CN112432840B - 一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，包括以下实验步骤：S1.布置实验管道；S2.布置数据采集装置；S3.启动泵源；S4.释放实验管道；S5.数据采集；S6.数据处理。本发明通过两台高速摄像机同步采集柔性管道甩击运动图象，对提前标记在柔性管道沿线的采样点的位移随时间变化情况与管内流体流动状态变化情况进行采样，实现了对柔性管道甩击运动的非侵入测量，可探究不同材质、尺寸、内部压力、曲率半径、预张力对柔性管道甩击运动的影响。
Description
技术领域
本发明属于高压柔性管道技术领域，尤其涉及一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法。
背景技术
高压柔性管道是一种具有抗腐蚀、柔性好、耐高压、安装便捷等特点的流体输送工具，在海底石油输送、消防安全、矿山机械设备等领域得到广泛应用。相较于普通刚性管道，高压柔性弯曲管道内的流体流动状态更不稳定。剧烈的流固耦合作用极易导致管道大幅度振动，从而引起管道的断裂、甩击，造成严重的经济损失甚至人员伤亡。因此，研究高压柔性弯曲管道断裂后的甩击运动具有重要意义。
目前，管道甩击方面的研究主要聚焦于核电站高能管道断裂甩击方向，多采用重锤跌落法、汽车碰撞法等来模拟管道破裂后的甩击运动，根据撞击效果评估管道甩击过程中的动力响应情况。由于管道性能、布置方式的不同，上述刚性管道甩击实验方法显然不适用于柔性弯曲管道的甩击运动模拟。
发明内容
针对背景技术中现有刚性管道甩击运动实验方法的不足，提出一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，包括如下步骤：
S1.布置实验管道，将实验管道布置在支承装置上，实验管道一端与泵源***连接并可自由旋转，另一端经缠绕后与预张力提供装置相连接并固定；
S2.布置数据采集装置；
S3.启动泵源***，启动泵源***并对其进行调节，使得实验管道内流体压力达到预设值，实验管道末端自由出流；
S4.释放实验管道，待***出流稳定后，释放预张力提供装置，使实验管道从甩击发生装置上旋转脱离，开始在竖直平面内剧烈甩击；
S5.数据采集，通过所述数据采集装置同步捕捉实验管道在对应方向上的甩击运动图象；
S6.数据处理，对数据采集装置采集到的实验管道甩击运动图像进行处理，得到实验管道甩击运动过程中位移随时间变化情况与甩击速度，用于后续对柔性管道甩击运动规律的分析。
进一步，在所述步骤S1中，实验管道与泵源***铰接，所述实验管道可绕与所述泵源***相连的接头在竖直平面内进行旋转，实验管道固定在支承装置上，管道一端固定在其左部，与泵源***连接并可自由旋转，使得管道在甩击过程中能够在竖直平面内自由旋转；管道中部缠绕在甩击发生装置上，实现弯曲布置并放大甩击运动过程中的位移；管道另一端与预张力提供装置连接，使得管道在预张力提供装置的作用下拉紧并保持拉力一致。
进一步，所述步骤S1中，在实验用的柔性管道表面使用油性记号笔标记尺寸相同的多个采样点，采样点在管道沿线等间距分布。
进一步，所述步骤S2中，所述数据采集装置包括两台高速摄像机和同步触发器，其中一台高速摄像机布置在甩击发生装置正面，用于采集实验管道甩击过程中在竖直平面内的运动图像；另一台高速摄像机布置在甩击发生装置侧面，用于采集实验管道甩击过程中在横向上的运动图像，两台高速摄像机与同步触发器进行连接，数据采集过程中可由同步触发器控制进行同步采集。
进一步，所述步骤S3中，在启动泵源***前对进入所述实验管道内的流体进行染色，使得管内流体流动状态变化更易被观察到。
进一步，所述步骤S4中，待***出流稳定后，释放预张力提供装置，实验管道不再受到预张力的作用，而在自身重力及流体喷射力的作用下从甩击发生装置上旋转脱离，随后开始在竖直平面内剧烈甩击。
进一步，所述步骤S5中，启动同步触发器，位于甩击发生装置正面与侧面的两台高速摄像机开始同步捕捉实验管道在对应方向上的甩击运动图象，待采样时间足够长后，关闭数据采集装置与泵源***。
