竖直于拖曳水池中柔性管件模型的涡激振动试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种海洋工程技术领域的竖直于拖曳水池中柔性管件模型的涡激振动试验装置，包括：管件模型、端部支撑机构、流速增大装置、竖向试验支持架、拖车和测量分析系统，连接关系为：管件模型穿过流速增大装置，管件模型和流速增大装置均竖直置于拖曳水池中，管件模型的两端靠端部支撑机构支持，竖向试验支持架把流速增大装置和端部支撑机构与拖车连接，测量分析系统的各仪器设备分散布置于管件模型、端部支撑机构、流速增大装置、竖向试验支持架和拖车之中。根据流速增大装置中收缩段进出口面积之比得到相应倍拖车车速的流速，即可实现较高的雷诺数，并可实现在流速分层的流场中柔性管件涡激振动模型试验。

【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，涉及的是一种竖直于拖曳水池中柔性管件模型的涡激振动试验装置。
技术介绍
在海流作用下，悬跨的海底管线、海洋平台立管和拖缆等柔性管件上会周期性地产生漩涡脱落。这些柔性管件因此承受周期性的激振力，从而出现涡激振动现象。涡激振动将导致柔性管件的阻力系数增加和结构疲劳破坏。在设计海洋柔性管件的时候，管件因涡激振动而导致疲劳破坏将是一个必须考虑的重要因素。目前，模型试验是研究柔性管件涡激振动现象最可靠和最主要的研究手段之一。通过模型试验，可以较为全面的观测到涡激振动现象及其主要特征，获得较为可靠的试验结果。试验结果可用来效验理论和数值模型的精度。涡激振动抑振装置的使用效果在正式投入工程应用前通常都需要由模型试验来验证。实际海洋中流场较为复杂，流速较快。一般长度较小的柔性管件在整个长度范围内遭受的流场较为均匀，不过雷诺数较高，通常在临界区内，有些甚至在超临界区内。一般长度较大的柔性管件在整个长度范围内遭受均匀流的可能性几乎为零，流速往往分层对其作用。在某些分层流速段内，这些长度较大的管件所遭受的雷诺数也相当高，有些也要达到超临界区。在人工水池中，如何实现高雷诺数的管件涡激振动试验，对于一些长度较大的柔性管件涡激振动，如何实现流速分层，同时还要使得某些分层流速段内的管件所遭受的雷诺数尽可能与实际接近，都是目前涡激振动试验领域里的技术难题。国内有学者做过小尺度海洋立管、海底管线和拖缆的涡激振动模型试验。这些涡激振动模型试验一般在船模拖曳水池中完成。在船模拖曳水池中拖动模型形成均匀流场，产生涡激振动。在国际上，对小尺度管件的涡激振动进行了大量的模型试验研究，而且近年来也对长度较大的柔性管件的涡激振动进行了一些模型试验研究。这些试验，有的在船模拖曳水池中进行，有的在环形水槽中进行，也有的在海上用拖船拖动立管进行涡激振动模型试验。所进行的这些试验，流速沿管件轴向一般为均匀流或剪切流，所实现的最大雷诺数一般与实际相差一个数量级。经对现有技术文献进行检索发现，在ISBN号为1-880653-62-1，ISSN号为1098-6189的“Proceedings of The Fourteenth(2004)InternationalOffshore and Polar Engineering Conference”(14届国际近海与极地工程会议论文集)中，论文“Laboratory Investigation of Long Riser VIV Response”(长立管涡激振动响应的实验研究)是关于柔性管件涡激振动实验研究的典型论文。文中提到了一种柔性管件涡激振动模型试验技术，把柔性立管模型横置于船模拖曳水池中，立管端部靠从拖车上延伸入水中的支架支持并得到轴向张紧力，拖车拖动立管模型产生均匀流场，用布置于管内的双轴向加速度传感器来测量立管运动，在立管端部布置力传感器来测量整个立管所受的阻力和升力，在立管壁内嵌入光纤布拉格光栅应变传感器来测量立管壁内的应变量。经分析，该技术的不足之处在于一，只能造出沿立管轴向为均匀的流场，而实际柔性立管所处的流场多为不均匀的；二，能实现的最大雷诺数较低，跟实际柔性立管所遭受的最大雷诺数相差一个数量级；三，水池长度有限，在车速较高时，所能得到的测试段距离变得很小，所能采到的数据相应变得很少。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决以往在船模拖曳水池中完成柔性管件涡激振动模型试验时存在的上述不足，提供一种流速更高、流速大小能分层、测试段距离更长的竖直于拖曳水池中柔性管件模型的涡激振动试验装置。