CN102359857A

CN102359857A - 斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置

Info

Publication number: CN102359857A
Application number: CN2011102326079A
Authority: CN
Inventors: 付世晓; 宋磊建; 李曼; 王俊高; 张蒙蒙
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明适用于海洋工程领域，提供了一种斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，包括：深海立管模块、假体模块、水平滑动模块、垂直滑动模块和测量分析控制模块，其中，深海立管模块两端分别与端部假体模块连接，垂直滑动模块分别与端部假体模块和水平滑动模块连接，水平滑动模块与拖车底部固定连接，深海立管模块与垂直模块呈一定角度安装，测量分析控制模块置于拖车上，与端部假体模块、两个滑动模块相连接。本发明采用大尺度立管分段，使试验雷诺数在10⁶范围以避免尺度效应。本发明所公开的实验装置，采用双向强迫运动，且可以模拟来流不垂直于立管的特殊海况，极真实的模拟立管涡激振动形式，同时采用端部假体解决了实验中模型两边出现边界效应的问题。

Description

斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置

技术领域

本发明属于海洋工程领域，尤其涉及一种斜向均匀流作用下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置。

背景技术

实际海洋环境中的立管均为细长柔性结构，在洋流的作用下会产生涡激振动。这种振动对整个立管而言，是自激产生的；但如果考虑每一节可以视为刚体的分段，那么这种振动却是受迫振荡。由于柔性立管的每一小部分可以看作为刚性圆柱体，所以要想深入研究细长柔性海洋立管在真实环境的洋流作用下的涡激振动特性，可以从微观的简单的问题入手，即对强迫振荡中的刚性圆柱体在均匀来流作用下的受力、运动响应、尾流形态等进行研究。

Ramnarayan Gopalkrishnan于1993年在MIT发表的论文“Vortex-Introduced Forces on Oscillating Bluff Cylinders”(圆柱的涡激振动受力研究)是关于刚性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种刚性管件涡激振动模型试验技术，把刚性立管横置于拖曳水池中，拖车拖动立管模型产生均匀流场。经分析，该试验技术的不足之处在于：

1、试验用立管分段过于细长，如曾有人取分段直径为2.54cm，长度为60cm，这就导致其装置只能模拟低雷诺数下的涡激振动，不能对真实海况下的高雷诺数状态进行模拟，容易出现尺度效应；2、试验只能进行一个自由度的涡激振动模拟，不能很准确的模拟立管涡激振动形式；3、没有对边界进行有效处理，模型边界效应会影响实验结果；4、不能模拟来流不垂直于立管的特殊海况。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，旨在解决现有试验装置只能模拟较低雷诺数海况，只能用单自由度强迫振动模拟涡激振动，不能模拟来流不垂直于立管的特殊海况，且没有对立管分段进行边界处理的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，包括深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块和测量分析控制模块，其中：深海立管模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接，第一垂直滑动模块分别与第一端部假体模块和第一水平滑动模块连接，第二垂直滑动模块分别于第二端部假体模块和第二水平滑动模块连接，第一水平滑动模块与拖车底部一端固定连接并和第一垂直滑动模块连接，第二水平滑动模块与拖车底部另一端固定连接并和第二垂直滑动模块连接，深海立管模块与第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块呈一定角度安装，测量分析控制模块设置于拖车上，分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块相连接。

所述的深海立管模块包括：两个立管固定接头和深海立管模型，其中：深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接。

所述的第一端部假体模块包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中：假体外筒与挡流板固定，三分力仪分别与深海立管模块中的固定接头和三分力仪固定板相连，三分力仪固定板一端与三分力仪连接，另一端与楔块固接，楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和第一垂直滑动模块固接，假体外筒轴心线与档流板平面的法线成一定夹角，三分力仪固定板中心线及三分力仪中心线均与假体外筒轴心线重合，三分力仪与楔块斜侧面垂直固定；所述的第二端部假体模块与第一端部假体模块是镜像对称结构。

