CN109269749B - 一种悬跨管道涡激振动测试的试验水槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬跨管道涡激振动测试的试验水槽，该试验水槽为上端面开口的长方体，并由水流隔板上下分为试验段和引流段两部分，所述试验水槽上安装有流向导流装置、动力可调装置、稳定水流装置、悬跨管道悬挂装置、位置调节装置以及数据采集装置，本发明试验水槽中，上整流栅可以等距移动，平流板采用插槽方式安装，可达到插槽防冲撞、开细长孔可缓冲，且方便拆装试验，且结构上安装合理，悬跨管道有多管径用于不同管径的试验，横向和顺向弹簧方便安装拆卸，且圆柱悬挂板与拼接板可移动替换，可做水流不同流向方向的试验，本发明试验水槽结构简单且紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及试验测试悬跨管道的涡激振动时试验水槽装置的结构设计，具体涉及一种悬跨管道涡激振动测试的试验水槽。
背景技术
涡激振动是悬跨管道在流场作用下的一种特殊振动形式,是一定流速的流场作用下，悬跨管道尾流处的涡旋脱落引起的振动。为了掌握悬跨管道涡流振动的机理与规律，常通过物理试验的方法研究悬跨管道的涡激振动。现有悬跨管道涡激振动的试验测试的装置常通过试验水槽产生均匀流场，采用超声位移传感器及其相关设备，测试均匀流场作用下弹性支撑的悬跨管道模型的横向振动或流向振动。该悬跨管道涡激振动试验测试的装置与方法常存在以下三个方面的不足：(1)均匀流场的产生方面，目前的试验水槽，动力装置常采用水泵推动水流，产生的水流易翻涌和激荡，通过整流栅的作用进行一次整流，虽可使水流流动平缓，但流场仍然不十分均匀；(2)悬跨管道的悬挂方面，常在悬跨管道两端采用两弹簧悬挂悬跨管道于流场内，因此悬跨管道只有横向的弹性支撑，而无流向的弹性支撑，难以合理模拟海底悬跨管道受到的海床土体的作用；(3)测试装置方面，由于采用超声位移传感器及其相关设备试验测试悬跨管道的涡激振动，难于同时测试悬跨管道流向或横向的两自由度振动。同时测试悬跨管道的流向或横向振动时，由于悬跨管道存在另一方向的振动，导致障碍物悬跨管道在其运动而使反射面发生变化，将影响悬跨管道流向或横向振幅的测量结果，导致悬跨管道流向振动频率的实验结果不准确。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种悬跨管道涡激振动测试的试验水槽，该试验水槽在涡激振动试验中能够产生稳定的均匀流场，悬跨管道的弹性支撑方式以合理模拟海底悬跨管道受到的海床土体作用，以及合理的传感器安装方法以同时测试悬跨管道流向和横向的振动，避免传感器影响流场形态和减少传感器影响实际振动。
本发明采取的具体技术方案是：
一种悬跨管道涡激振动测试的试验水槽，该试验水槽为上端面开口的长方体，并由水流隔板上下分为试验段和引流段两部分，所述试验水槽上安装有流向导流装置、动力可调装置、稳定水流装置、悬跨管道悬挂装置、位置调节装置以及数据采集装置，其中：
所述流向导流装置由前导流板、后导流板、平流侧板以及平流板组成，前导流板安装于水流隔板的前端部，后导流板安装于水流隔板的后端部，后导流板下端设计有三个或三个以上圆弧柄，两圆弧柄之间构成水流槽腔，所述前导流板和后导流板都具有一定的圆弧度且前翘后起起到引流导流的作用；平流侧板紧贴试验水槽内壁，安装于水流隔板上靠近前导流板的一侧，平流板安装于平流侧板上；
所述动力可调装置为电动推进器，所述电动推进器由可调电机、螺旋桨叶构成，其安装在后导流板下端圆弧柄上；
所述稳定水流装置由下整流栅和上整流栅组成，下整流栅与上整流栅分别布置有大小相等的多排多列的方格，其中，下整流栅位于引流段右端靠近电动推进器位置，上整流栅位于试验段左端；