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的本专利技术包括管件模型、端部支撑机构、流速增大装置、竖向试验支持架、拖车和测量分析系统。连接关系为管件模型穿过流速增大装置，管件模型和流速增大装置均竖直置于拖曳水池中，管件模型的两端靠端部支撑机构支持，竖向试验支持架把流速增大装置和端部支撑机构与拖车连接，测量分析系统的各仪器设备分散布置于管件模型、端部支撑机构、流速增大装置、竖向试验支持架和拖车之中。所述的流速增大装置由增流体、阻流板、隔流板、摄像机固定板和流速仪固定板组成。两块增流体对称布置，所夹区域分成三段，按水流流过的顺序，依次为收缩段、稳流段和扩展段。稳流段的宽度在30倍管件模型直径以上，稳流段的长度在50倍管件模型直径以上，管件模型在稳流段长轴线上且置于离稳流段入口边界2/3稳流段长度处。收缩段的进口面积与出口面积之比由试验所要增大流速的倍数、流场品质要求和经济性之间协调确定。收缩段曲线为风洞设计时常用的双三次曲线，拐点位置为中点。收缩段的长度取为收缩段进口宽度的1.5倍左右。扩展段曲线与收缩段曲线关于稳流段短轴线对称。两块增流体外侧曲线与内侧曲线对称。两块阻流板对称布置在两块增流体外侧，阻流板与增流体外侧曲线直线段平行。两块阻流板超出增流体前后两端点的距离都为收缩段长度的0.5倍以上。阻流板与增流体外侧曲线直线段的距离为稳流段宽度的0.5倍，稳流段流速放大的倍数可达收缩段收缩倍数的98.5％。增流体和阻流板的两端分别固定在两块隔流板上，隔流板与阻流板垂直且平行流向布置。隔流板最前端在长度方向上应超出阻流板约0.2倍收缩段长度，隔流板的宽度应为两块阻流板间距的1.2倍左右，这样以保证流速增大装置区域内的流体基本不影响隔流板外的流体。如果流速增大装置在管件模型轴向上长度较大，可等间距再在两端的隔流板间加装几块隔流板，这样可保证流速增大装置的强度。隔流板上在管件模型通过处，设有椭圆形孔，以避免隔流板碰到振动的管件模型，椭圆的长轴在流线方向上。用来悬挂流速仪的流速仪固定板安装于稳流段前部，流速仪固定板的上端部与增流体连接。在稳流段的后端且与流速仪固定板在同一截面内，安装摄像机固定板，摄像机固定板的两端与上下增流体连接。摄像机固定板的中部安装水下摄像机和相应的光源。在与流速仪固定板同一截面内且在管件模型上方的增流体内开一洞，用来安放水下摄像机和相应的光源，洞口安装隔水玻璃，洞口中心对准管件模型。根据测量要求，在流速增大装置的多个截面内布置相应的流速仪固定板和摄像机固定板，以及在增流体内开相应的洞。所述的端部支撑机构由支撑壳、支撑板、螺栓、弹簧、滑块、十字轴万向连轴器和端部隔流板组成。支撑壳端部开口处与一块垂直管件模型轴向的端部隔流板连接，端部隔流板上开孔以让管件模型通过。支撑壳截面为椭圆形，椭圆长轴与来流方向平行。四块支撑板呈十字形布置于支撑壳内。滑块为圆柱体，在其外表面等间距开四道凹槽，凹槽的长度方向与滑块的轴向一致。滑块置于四块支撑板中部留下的滑槽内，四块支撑板的边缘与滑块表面的四个凹槽对接，滑块能沿支撑板滑动。支撑壳底端板中心处开有内螺纹，螺栓拧入内螺纹，螺栓头部与弹簧连接，弹簧通过滑槽与滑块连接，滑块另一端和十字轴万向连轴器固接，十字轴万向连轴器再与管件模型端部连接。所述的竖向试验支持架由长方形挂柱、上方柱肘板、下方柱肘板、一级加胫板和二级加胫板组成。竖向试验支持架主要用于管件模型竖直于拖曳水池中的涡激振动试验。长方形挂柱的截面为长方形，其与拖车连接端在长边方向上通过上方柱肘板加固。长方形挂柱主要置于空气中。管件模型上端部的端部支撑机构用两根长方形挂柱来悬挂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种竖直于拖曳水池中柔性管件模型的涡激振动试验装置，包括：管件模型（１）、拖车（５）和测量分析系统（６），其特征在于，还包括：端部支撑机构（２）、流速增大装置（３）和竖向试验支持架（４），管件模型（１）穿过流速增大装置（３），管件模型（１）和流速增大装置（３）均竖直置于拖曳水池中，管件模型（１）的两端靠端部支撑机构（２）支持，竖向试验支持架（４）把流速增大装置（３）和端部支撑机构（２）与拖车（６）连接，测量分析系统（７）的各仪器设备分散布置于管件模型（１）、端部支撑机构（２）、流速增大装置（３）、竖向试验支持架（４）和拖车（５）之中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建民，陈刚，胡志强，姚宗，肖龙飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]