[實用新型]一種隔水管繞流阻力系數和升力系數的測定裝置

有效

• 申請號: 201521131825.3
• 申請日: 2015-12-29
• 公開（公告）號: CN205262714U
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 王國榮;錢權;何霞;廖崇吉;楚飛
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 重慶百潤洪知識產權代理有限公司 50219
• 代理人: 劉立春

技術領域

本實用新型涉及隔水管繞流阻力系數和升力系數的測定裝置，屬于油氣田開發技術領域。

背景技術

鈍體繞流是流體力學的經典問題之一，1908年，Benard就記錄下了水中圓柱背對來流一 側的周期性漩渦脫落。1911年馮·卡門從理論上研究了圓柱繞流產生的兩列渦街的穩定性， 此后引起了眾多學者對繞流問題廣泛的關注。隔水管是海洋石油鉆井的重要組成部分，作為 傳輸管線廣泛用于連接井口、海底管道與浮式結構。在現場使用過程中，波浪、洋流經過隔 水管時會產生繞流作用，在隔水管背面出現周期性漩渦，并交替脫落。漩渦的產生和釋放過 程中產生渦激振動現象，進而對隔水管產生周期性升力和阻力。阻力方向與洋流運動方向相 反，大小呈周期性變化；升力方向與洋流方向垂直，大小也呈周期性變化。這兩種力的作用， 將會使隔水管產生不同程度上的疲勞損壞甚至破裂，對隔水管產生摧毀性破壞現象屢見不鮮。 因此，通過實驗模擬海洋隔水管的受力，對實際工程的研究具有十分重要的意義。在海洋實 際工況下，洋流速度為0-1.5m/s，隔水管直徑大多在0.5-1m左右，可知隔水管所處水下環 境雷諾數R_e＝0-1.5×10⁶。在實驗裝置的設計中，考慮到實驗裝置、場地大小及操作難易程 度，將直徑在1m左右的圓柱等比例縮小，圓環水槽兩壁面間距與圓柱試件直徑之比為40， 可忽略壁面邊界流動對試件帶來的影響。要求實驗中流體流經隔水管模型的流動特性必須和 實際情況相近；研究表明當圓柱長徑比L/D>6時，能很好反應整個流場。模型縮小的理論依 據為：雷諾數相似準則。不可壓縮流體動力學控制方程的無因次方程表明，只要控制方程中 的雷諾數相同，無論任何牛頓流體，其流動形式是完全一樣的。因此，保證在實驗和實際工 況下雷洛數Re相近時，將隔水管模型縮小是合理的。

目前用于模擬隔水管升力、阻力的實驗裝置申請專利有：一種深水立管的時域渦激升力 確定方法(申請號201110291358.0)、用于樁柱繞流試驗的作用力測量裝置(申請號 201210160094.X)、隔水管阻力系數的實驗與研究(方華燦，石油礦場機械)等。上述成果在 一定程度上實現了現在隔水管阻力系數實驗，但仍存在以下問題:1.模擬水洞對實驗隔水管進 行水力繞流測試，但并未進行升力測試，實驗數據對現場生產作用有限；2.模擬產生水洞如 果要制造出符合現場狀態的水流情況，需要較大的空間和大功率水泵，增大實驗難度，增加 實驗成本。

實用新型內容

為解決上述技術問題，本實用新型的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種隔水 管繞流阻力系數和升力系數的測定裝置，本裝置改變傳統的水洞模型實驗裝置的工作方式， 讓水體保持靜止，隔水管保持運動，從而能完成更多實驗數據采集，同時達到節約空間和減 少動力裝置的目的。

本實用新型是通過下述技術方案來實現的：

一種隔水管繞流阻力系數和升力系數的測定裝置，包括轉動機構、實驗機構、控制系統 和圓環形水槽；所述轉動機構包括支撐板、變頻電機、電機支座、聯軸器、軸承支座、軸承、 轉軸；所述實驗機構包括連桿、傳感器接頭一、測阻力傳感器、傳感器接頭二、測升力傳感 器、試件夾具、緊定螺釘、圓柱試件；所述圓環形水槽為內外兩層環形鐵板構成的水槽，支 撐板通過地腳螺栓安裝固定在圓環形水槽中部，保持轉動機構中心位于圓環形水槽的圓心并 與水平面保持垂直；變頻電機通過螺栓固定在電機支座下部；電機支座和軸承支座用螺栓分 別固定在支撐板上部；軸承安裝于軸承支座中，轉軸下部與軸承和聯軸器連接，連桿一端與 轉軸上部垂直連接，連桿保持水平；連桿另一端依次連接傳感器接頭一和測阻力傳感器，阻 力傳感器保持水平；升力傳感器上端通過傳感器接頭二固定安裝在測阻力傳感器末端，升力 傳感器垂直于水平面；試件夾具與傳感器接頭二用螺栓連接，圓柱試件與試件夾具用緊定螺 釘連接，圓柱試件垂直于水平面。

優選的，所述轉軸下部為直徑不同的兩段，分別與軸承和聯軸器連接，連接方式均為過 渡配合。

優選的，所述連桿與轉軸上部采用熱裝方式安裝，將轉軸加熱到安裝孔能放入連桿后， 冷卻至連桿安裝緊固。

優選的，所述阻力傳感器用于測量試件運動時所受阻力F_d，升力傳感器用于測量圓柱試 件運動時受到的升力F_l。