所述的第一水平滑动模块包括：动力组件、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道、支撑架，其中：动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一垂直滑动模块相固接，支撑架上端与拖车固接，下端与滑动轨道固接，滑动轨道平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块垂直；所述的第二水平滑动模块与第一水平滑动模块成镜像对称结构。

所述的第一垂直滑动模块包括：动力组件、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道和整流罩，其中：动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一端部假体模块相固接；滑动轨道垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块垂直，其上端与第一水平滑动模块连接，下端自由悬空；滑动轨道的两侧安装有整流罩。所述的第二垂直滑动模块与第一垂直滑动模块成镜像对称结构。

所述的测量分析控制模块包括：数据采集器、运动控制器和显示器，其中：数据采集器的输入端上述第一、二端部假体模块中的两个三分力仪想连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一、二垂直滑动模块和第一、二水平滑动模块中的四套动力组件相连接，图像显示端口与显示器相连接。

所述深海立管模型直径为250mm，长度为3m。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明采用特殊的端部假体装置，其中的第一、二端部假体模块固定在滑块上，与中间模型相互独立，立管模型两端通过测力计直接固定在滑块上，因此测力计测量得到的数据是中间模型上实际所受到的力，而第一、二端部假体模块起到了制造模拟流场的作用，但不对测量装置直接产生影响，解决了实验中模型两边出现边界效应的问题。本发明采用的立管分段直径可达250mm，长度可达3m，细长比达到了1/12，这样子在正常的拖车运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数10⁶范围，有效的避免了尺度效应。本发明采用两组动力装置，可以在两个方向上进行不同振幅不同频率的强迫振动，且能模拟来流不垂直于立管的特殊海况，更真实的模拟涡激振动，以得到更真实的试验结果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的实验装置在拖车上的安装示意图。

图2是本发明实施例提供的实验装置的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的实验装置的俯视图。

图4是本发明实施例提供的深海立管模块的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的端部假体模块的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的垂直滑动模块的结构示意图。

图7是本发明实施例提供的垂直滑动模块的侧视图。

图8是本发明实施例提供的水平滑动模块的结构示意图。

图9是本发明实施例提供的水平滑动模块的俯视图。

图10是本发明实施例提供的测量分析控制模块的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2和图3所示，本装置包括：深海立管模块1、第一端部假体模块2、第二端部假体模块3、第一垂直滑动模块4、第二垂直滑动模块5、第一水平滑动模块6、第二水平滑动模块7和测量分析控制模块8，其中：深海立管模块1两端分别与第一端部假体模块2和第二端部假体模块3连接，第一垂直滑动模块4分别与第一端部假体模块2和第一水平滑动模块6连接，第二垂直滑动模块5分别与第二端部假体模块3和第二水平滑动模块7连接，第一水平滑动模块6与拖车9一端底部固定连接并和第一垂直滑动模块4连接，第二水平滑动模块7与拖车9另一端底部固定连接并和第二垂直滑动模块5连接，深海立管模块1与第一垂直滑动模块4、第二垂直滑动模块5之间呈一定角度安装，测量分析控制模块8设置于拖车9上，分别与第一端部假体模块2、第二端部假体模块3、第一水平滑动模块6、第二水平滑动模块7、第一垂直滑动模块4、第二垂直滑动模块5相连接。拖车9以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行。

如图2和图4所示，所述的深海立管模块1包括：两个立管固定接头102、103和深海立管模型101，其中：深海立管模型101两端分别与两个立管固定接头102、103连接，两个立管固定接头102、103分别与第一端部假体模块2和第二端部假体模块3连接。立管固定接头102、103为固定连接，避免立管模型在实验时发生松动。

