟潮流沙波的形成，进一步模拟沙波其对海底管道的影响，采集数据真实，参考价值高。附图说明图1为本专利技术提供的模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置的结构示意图；图2为海底管道模拟测量系统3的结构示意图；图3为图2侧视图的放大图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细描述。一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，包括实验水槽及生潮系统1、地形扫描系统2、海底管道模拟测量系统3和数据采集处理及控制器4，实验水槽及生潮系统1包括水槽11、循环管道12、缓坡沙坑13、双向变频水泵14、变频控制器15和流速仪16；缓坡沙坑13设置于水槽11中部，其两端凸起、中间凹陷形成用于容纳海沙的容腔，同时凸起部位通过缓坡17与水槽底面连接，缓坡17的高度逐渐减小；具体来说，缓坡17的横截面为类直角三角形，高度与底边的比为1:15～25，作为本专利技术的一个实施例，高度与底边的比为1:20；循环管道12设置于水槽11下侧，其进、出口端分别设置于水槽11相对的两个端部底面上；缓坡沙坑13内填充海沙，优选，海沙表面整体平整，在局部加工成堆状凸起；作为本专利技术的一个实施例，缓坡沙坑13为矩形，循环管道12与缓坡沙坑13的长边相平行；双向变频水泵14安装在循环管道12上，变频控制器15分别与双向变频水泵14及数据采集处理及控制器4连接，能依据数据采集处理及控制器4的指令控制双向变频水泵14工作；流速仪16安装在水槽11内部，其与数据采集处理及控制器4连接，向其传输水槽11内的水流速度；地形扫描系统2包括超声地形仪、连接杆22和运动装置23；超声地形仪的探头21安装在连接杆22上，连接杆22安装在运动装置23上，由运动装置23控制其运动轨迹；连接杆22能通过伸缩的方式改变超声地形仪的探头21的位置；超声地形仪与数据采集处理及控制器4连接；海底管道模拟测量系统3包括管道模型31、配重33、光纤应变传感器32和高速摄像机34；高速摄像机34安装在水槽11的上方，与数据采集处理及控制器4相连，用于拍摄并回传缓坡沙坑内海沙13的形貌；管道模型31放置在缓坡沙坑13内，其局部或全部被海沙掩埋，优选，管道模型31为PVC管；管道模型31内部设有配重33；优选，配重33为水或泥沙。光纤应变传感器32固定设置于管道模型31的侧壁上，且与数据采集本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，包括实验水槽及生潮系统(1)、地形扫描系统(2)、海底管道模拟测量系统(3)和数据采集处理及控制器(4)，其特征在于：所述实验水槽及生潮系统(1)包括水槽(11)、循环管道(12)、缓坡沙坑(13)、双向变频水泵(14)、变频控制器(15)和流速仪(16)；所述缓坡沙坑(13)设置于所述水槽(11)中部，其两端凸起、中间凹陷形成用于容纳海沙的容腔，同时凸起部位通过缓坡(17)与水槽底部连接，所述缓坡(17)的高度逐渐减小；所述循环管道(12)设置于所述水槽(11)下侧，其进、出口端分别设置于所述水槽(11)相对的两个端部底面上；所述缓坡沙坑(13)内填充海沙；所述双向变频水泵(14)安装在所述循环管道(12)上，所述变频控制器(15)分别与双向变频水泵(14)及数据采集处理及控制器(4)连接，能依据数据采集处理及控制器(4)的指令控制所述双向变频水泵(14)工作；所述流速仪(16)安装在水槽(11)内部，其与数据采集处理及控制器(4)连接，向其传输水槽(11)内的水流速度；所述地形扫描系统(2)包括超声地形仪、连接杆(22)和运动装置(23)；所述超声地形仪的探头(21)安装在所述连接杆(22)上，所述连接杆(22)安装在所述运动装置(23)上，由所述运动装置(23)控制其运动轨迹；所述连接杆(22)能通过伸缩的方式改变所述超声地形仪的探头(21)的位置；所述超声地形仪与所述数据采集处理及控制器(4)连接，用于回传缓坡沙坑内的海沙地貌；所述海底管道模拟测量系统(3)包括管道模型(31)、配重(33)、光纤应变传感器(32)和高速摄像机(34)；所述高速摄像机(34)安装在所述水槽(11)的上方，与所述数据采集处理及控制器(4)相连，用于拍摄并回传缓坡沙坑内海沙(13)的形貌；所述管道模型(31)放置在所述缓坡沙坑(13)内，其局部或全部被海沙掩埋；所述管道模型(31)内部设有配重(33)；所述光纤应变传感器(32)固定设置于所述管道模型(31)的侧壁上，且与所述数据采集处理及控制器(4)相连，用于将检测到的管道模型(31)应变数据回传。...
【技术特征摘要】
1.一种模拟海底潮流沙波对管道工程影响的装置，包括实验水槽及生潮系统(1)、地形扫描系统(2)、海底管道模拟测量系统(3)和数据采集处理及控制器(4)，其特征在于：所述实验水槽及生潮系统(1)包括水槽(11)、循环管道(12)、缓坡沙坑(13)、双向变频水泵(14)、变频控制器(15)和流速仪(16)；所述缓坡沙坑(13)设置于所述水槽(11)中部，其两端凸起、中间凹陷形成用于容纳海沙的容腔，同时凸起部位通过缓坡(17)与水槽底部连接，所述缓坡(17)的高度逐渐减小；所述循环管道(12)设置于所述水槽(11)下侧，其进、出口端分别设置于所述水槽(11)相对的两个端部底面上；所述缓坡沙坑(13)内填充海沙；所述双向变频水泵(14)安装在所述循环管道(12)上，所述变频控制器(15)分别与双向变频水泵(14)及数据采集处理及控制器(4)连接，能依据数据采集处理及控制器(4)的指令控制所述双向变频水泵(14)工作；所述流速仪(16)安装在水槽(11)内部，其与数据采集处理及控制器(4)连接，向其传输水槽(11)内的水流速度；所述地形扫描系统(2)包括超声地形仪、连接杆(22)和运动装置(23)；所述超声地形仪的探头(21)安装在所述连接杆(22)上，所述连接杆(22)安装在所述运动装置(23)上，由所述运动装置(23)控制其运动轨迹；所述连接杆(22)能通过伸缩的方式改变所述超声地形仪的探头(21)的位置；所述超声地形仪与所述数据采集处理及控制器(4)连接，用于回传缓坡沙坑内的海沙地貌；所述海底管道模拟测量系统(3)包括管道模型(31)、配重(33)、光纤应变传感器(32)和高速摄像机(34)；所述高速摄像机(34)安装在所述水槽(11)的上方，与所述数据采集处理及控制器(4)相连，用于拍摄并回传缓坡沙坑内海沙(13)的形貌；所述管道模型(31)放置在所述缓坡沙坑(13)内，其局部或全部被海沙掩埋；所述管道模型(31)内部设有配重(33)；所述光纤应变传感器(32)固定设置于所述管道模型(31)的侧壁上，且与所述数据采集处理及控制器(4)相连，用于将检测到的管道模型(31)应变数据回传。2.如权利要求1所述模拟海底潮流沙波...
【专利技术属性】
技术研发人员：臧志鹏，陈志雄，王琮，刘振纹，
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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