所述悬跨管道悬挂装置位于试验段内，由悬跨管道、悬跨管道悬挂板、顺向弹簧、横向弹簧组成，其中，悬跨管道悬挂板紧贴于试验水槽内壁，其中部开有十字孔，十字孔上下高比左右长，横向弹簧一端连十字孔上侧，另一端连悬跨管道，顺向弹簧一端连十字孔左端，另一端连悬跨管道，横向和顺向弹簧使悬跨管道铅垂垂直并位于同一水平面；
所述位置调节装置由侧板、拼接板组成，其中，侧板位于引流段两侧，紧贴试验水槽内壁，用于对水流隔板的支撑；拼接板位于试验段两侧，紧贴试验水槽内壁，可与悬跨管道悬挂板进行位置移动和替换，拼接板之间采用凸凹槽的形式连接；
所述数据采集装置安装于悬跨管道内，由传感器安装装置、传感器组成，其中，传感器安装于传感器安装装置上，传感器安装装置为套环件，其在管内紧贴悬跨管道内壁，悬跨管道两端安装有密封盖，密封盖中央以及同心圆的位置均布开有等大的三个圆孔，每一位置的套环件上安装的传感器引线对应一个圆孔位置，引线穿过的圆孔上紧密安装有密封圈，引线在从密封圈中引出，未使用的圆孔紧密安装密封垫，以备后用。
优选地，所述试验水槽为玻璃水槽。
优选地，所述试验段与引流段高占比为2:1。
优选地，所述平流板上开有三道细长孔。
优选地，所述平流板安装为插槽式安装。
优选地，所述平流侧板上开有等距等宽的槽，上整流栅在平流侧板上等距位置移动安装。
优选地，所述下整流栅方格比上整流栅更大更疏松。
优选地，所述拼接板每侧数目在6-8块。
优选地，所述悬跨管道两端近于试验水槽内壁或在悬跨管道悬挂板厚度的中间面上。
优选地，悬跨管道内均布对称安装三或五个测试的传感器安装装置，其上安装的传感器安装于同一侧同一水平面上。
本发明的有益效果是：
1.本发明试验水槽中，上整流栅可以等距移动，平流板采用插槽方式安装，可达到插槽防冲撞、开细长孔可缓冲，且方便拆装试验，且结构上安装合理，悬跨管道有多管径用于不同管径的试验，横向和顺向弹簧方便安装拆卸，且圆柱悬挂板与拼接板可移动替换，可做水流不同流向方向的试验，本发明试验水槽结构简单且紧凑。
2.本发明采用上下整流栅，上下整流栅方格梳密大小不一样，可有效对水流二次稳流，在试验段产生均匀流场。
3.本发明中套环件整体贴合于悬跨管道腔体内，制造较为精密，无轴向窜动且对流场无影响。
4.本发明中悬跨管道有多管径用于不同管径的试验,可匀称安装传感器于悬跨管道内壁，安装方向一致，测得的实际位移、速度以及加速度的更为精确。
5.本发明中拼接板和悬跨管道悬挂板可移动替换，可对不同方位水流测试且拆装方面，电动推进器的安装方式简单可靠，且均布排列在水槽横截面，保证水流的稳定运动且截面的流速一致
6.本发明可以根据实际情况可以增加拼接板的数目，依据测量数据的不同，可以根据实际的尺寸和需求进行更改安装结构的外形，来解决了大柔性的悬跨管道的涡激振动大比例模型试验问题。
附图说明
图1为实施例所述试验水槽的整体结构示意图；
图2为图1左端局部放大图；
图3为图1右端局部放大图；
图4为动力可调装置放大图；
图5为悬跨管道悬挂装置局部放大图；
图6为数据采集装置结构图；
图7为数据采集装置在悬跨管道内的安装示意图；
图中：a.试验段；b.引流段；c.水流隔板；11.前导流板；12.后导流板；121.圆弧柄；122.水流槽腔；13.平流侧板；14.平流板；141.细长孔；2.电动推进器；21.可调电机；22.螺旋桨叶；31.下整流栅；32.上整流栅；41.悬跨管道；411.密封盖；412.密封圈；413.密封垫；42.悬跨管道悬挂板；43.顺向弹簧；44.横向弹簧；51.侧板；52.拼接板；61.传感器安装装置；62.传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例