如图2和图5所示，所述的第一端部假体模块2包括：假体外筒201、三分力仪202、三分力仪固定板203、楔块204、支座205、调整组件206、固定板207、垫板208、挡流板209，其中：假体外筒201与挡流板209固定，三分力仪202分别与深海立管模块1中的固定接头102、103和三分力仪固定板203相连，三分力仪固定板203一端与三分力仪202连接，另一端与楔块204固接，楔块204贯穿挡流板209，并在挡流板209内侧用支座205与挡流板209固接，挡流板209另一侧的楔块204与垫板208连接，固定板207通过垫板208与楔块204固接，调整组件206分别与固定板207和第一垂直滑动模块4固接，假体外筒201轴心线与档流板209平面的法线成一定夹角，三分力仪固定板203中心线及三分力仪202中心线均与假体外筒201轴心线重合，三分力仪202与楔块204斜侧面垂直固定。第二端部假体模块3与第一端部假体模块2是镜像对称结构，在此不再赘述。

如图2、图8和图9所示，所述的第一水平滑动模块6包括：动力组件601、法兰装置602、滑块603、导链604、滑动轨道605和支撑架606，其中：动力组件601通过法兰装置602与滑动轨道605相连，其旋转轴通过导链604连接至滑块603，滑块603滑动支撑在滑动轨道605上，并与第一垂直滑动模块4相固接，支撑架606上端与拖车9固接，下端与滑动轨道605固接，滑动轨道605平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块4垂直；所述的第二水平滑动模块7与第一水平滑动模块6成镜像对称结构,在此不再赘述。

如图2、图6和图7所示，所述的第一垂直滑动模块4包括：动力组件401、法兰装置402、滑块403、导链404、滑动轨道405和整流罩406，其中：动力组件401通过法兰装置402与滑动轨道405相连，其旋转轴通过导链404连接至滑块403，滑块403滑动支撑在滑动轨道405上，并与第一端部假体模块2中的调整组件206相固接，滑动轨道405垂直于拖曳水池池底并与第一固定模块6垂直，其上端与第一固定模块6固定连接，下端自由悬空；滑动轨道405的两侧安装有整流罩406。所述的第二垂直滑动模块5与第一垂直滑动模块4成镜像对称结构,在此不再赘述。

如图10所示，所述的测量分析控制模块8包括：数据采集器801、运动控制器802和显示器803，其中：数据采集器801的输入端与上述第一、二端部假体模块2、3中的两个三分力仪202相连接，其输出端与显示器803相连接；运动控制器802共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一水平滑动模块6、第二水平滑动模块7、第一垂直滑动模块4、第二滑动模块5中的四套动力组件601、401相连接，图像显示端口与显示器803相连接。

本实施例中，深海立管模型101直径可取250mm，长度可取3m，其细长比达到了1/12，在拖车9的正常运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数10⁶范围，有效的避免了尺度效应。

工作原理：

试验时，由测量分析控制模块8中的运动控制器802向动力组件601、401和拖车9发出运动指令：拖车9以一定速度在拖曳水池中沿水平方向前行，在静水中前进获得相对速度，以模拟深海立管模型101静置于斜向均匀来流中的情形，拖车速度应根据深海立管模型101的尺寸配合实际海况下的雷诺数合理选取；而动力组件601、401带动深海立管模块1以设定的振幅和频率沿顺流方向和垂直来流方向在滑动轨道605、405上做往复振动，以模拟局部分段涡激振动的双自由度振动的情形。试验过程中，第一、二端部假体模块2、3中的三分力仪202测出深海立管模型101在实验过程中的所受力的大小，并将数值传输到测量分析控制模块8中的数据采集器801，数据采集器801进而将数据传输到显示器803显示成可视数据。显示器803的另一个作用就是显示运动控制器802发出的控制指令。

