一種用於研究深水立管尾流振動的試驗裝置的製作方法

2023-10-21 18:23:32 1

專利名稱：一種用於研究深水立管尾流振動的試驗裝置的製作方法
一種用於研究深水立管尾流振動的試驗裝置本發明涉及研究試驗裝置，尤其涉及一種用於研究深水立管尾流振動的試驗裝置。
深水立管通常是多根立管沿兩個相互垂直的方向等間距排列的，每排立管至少有兩根，多則三至四根。因此，當海流的流動方向與兩根以上的立管排列方向平行時，就形成了上下遊的排列方式，迎著來流方向的第一根立管稱為上遊立管，其他則為下遊立管，行業內稱其為串列立管。現場觀測和實驗室實驗均發現，下遊立管在上遊立管尾流和自身渦激升力的作用，橫向振動遠遠大於上遊立管或單根立管的橫向振動，因為，上遊立管或單根立管僅僅受到自身渦激升力的作用。由於下遊立管的渦旋洩放與上遊立管的尾流渦街是耦合在一起的，因此，尾流振動和渦激振動也是耦合在一起的，兩個振動之間存在相位差，並不等於尾流振動與渦激振動的直接疊加。如果採用現有的渦激振動試驗方法，則無法將尾流振動和渦激振動分離開來，因此，無法研究尾流振動的性質及其與渦激振動的耦合機理。渦激振動是圓柱體尾流場的渦旋洩放誘發的一種振動形式，傳統的渦激振動只研究一個圓柱體的渦激振動問題。由於深水油氣開發工程出現了多根立管沿兩個垂直方向排列的結構形式，因此，當流速與立管的排列方向平行時，迎著來流方向的第一根立管以外的立管均處於其上遊立管的尾流場中，可稱其為尾流立管。現場觀測和實驗室實驗均發現，尾流立管的橫向振動遠遠大於上遊立管或單根立管在同樣流速條件下的橫向振動。分析認為，這是由於尾流立管不僅受到自身渦旋洩放造成的渦激升力，而且受到上遊立管尾流場渦街造成的橫向力作用。由於渦旋洩放具有自身的規律，與流速和圓柱體的振動性質有關，因此，上遊立管尾流發放的渦運動到尾流立管時的形態與兩立管之間的距離有關。而下遊立管的渦旋形成和發放不僅與流速和尾流立管振動形態有關，還與上遊立管的尾流渦運動形態有關，這使問題變得複雜。此外，傳統的立管渦激振動並不包括尾流立管這樣的問題，是深水油氣開發引發了關於尾流立管的流致振動的研究。目前，關於尾流立管的流致振動研究還沒有一種成熟的方法，主要採用傳統渦激振動理論和實驗方法進行研究，而傳統理論和實驗方法不能將上遊立管尾流引起的振動和自身渦激升力引起的振動分離開來，因此，無法研究他們的耦合機理，從而不能建立相應的理論和分析模型與方法。本發明要解決的技術問題是提供一種用於研究深水立管尾流振動的試驗裝置。為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是，一種深水立管尾流振動試驗裝置，包括框架、上遊圓柱和下遊翼形柱；上遊圓柱為圓柱體，按中心軸豎向設置在框架內；下遊翼形柱的橫截面是機翼形，前緣為圓弧形，圓弧形半徑與上遊圓柱的半徑相等，後緣為兩側厚度逐漸收小合攏的翼尾，下遊翼形柱豎向設置在框架內；所述上遊圓柱中心軸線和下遊翼形柱的中心軸線相互平行且在一個平面內，上遊圓柱和下遊翼形柱的間距可通過調節機構調節；所述上遊圓柱的中間部位貼有用於測量上遊圓柱振動的應變片和測量上遊圓柱水動力的壓力傳感器，所述下遊翼形柱的中間部位貼有用於測量下遊翼形柱振動的應變片和測量下遊翼形柱水動力的壓力傳感器。