[發明專利]局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗裝置

有效

• 申請號: 201510601193.0
• 申請日: 2015-09-18
• 公開（公告）號: CN105203282B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 徐萬海;欒英森;馮旭;杜杰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明涉及的是一種海洋工程技術領域的試驗裝置，具體地說，涉及的是一種局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗裝置。

背景技術

海洋立管是連接頂部浮式平臺與海底井口的重要裝備，在深海油氣開采、輸運過程中應用廣泛。對于深海立管系統而言,它所承受的海洋環境荷載主要來自于海流的作用。當海流經過立管結構物時,會在立管兩側產生交替的旋渦脫落,誘使渦激振動現象發生。渦激振動是造成立管發生疲勞破壞的主要原因。海洋立管并不是單獨作業，在實際的工程應用中，多根立管會組成立管束共同作業，因此探究多根立管渦激振動具有重要的理論和現實意義。

目前，學術界對渦激振動的研究更多關注結構軸向與來流垂直的情況，實際的海洋工程中，立管結構軸向與來流并不完全垂直，存在一定傾斜角度。針對這種復雜的情況，有學者提出傾斜柔性圓柱渦激振動的不相關原則，即假定傾斜柔性圓柱渦激振動與來流速度在結構軸向的垂直方向投影分量引起的垂直圓柱情況等價。然而，不相關原則的正確與否至今仍然存在爭議。特別是針對立管束的情況，傾角均勻來流條件深海立管束渦激振動特性還不得而知。

研究海洋立管渦激振動現象的最可靠和最有效的手段是模型試驗。通過模型試驗，可以比較全面的觀測到渦激振動現象、主要特征以及來流條件對渦激振動產生的影響，獲得較為可靠的試驗結果來效驗理論和數值模型的精度。為工程實際積累經驗。在實際的海洋工程環境，不僅立管軸向與來流垂直方向存在一定傾角，同時從海平面到海底整個深度范圍內的流速截面并不是一成不變的，例如墨西哥灣或者中國南海的深水區域，一般表層300米的范圍內平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，存在局部的流速突然增大區域。可以發現，整個深度范圍內的來流是局部流速增大傾角階梯來流。

經對現有的技術文獻檢索發現，國內外對于局部流速增大傾角階梯來流海洋立管渦激振動試驗研究非常少。針對于無傾角垂直狀態下的階梯狀來流立管渦激振動試驗已有開展。2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》雜志中的論文“Laboratory measurements of vortex-induced vibrations of a vertical tension riser in a stepped current”(階梯狀來流條件垂直單根張緊式立管渦激振動試驗觀測)，設計了一套精巧的試驗裝置。在拖曳水池水面上豎起一個水桶，桶口在水面以下，由于大氣壓的原因，桶內抽成真空后便可有高度在10米內的水柱，立管長13.12米，上端固定在水桶的上，下端與池底附件支撐，水桶固定于拖車之上，開動拖車后產生階梯狀來流試驗條件。然而該裝置無法實現局部流速增大傾角階梯狀來流條件，并且該裝置僅能試驗測量單根立管渦激振動特性。

經過對現有的技術文獻調研發現，國內外針對局部流速增大傾角階梯狀海洋立管束渦激振動試驗研究還未開展，主要原因是缺乏必要的試驗裝置。如何實現傾角來流條件、如何實現局部流速增大、如何實現階梯狀來流條件、以及如何實現立管束的不同布置方式等是亟需克服的技術難題。

發明內容

本發明針對局部流速增大傾角階梯流海洋立管束渦激振動試驗研究存在的難點和不足，提供了研究攻角階梯狀來流下立管束渦激振動的試驗裝置，能夠模擬有傾角的階梯狀來流，可實現局部流速增大試驗條件，對深海張緊式立管束開展試驗研究，探究其渦激振動機理及來流傾角對渦激振動的影響，為工程實際提供參考和借鑒。