本装置采用特殊的端部假体装置，其中的第一、二端部假体模块2、3固定在滑块403上，与立管模型101相互独立，立管模型101两端通过三分力仪202直接固定在滑块403上，因此三分力仪202测量得到的数据是立管模型101上实际所受到的力，而第一、二端部假体模块2、3起到了制造模拟流场的作用，但不对测量装置直接产生影响，能有效解决实验中立管模型101两边出现边界效应的问题。本发明采用的深海立管模型101直径可达250mm，长度可达3m，细长比达到了1/12，这样子在正常的拖车运动速度范围内，试验工况可以达到实雷诺数10⁶范围，有效的避免了尺度效应。本发明采用两组动力装置，可以在两个方向上进行不同振幅不同频率的强迫振动，且能模拟来流不垂直于立管的特殊海况，更真实的模拟涡激振动，以得到更真实的试验结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述装置主要由深海立管模块、第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块和测量分析控制模块组成，其中：深海立管模块两端分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接，第一垂直滑动模块分别与第一端部假体模块和第一水平滑动模块连接，第二垂直滑动模块分别与第二端部假体模块和第二水平滑动模块连接，第一水平滑动模块与拖车底部一端固定连接并和第一垂直滑动模块连接，第二水平滑动模块与拖车底部另一端固定连接并和第二垂直滑动模块连接，深海立管模块与第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块呈一定角度安装，测量分析控制模块设置于拖车上，分别与第一端部假体模块、第二端部假体模块、第一垂直滑动模块、第二垂直滑动模块、第一水平滑动模块、第二水平滑动模块相连接。

2.如权利要求1所述的斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的深海立管模块包括：两个立管固定接头和深海立管模型，其中：深海立管模型两端分别与两个立管固定接头连接，两个立管固定接头分别与第一端部假体模块和第二端部假体模块连接。

3.如权利要求2所述的斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一端部假体模块包括：假体外筒、三分力仪、三分力仪固定板、楔块、支座、调整组件、固定板、垫板、挡流板，其中：假体外筒与挡流板固定，三分力仪分别与深海立管模块中的固定接头和三分力仪固定板相连，三分力仪固定板一端与三分力仪连接，另一端与楔块固接，楔块贯穿挡流板，并在挡流板内侧用支座与挡流板固接，挡流板另一侧的楔块与垫板连接，固定板通过垫板与楔块固接，调整组件分别与固定板和第一垂直滑动模块固接，假体外筒轴心线与档流板平面的法线成一定夹角，三分力仪固定板中心线及三分力仪中心线均与假体外筒轴心线重合，三分力仪与楔块斜侧面垂直固定；所述的第二端部假体模块与第一端部假体模块是镜像对称结构。

4.如权利要求3所述的斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一水平滑动模块包括：动力组件、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道、支撑架，其中：动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一垂直滑动模块相固接，支撑架上端与拖车固接，下端与滑动轨道固接，滑动轨道平行于拖曳水池池底并与第一垂直滑动模块垂直；所述的第二水平滑动模块与第一水平滑动模块成镜像对称结构。

5.如权利要求4所述的斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的第一垂直滑动模块包括：动力组件、法兰装置、滑块、导链、滑动轨道和整流罩，其中：动力组件通过法兰装置与滑动轨道相连，其旋转轴通过导链连接至滑块，滑块滑动支撑在滑动轨道上，并与第一端部假体模块相固接；滑动轨道垂直于拖曳水池池底并与第一水平滑动模块垂直，其上端与第一水平滑动模块连接，下端自由悬空；滑动轨道的两侧安装有整流罩；所述的第二垂直滑动模块与第一垂直滑动模块成镜像对称结构。

6.如权利要求5所述的斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述的测量分析控制模块包括：数据采集器、运动控制器和显示器，其中：数据采集器的输入端与上述第一、二端部假体模块中的两个三分力仪相连接，其输出端与显示器相连接；运动控制器共有两个输出端口，运动控制输出端口与上述第一、二垂直滑动模块和第一、二水平滑动模块中的四套动力组件相连接，图像显示端口与显示器相连接。

7.如权利要求2至6中任一所述的一种斜向均匀流下的深海立管分段模型双向强迫振动实验装置，其特征在于，所述深海立管模型直径为250mm，长度为3m。