作為改進，框架包括邊撐、頂蓋和底座，頂蓋通過邊撐與底座連接；調節機構包括頂蓋中間設有的頂蓋燕尾槽、可在頂蓋燕尾槽內滑動的第I梯形滑塊和第2梯形滑塊、底座中間設有的底座燕尾槽以及可在底座燕尾槽內滑動的第3梯形滑塊和第4梯形滑塊，且頂蓋燕尾槽朝下與底座燕尾槽相向而置；上遊圓柱的上端與第I梯形滑塊連接，下端與第3梯形滑塊連接；下遊翼形柱的上端與第2梯形滑塊連接，下端與第4梯形滑塊連接。作為進一步的改進，第I梯形滑塊和第3梯形滑塊的頂面均設有圓孔，上遊圓柱的上端與下端均為圓柱形，上遊圓柱的上端與第I梯形滑塊的圓孔連接，下端與第3梯形滑塊的圓孔連接;第2梯形滑塊和第4梯形滑塊的頂面均設有圓孔，下遊翼形柱的上端與下端 均為圓柱形，下遊翼形柱的上端與第2梯形滑塊的圓孔連接，下端與第4梯形滑塊的圓孔連接；下遊翼形柱可在圓孔內轉動。作為更進一步的改進，還包括上遊圓柱鎖定螺釘和下遊翼形柱鎖定螺釘；上遊圓柱鎖定螺釘穿過頂蓋與第I梯形滑塊底面固定連接；下遊翼形柱鎖定螺釘穿過頂蓋與第2梯形滑塊底面固定連接。作為另外一個改進，下遊翼形柱的尾翼採用柔性材料製作並牢固地粘貼在與上遊圓柱體相同規格的圓柱體上，下遊翼形柱的截面寬度大於圓柱體直徑的兩倍。作為優選，上述柔性材料為軟橡膠。本發明的有益效果是提供了一種模擬實驗裝置，用於模擬深水立管尾流振動的試驗研究，並通過試驗研究了解尾流振動的性質，為建立尾流振動的分析模型和方法奠定基礎。下面結合附圖
和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。圖I是本發明深水立管尾流振動試驗裝置實施例I的主視圖。圖2是本發明深水立管尾流振動試驗裝置實施例I的左視圖。圖3是圖I的A向剖視圖。圖4是本發明深水立管尾流振動試驗裝置實施例2的主視圖。圖5是本發明深水立管尾流振動試驗裝置實施例2的左視圖。圖6是圖4的B向剖視圖。圖中，I-邊撐，2-頂蓋，201-燕尾槽，202-圓孔，3_梯形滑塊，4_梯形滑塊，5_上遊圓柱，6-下遊翼形柱，7-梯形滑塊，8-梯形滑塊，9-底座，901-燕尾槽，902-圓孔，11-應變片，12-應變片，13-壓力傳感器，14-壓力傳感器，15-螺釘，16-螺釘。實施例I :圖I是一種深水立管尾流振動試驗裝置，由框架、上遊圓柱和下遊翼形柱構成。在圖3中，上遊圓柱5為圓柱體，按中心軸豎向設置在框架內。下遊翼形柱6的橫截面是前緣為圓弧形且厚度等於上遊圓柱的直徑、後緣兩側厚度逐漸收小合攏的翼形，下遊翼形柱豎向設置在框架內。上遊圓柱中心軸線和下遊翼形柱的中心軸線相互平行且在一個平面內。在上遊圓柱5表面的中間部位貼有用於測量上遊圓柱振動的應變片11和用於測量上遊圓柱水動力的壓力傳感器13，下遊翼形柱6表面的中間部位貼有用於測量下遊翼形柱振動的應變片12和用於測量下遊翼形柱的水動力的壓力傳感器14。框架由頂蓋2通過邊撐I與底座9固定連接構成的。上遊圓柱5和下遊翼形柱6的間距是通過設在框架內的調節機構來調節的。調節機構的結構如下所述在頂蓋2中間設有燕尾槽201以及可在燕尾槽201內滑動的梯形滑塊3和梯形滑塊4。在底座9中間設有的燕尾槽901以及可在燕尾槽901內滑動的梯形滑塊7和梯形滑塊8，並且頂蓋的燕尾槽201朝下，與底座9的燕尾槽901相向而置。