一种悬跨管道涡激振动测试的试验水槽，其为玻璃水槽，如图1所示，该试验水槽为上端面开口的长方体，并由水流隔板c上下分为试验段a和引流段b两部分，试验段a与引流段b高占比为2:1；所述试验水槽上安装有流向导流装置、动力可调装置、稳定水流装置、悬跨管道悬挂装置、位置调节装置以及数据采集装置，其中：
结合图2、3所示，所述流向导流装置由前导流板11、后导流板12、平流侧板13以及平流板14组成，前导流板11安装于水流隔板c的前端部，后导流板12安装于水流隔板c的后端部，后导流板12下端设计有三个或三个以上圆弧柄121，两圆弧柄121之间构成水流槽腔122，所述前导流板11和后导流板12都具有一定的圆弧度且前翘后起起到引流导流的作用；平流侧板13紧贴试验水槽内壁，安装于水流隔板c上靠近前导流板11的一侧，平流侧板13上开有等距等宽的槽，平流板14插槽式安装于平流侧板13上，平流板14上开有三道细长孔141，其对水流遇阻激流上流时，对水流和水量进行缓冲；
如图4所示，所述动力可调装置为电动推进器2，所述电动推进器由可调电机21、螺旋桨叶22构成，其安装在后导流板12下端圆弧柄上；
如图1所示，所述稳定水流装置由下整流栅31和上整流栅32组成，下整流栅31与上整流栅32分别布置有大小相等的多排多列的方格，其中，下整流栅31位于引流段b右端靠近电动推进器2位置，对水流进行第一次稳流，使在引流段b进行初次稳流，上整流栅32安装在试验段a且位于左端，具体为在平流侧板13上等距位置移动安装，实现二次稳流，最终在试验段a产生稳定的均匀流场；下整流栅32方格比上整流栅31更大更疏松，靠近电动推进器2的水流大且翻涌强，下整流栅32初步整流水流，流水流经上整流栅31时需再次加强整流；
如图5所示，所述悬跨管道悬挂装置位于试验段内，由悬跨管道41、悬跨管道悬挂板42、顺向弹簧43、横向弹簧44组成，其中，悬跨管道悬挂板42紧贴于试验水槽内壁，其中部开有十字孔，十字孔上下高比左右长，横向弹簧44一端连十字孔上侧，另一端连悬跨管道41，顺向弹簧43一端连十字孔左端，另一端连悬跨管道41，横向弹簧44和顺向弹簧43使悬跨管道41铅垂垂直并位于同一水平面，所述悬跨管道41两端近于试验水槽内壁或在悬跨管道悬挂板42厚度的中间面上；
如图1所示，所述位置调节装置由侧板51、拼接板52组成，其中，侧板51位于引流段b两侧，紧贴试验水槽内壁，用于对水流隔板c的支撑；拼接板52位于试验段a两侧，紧贴试验水槽内壁，拼接板52每侧数目在6-8块，拼接板52之间采用凸凹槽的形式连接，可与悬跨管道悬挂板42进行位置移动和替换，悬跨管道悬挂板42不同位置的摆放，可使来流与悬跨管道41垂直，也可使来流与悬跨管道41形成不同的倾斜角，从而可研究垂直来流与倾斜来流对悬跨管道涡激振动的影响；
如图6、7所示，所述数据采集装置安装于悬跨管道41内，由传感器安装装置61、传感器62组成，其中，传感器62安装于传感器安装装置61上，传感器安装装置61为套环件，其在管内紧贴悬跨管道41内壁，悬跨管道41两端安装有密封盖411，密封盖411中央以及同心圆的位置均布开有等大的三个圆孔，每一位置的套环件上安装的传感器引线621对应一个圆孔位置，传感器引线621穿过的圆孔上紧密安装有密封圈412，传感器引线621在从密封圈412中引出，未使用的圆孔紧密安装密封垫413，以备后用，所述悬跨管道41内均布对称安装三或五个测试的传感器安装装置61，其上安装的传感器62安装于同一侧同一水平面上。
试验水槽运行过程：可调电机21带动螺旋桨叶22旋转，推动水体进入引流段b，经过下整流栅32，使水流初次稳流；随后水体沿前导流板11导流，经过上整流栅31再次稳流，在试验段a产生均匀流场；最后，流场流经后导流板12，经电动推进器2再次进入引流段b，形成环流。
