[發明專利]階梯流下受預張力的深海立管模型渦激振動模擬試驗裝置

有效

• 申請號: 201110143684.7
• 申請日: 2011-05-31
• 公開（公告）號: CN102323026A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 付世曉;宋磊建;陳鎣;宋斌
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理

技術領域

本發明涉及的是一種海洋工程技術領域的裝置，具體是一種階梯流下受預張力的深海立管模型渦激振動模擬試驗裝置。

背景技術

根據流體力學知識，將柱狀結構物置于一定速度的來流當中，其兩側會發生交替瀉渦。與漩渦的生成和瀉放相關聯，柱體會受到橫向和流向的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，那么脈動流體力會引發柱體的振動，柱體的振動反過來又會改變其尾流結構。這種流體結構物相互作用的問題稱為渦激振動。例如在海流的作用下，懸置于海中的海洋平臺立管、拖纜、海底管線、spar平臺的浮筒、系泊纜索等柔性管件上會出現渦激振動現象，將會導致柔性管件的疲勞破壞。

目前為止，對柔性管件渦激振動現象的研究最重要的方法之一就是模型試驗方法。通過模型試驗方法可以加深對柔性立管渦激振動機理的認識，并提供可靠的立管渦激振動預報途徑和技術。為了使試驗中模擬的現象更加接近于自然界中的真實情況，除了采用先進的試驗裝置，試驗中模擬的環境也必須和自然界接近。在實際海洋中，整個深度范圍內的流速截面并不是一成不變的。例如墨西哥灣2000m水深的海域，一般表層300m內的平均流速是300m-800m水深范圍內平均流速的4到5倍，是800m以下平均流速的20倍以上。由此可見，海洋中整個深度范圍內的流速截面應該更接近于階梯狀的流場。

經過對現有技術文獻的檢索發現，目前的渦激振動試驗裝置一般只能在均勻流或剪切流環境下使用。在第14屆國際近海與極地工程會議“Proceedings?of?the?Fourteen(2004)International?Offshore?and?Polar?Engineering?Conference”中的論文“Laboratory?Investigation?of?Long?Riser?VIV?Response”(長立管渦激振動響應的實驗研究)是關于柔性管件渦激振動實驗研究的，文中提到了一種柔性管件渦激振動模型試驗技術，把柔性立管橫置于拖曳水池中，拖車拖動深海立管模型產生均勻流場。用布置在立管內部的加速度傳感器來測量立管的運動，在立管壁內布置光柵測量立管壁內的應變量。經分析，該試驗技術的不足之處在于：1、一般只能模擬小尺度管件的渦激振動，尺度效應難以避免；2、受海洋工程水池拖車速度限制，難以有效的進行實雷諾數下的渦激振動試驗。3、受拖曳海洋工程深水池長度的限制，所得到的測試段距離較小，測得的試驗數據較少。4、一般只能模擬均勻流的渦激振動，難以進行階梯流下的渦激振動試驗。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種階梯流下受預張力的深海立管模型渦激振動模擬試驗裝置，本發明利用拖車和拖曳水池的相對運動模擬不同流速的來流，加上套筒模塊的局部阻流作用，實現階梯流的模擬，且能夠對深海立管模型兩端施加預張力，從而實現在實驗室環境下模擬深海立管渦激振動，本發明測試時間長且能夠測試流速高的橫置于拖曳水池中的深海立管模型。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：深海立管模塊、第一端部支撐模塊、第二端部支撐模塊、第一固定柱模塊、第二固定柱模塊、加力模塊、兩個整流罩模塊、兩個壓浪板模塊、套筒模塊和測量分析控制模塊，其中：加力模塊設置于第二固定柱模塊內部且與第二端部支撐模塊連接，第二固定柱模塊分別與拖車一側的底部和第二端部支撐模塊連接，第一固定柱模塊分別與拖車另一側的底部和第一端部支撐模塊連接，深海立管模塊兩端分別與第二端部支撐模塊和第一端部支撐模塊連接，兩個整流罩模塊的整流罩邊板分別固定于第一固定柱模塊的下部外表面和第二固定柱模塊的加力端固定柱下分段的外表面，兩個壓浪板模塊分別穿過且固定于第一固定柱模塊和第二固定柱模塊外部，測量分析控制模塊設置于拖車上，測量分析控制模塊分別與深海立管模塊、第一端部支撐模塊、第二端部支撐模塊和加力模塊連接，套筒模塊套在深海立管模塊外部且與拖車連接。

所述的深海立管模塊包括：光纖光柵傳感器、兩個立管固定接頭和深海立管模型，其中：光纖光柵傳感器沿深海立管模型表面軸向均勻布置，深海立管模型兩端分別與兩個立管固定接頭連接，兩個立管固定接頭分別與第二端部支撐模塊和第一端部支撐模塊連接，光纖光柵傳感器與測量分析控制模塊連接。深海立管模塊用來模擬實際海洋中的立管。