上遊圓柱5的上端與梯形滑塊3連接，下端與梯形滑塊7連接；下遊翼形柱6的上端與梯形滑塊4連接，下端與梯形滑塊8連接。更具體的來說，梯形滑塊3和梯形滑塊7的頂面均設有圓孔，上遊圓柱5的上端與下端均為圓柱形，上遊圓柱的上端插入梯形滑塊3的圓孔內，下端插入梯形滑塊7的圓孔內。同樣，梯形滑塊4和梯形滑塊8的頂面均設有圓孔，下遊翼形柱6的上端與下端均為圓柱形，下遊翼形柱的上端插入第2梯形滑塊4的圓孔內，下端插入第4梯形滑塊8的圓孔內，下遊翼形柱可在圓孔內自由轉動。按照上述調節機構的結構，上遊圓柱5與下遊翼形柱6的間距可以通過設在頂蓋燕尾槽201和底座燕尾槽901內的滑塊滑動來調節。並通過螺釘15和螺釘16來固定上遊圓柱5與下遊翼形柱6的間距。具體結構是，螺釘15穿過頂蓋與梯形滑塊3底面固定連接(圖2)，螺釘16穿過頂蓋與梯形滑塊4底面固定連接。為了方便試驗的操作，可以在頂蓋上面預先設定每個不同間距的螺釘孔。下遊翼形柱6的尾翼採用柔性材料製作並牢固地粘貼在與上遊圓柱體相同規格的圓柱體上，製作時要求下遊翼形柱6的截面寬度大於圓柱體直徑的兩倍。上述柔性材料可以是軟橡膠，也可以是軟塑料。工作方式本實施例使用時，讓水流以達到設定的雷諾數的速度流過上遊圓柱5和下遊翼形柱6的表面，並通過分別貼在上遊圓柱和下遊翼形柱表面的應變片和壓力傳感器測量得到相應的試驗數據。本實施例主要用於研究上遊圓柱的尾流對下遊圓柱體的作用力及其引起的下遊圓柱體振動，因此，只採用兩根圓柱體。下遊之所以採用機翼形的翼形柱，是因為自由轉動的翼形柱在水流衝擊下，由於翼尾的作用能夠始終保持其正面對著水流方向，其表面貼有的應變片和壓力傳感器不會因位置轉動變化造成測量數據不準確。這裡需要說明，採用三根圓柱體的結構不適用於尾流振動的機理研究。如果採用三根圓柱體，則第二根圓柱體的尾流處將受到第三根圓柱體的影響，從而使第二根圓柱體的振動不僅是由上遊圓柱體的尾流引起的振動。另外，由於第三根圓柱體的上遊有兩個圓柱體，這兩個圓柱體的尾流將耦合在一起，使第三根圓柱體的振動也不是純粹的尾流振動。實施例2 本實施例在於調節機構不同於實施例I，其他結構與實施例I相同。
在圖4中，在頂蓋2中間設有與上遊圓柱上下端相適配的12個圓孔202，12個圓孔202沿頂蓋2的中心線排列。同樣，在底座9中間也設有與下遊翼形柱上下端相適配的12個圓孔902，12個圓孔902沿底座的中心線排列(圖6)，頂蓋2上的圓孔202中心與底座9的圓孔902中心對齊。圓孔202與圓孔902的直徑相同，且等於上遊圓柱5的直徑。需要調節上遊圓柱5和下遊下遊翼形柱6間距時，卸下頂蓋，選擇在不同間距的圓孔202和902內分別插入上遊圓柱5和下遊下遊翼形柱6後合上頂蓋即可(圖5)。本實施例中，可調節的最大間距達到10倍上遊圓柱5的直徑，最小為I倍上遊圓柱5的直徑。相比實施例I，本實施例結構更加簡單。