悬跨管道涡激振动的试验测试过程：在试验水槽的试验段a产生的均匀流场中，放置与来流垂直或倾斜的悬跨管道41，其内腔安装有多个均匀分布的传感器安装装置61，即套环件，使悬跨管道41与三轴加速度传感器62同步振动；悬跨管道41的两端通过横向弹簧44和顺向弹簧43与悬跨管道悬挂板42连接，可进行顺向和横向的振动，套环件安装的三轴加速度传感器62的传感器引线621从悬跨管道41中引出，在经端口密封盖411的圆孔引出，连接悬跨管道41的振动测试与分析***，采集与分析悬跨管道41顺向和横向振动的加速信号，因此，悬跨管道41在均匀流场的作用下，发生顺向和横向的振动，其加速度信号被固定安装于悬跨管道41内腔的三轴加速度传感器62接收后，传输至振动测试与分析***，可获得悬跨管道41的顺向和横向的振动。
Claims (8)
1.一种悬跨管道涡激振动测试的试验水槽，其特征在于该试验水槽为上端面开口的长方体，并由水流隔板上下分为试验段和引流段两部分，所述试验水槽上安装有流向导流装置、动力可调装置、稳定水流装置、悬跨管道悬挂装置、位置调节装置以及数据采集装置，其中：
所述流向导流装置由前导流板、后导流板、平流侧板以及平流板组成，前导流板安装于水流隔板的前端部，后导流板安装于水流隔板的后端部，后导流板下端设计有三个或三个以上圆弧柄，两圆弧柄之间构成水流槽腔，所述前导流板和后导流板都具有一定的圆弧度且前翘后起起到引流导流的作用；平流侧板紧贴试验水槽内壁，安装于水流隔板上靠近前导流板的一侧，平流板安装于平流侧板上；
所述动力可调装置为电动推进器，所述电动推进器由可调电机、螺旋桨叶构成，其安装在后导流板下端圆弧柄上；
所述稳定水流装置由下整流栅和上整流栅组成，下整流栅与上整流栅分别布置有大小相等的多排多列的方格，其中，下整流栅位于引流段右端靠近电动推进器位置，上整流栅位于试验段左端；
所述悬跨管道悬挂装置位于试验段内，由悬跨管道、悬跨管道悬挂板、顺向弹簧、横向弹簧组成，其中，悬跨管道悬挂板紧贴于试验水槽内壁，其中部开有十字孔，十字孔上下高比左右长，横向弹簧一端连十字孔上侧，另一端连悬跨管道，顺向弹簧一端连十字孔左端，另一端连悬跨管道，横向和顺向弹簧使悬跨管道铅垂垂直并位于同一水平面；
所述位置调节装置由侧板、拼接板组成，其中，侧板位于引流段两侧，紧贴试验水槽内壁，用于对水流隔板的支撑；拼接板位于试验段两侧，紧贴试验水槽内壁，可与悬跨管道悬挂板进行位置移动和替换，拼接板之间采用凸凹槽的形式连接；
所述数据采集装置安装于悬跨管道内，由传感器安装装置、传感器组成，其中，传感器安装于传感器安装装置上，传感器安装装置为套环件，其在管内紧贴悬跨管道内壁，悬跨管道两端安装有密封盖，密封盖中央以及同心圆的位置均布开有等大的三个圆孔，每一位置的套环件上安装的传感器引线对应一个圆孔位置，引线穿过的圆孔上紧密安装有密封圈，引线在从密封圈中引出，未使用的圆孔紧密安装密封垫，以备后用；
所述试验水槽为玻璃水槽；
所述试验段与引流段高占比为2:1。
2.根据权利要求1所述的试验水槽，其特征在于所述平流板上开有三道细长孔。
3.根据权利要求1所述的试验水槽，其特征在于所述平流板安装为插槽式安装。
4.根据权利要求1所述的试验水槽，其特征在于所述平流侧板上开有等距等宽的槽，上整流栅在平流侧板上等距位置移动安装。
5.根据权利要求1所述的试验水槽，其特征在于所述下整流栅方格比上整流栅更大更疏松。
6.根据权利要求1所述的试验水槽，其特征在于所述拼接板每侧数目在6-8块。
7.根据权利要求1所述的试验水槽，其特征在于所述悬跨管道两端近于试验水槽内壁或在悬跨管道悬挂板厚度的中间面上。
8.根据权利要求1所述的试验水槽，其特征在于悬跨管道内均布对称安装三或五个测试的传感器安装装置，其上安装的传感器安装于同一侧同一水平面上。
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