进一步，所述步骤S6中，所述数据处理具体包括通过将预先标记的采样点的实际尺寸与其在图像中所占的像素单元数进行比对，得到图像尺寸与实际尺寸的关系；按照采集的时间序列对每张图像上各个采样点的位置进行比对，从而得到各个采样点在采样时间内的位移随时间变化情况；在此基础上，对沿线各采样点的位移随时间变化情况进行整合得到实验管道甩击运动过程中位移随时间变化情况与甩击速度；同时，按照时间序列对图像中的流动状态进行观察，分析甩击过程中实验管道内流体流动状态变化情况并与管道甩击位移随时间变化情况进行对比。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过甩击发生装置与预张力提供装置共同实现对实验管道的甩击运动的控制，通过甩击发生装置实现实验管道的弯曲布置并放大其在甩击运动过程中的位移，通过预张力提供装置释放实验管道，使其在竖直平面内发生剧烈甩击；
(2)本发明的实验管道材料、长度、管径可以根据实验需要进行选择，满足不同材质、不同尺寸的柔性管道甩击运动实验需要；
(3)本发明中采用的泵源***、甩击发生装置、预张力提供装置均可进行调节，能够改变实验管道的内部流体压力、曲率半径与预张力，满足不同条件下柔性管道甩击运动实验需要；
(4)本发明采用高速摄像机采集实验管道甩击运动图象与内部流体流动状态图象，实现了对柔性管道甩击过程的非侵入测量，避免了采用应变片、传感器等传统方法对甩击过程造成的影响；
(5)本发明中实验管道上的采样点的个数与间距可以根据实验需要进行调整，以便更好地对实验管道的甩击运动位移、速度等进行描述。
附图说明
图1为本发明的实验流程图；
图2为本发明的实验平台示意图；
图3为本发明的实验平台正视图；
图4为本发明的实验平台俯视图；
图中：1-水箱，2-离心泵，3-调压阀，4-支承装置，5-卡套式铰接管接头，6-轮毂，7-实验管道，8-预张力提供装置，9-高速摄像机A，10-高速摄像机B。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，该实验方法采用图2-4所示的实验平台，具体包括以下步骤：
(1)布置实验管道：首先，在实验管道7表面使用油性记号笔标记尺寸相同的多个采样点，采样点在管道沿线等间距分布。然后将实验管道7一端与安装在支承装置4上的卡套式铰接管接头5连接，另一端绕安装在支承装置4上的轮毂6缠绕一圈或多圈后通过绳索与预张力提供装置8相连；管道在预张力提供装置8中的砝码重力作用下拉紧并保持拉力一致。
(2)布置数据采集装置：将高速摄像机A9布置在甩击发生装置轮毂6正面，用于采集实验管道7甩击过程中在竖直平面内的运动图像。将高速摄像机B10布置在甩击发生装置轮毂6侧面，用于采集实验管道7甩击过程中在横向上的运动图像。将高速摄像机A9、B10与同步触发器进行连接，数据采集过程中可由同步触发器控制进行同步采集。调节高速摄像机A9与B10的景深与光圈，使二者均可采集到实验管道7的甩击运动完整图象并可清晰辨认出实验管道7上的采样点与管道内流体的流动状态。
(3)启动泵源：启动离心泵2前，在水箱1内添加染色剂，将水染色，使得管内流体流动状态变化更加清晰。开启离心泵2，并调节调压阀3，使得实验管道7内压力达到预设值，管道末端自由出流。
(4)释放实验管道：待***出流稳定后，剪断连接实验管道7与预张力提供装置8的绳索，释放管道。实验管道7不再受到砝码重力的约束，在自身重力及流体喷射力的作用下从轮毂6上旋转脱离，随后在竖直平面内剧烈甩击。
(5)数据采集：在释放实验管道7的同时，通过同步触发器同步启动高速摄像机A9与高速摄像机B10，采集实验管道7在对应方向上的甩击运动图象。待采样时间足够长后，关闭高速摄像机A9、高速摄像机B10与离心泵2，停止采集。
(6)数据处理：将高速摄像机A9与高速摄像机B10采集到的实验管道甩击运动图像进行处理，通过将实验管道7上预先标记的采样点的实际尺寸与其在图像中所占的像素单元数进行比对，得到图像尺寸与实际尺寸的关系。按照采集的时间序列对每张图像上各个采样点的位置进行比对，从而得到各个采样点在采样时间内的位移——时间变化情况。在此基础上，对沿线各采样点的位移随时间变化情况进行综合考虑，可得到实验管道7甩击运动过程中位移随时间变化情况与甩击速度，用于后续对柔性管道甩击运动规律的分析。同时，按照时间序列对图像中的流动状态进行观察，分析甩击过程中实验管道7内流体流动状态变化情况并与管道甩击位移随时间变化情况进行对比。
通过更换实验管道7，可以改变实验管道的材质、长度、管径，重复上述实验步骤(1)-(6)，可对不同材质、不同尺寸的柔性管道甩击运动特性进行实验研究。