以上內容僅僅是對本發明如何實施所作的舉例和說明，而不是限制本發明的保護範圍，所屬本技術領域的技術人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離發明的結構或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種用於研究深水立管尾流振動的試驗裝置，其特徵在於包括框架、上遊圓柱和下遊翼形柱；所述上遊圓柱為圓柱體，按中心軸豎向設置在框架內；所述下遊翼形柱的橫截面是機翼形，前緣為圓弧形，圓弧形半徑與上遊圓柱的半徑相等，後緣為兩側厚度逐漸收小合攏的翼尾，下遊翼形柱豎向設置在框架內；所述上遊圓柱中心軸線和下遊翼形柱的中心軸線相互平行且在一個平面內，上遊圓柱和下遊翼形柱的間距可通過調節機構調節；所述上遊圓柱的中間部位貼有用於測量上遊圓柱振動的應變片和測量上遊圓柱水動力的壓力傳感器，所述下遊翼形柱的中間部位貼有用於測量下遊翼形柱振動的應變片和測量下遊翼形柱水動力的壓力傳感器。
2.根據權利要求I所述的試驗裝置，其特徵在於所述框架包括邊撐、頂蓋和底座，所述頂蓋通過邊撐與底座連接；所述調節機構包括頂蓋中間設有的頂蓋燕尾槽、可在頂蓋燕尾槽內滑動的第I梯形滑塊和第2梯形滑塊、所述底座中間設有的底座燕尾槽以及可在底座燕尾槽內滑動的第3梯形滑塊和第4梯形滑塊，且頂蓋燕尾槽朝下與底座燕尾槽相向而置；所述上遊圓柱的上端與第I梯形滑塊連接，下端與第3梯形滑塊連接；所述下遊翼形柱的上端與第2梯形滑塊連接，下端與第4梯形滑塊連接。
3.根據權利要求2所述的試驗裝置，其特徵在於所述第I梯形滑塊和第3梯形滑塊的頂面均設有圓孔，上遊圓柱的上端與下端均為圓柱形，上遊圓柱的上端與第I梯形滑塊的圓孔連接，下端與第3梯形滑塊的圓孔連接；所述第2梯形滑塊和第4梯形滑塊的頂面均設有圓孔，下遊翼形柱的上端與下端均為圓柱形，下遊翼形柱的上端與第2梯形滑塊的圓孔連接，下端與第4梯形滑塊的圓孔連接；下遊翼形柱可在圓孔內轉動。
4.根據權利要求I所述的試驗裝置，其特徵在於還包括上遊圓柱鎖定螺釘和下遊翼形柱鎖定螺釘；所述上遊圓柱鎖定螺釘穿過頂蓋與第I梯形滑塊底面固定連接；所述下遊翼形柱鎖定螺釘穿過頂蓋與第2梯形滑塊底面固定連接。
5.根據權利要求I所述的試驗裝置，其特徵在於所述下遊翼形柱的尾翼採用柔性材料製作並牢固地粘貼在與上遊圓柱體相同規格的圓柱體上，下遊翼形柱的截面寬度大於圓柱體直徑的兩倍。
6.根據權利要求I所述的試驗裝置，其特徵在於所述柔性材料為軟橡膠或軟塑料。
全文摘要
本發明公開了一種用於研究深水立管尾流振動的試驗裝置，包括框架、上遊圓柱和下遊翼形柱；上遊圓柱為圓柱體，按中心軸豎向設置在框架內；下遊翼形柱的橫截面是機翼形，前緣為圓弧形，圓弧形半徑與上遊圓柱的半徑相等，後緣為兩側厚度逐漸收小合攏的翼尾，下遊翼形柱豎向設置在框架內；上遊圓柱中心軸線和下遊翼形柱的中心軸線相互平行且在一個平面內，上遊圓柱和下遊翼形柱的間距可通過調節機構調節；上遊圓柱的中間部位貼有應變片和壓力傳感器，下遊翼形柱的中間部位貼有應變片和壓力傳感器。本發明提供了一種模擬實驗裝置，用於模擬深水立管尾流振動的試驗研究，並通過試驗研究了解尾流振動的性質，為建立尾流振動的分析模型和方法奠定基礎。
文檔編號G01M7/02GK102661838SQ201210107718
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者李志強, 鍾詩民, 黃維平 申請人:中國海洋大學