通过调节调压阀3开度、更换轮毂6、更换预张力提供装置8上的砝码，可以分别改变实验管道7的内部压力、曲率半径与预张力，重复上述实验步骤(1)-(6)，可开展多种条件下的柔性管道甩击运动实验，探究不同外部条件对柔性管道甩击运动的影响。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
Claims (6)
1.一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.布置实验管道，将实验管道布置在支承装置上，实验管道一端与泵源***连接并可自由旋转，另一端经缠绕后与预张力提供装置相连接并固定；
S2.布置数据采集装置；
S3.启动泵源***，启动泵源***并对其进行调节，使得实验管道内流体压力达到预设值，实验管道末端自由出流；
S4.释放实验管道，待***出流稳定后，释放预张力提供装置，使实验管道从甩击发生装置上旋转脱离，在竖直平面内剧烈甩击；
S5.数据采集，通过所述数据采集装置同步捕捉实验管道在对应方向上的甩击运动图象；
S6.数据处理，对数据采集装置采集到的实验管道甩击运动图像进行处理，得到实验管道甩击运动过程中位移随时间变化情况与甩击速度，用于后续对柔性管道甩击运动规律的分析；
在所述步骤S1中，实验管道与泵源***进行铰接，所述实验管道可绕与所述泵源***相连的接头在竖直平面内进行旋转，实验管道固定在支承装置上，管道一端固定在其左部，与泵源***连接并可自由旋转，使得管道在甩击过程中能够在竖直平面内自由旋转；管道中部缠绕在甩击发生装置上，实现弯曲布置并放大甩击运动过程中的位移；管道另一端与预张力提供装置连接，使得管道在预张力提供装置的作用下拉紧并保持拉力一致，在实验用的柔性管道表面使用油性记号笔标记尺寸相同的多个采样点，采样点在管道沿线等间距分布。
2.根据权利要求1所述的一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述数据采集装置包括两台高速摄像机和同步触发器，其中一台高速摄像机布置在甩击发生装置正面，用于采集实验管道甩击过程中在竖直平面内的运动图像；另一台高速摄像机布置在甩击发生装置侧面，用于采集实验管道甩击过程中在横向上的运动图像，两台高速摄像机与同步触发器进行连接，数据采集过程中可由同步触发器控制进行同步采集。
3.根据权利要求1所述的一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，其特征在于：所述步骤S3中，在启动泵源***前对进入所述实验管道内的流体进行染色，使得管内流体流动状态变化更易被观察到。
4.根据权利要求1所述的一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，其特征在于：所述步骤S4中，待***出流稳定后，释放预张力提供装置，实验管道不再受到预张力的作用，而在自身重力及流体喷射力的作用下从甩击发生装置上旋转脱离，随后开始在竖直平面内剧烈甩击。
5.根据权利要求2所述的一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，其特征在于：所述步骤S5中，启动同步触发器，位于甩击发生装置正面与侧面的两台高速摄像机开始同步捕捉实验管道在对应方向上的甩击运动图象，待采样时间足够长后，关闭数据采集装置与泵源***。
6.根据权利要求1所述的一种高压柔性弯曲管道甩击运动实验方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述数据处理具体包括通过将预先标记的采样点的实际尺寸与其在图像中所占的像素单元数进行比对，得到图像尺寸与实际尺寸的关系；按照采集的时间序列对每张图像上各个采样点的位置进行比对，从而得到各个采样点在采样时间内的位移随时间变化情况；在此基础上，对沿线各采样点的位移随时间变化情况进行整合得到实验管道甩击运动过程中位移随时间变化情况与甩击速度；同时，按照时间序列对图像中的流动状态进行观察，分析甩击过程中实验管道内流体流动状态变化情况并与管道甩击位移随时间变化情况进行对比。
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