[發(fā)明專利]一種開窗引流與旋擺結(jié)合的立管渦激振動抑制裝置及方法

有效

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• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN107701122B
• 公開（公告）日: 2019-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱紅鈞;李國民;唐濤;胡昊
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號: E21B17/01
• 分類號: E21B17/01;F15D1/00
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1.一種開窗引流與旋擺結(jié)合的立管渦激振動抑制裝置，由旋擺模塊和開窗引流網(wǎng)罩（4）組成；旋擺模塊包括兩個轉(zhuǎn)動軸承（2）、四個圓盤軸承（7）、兩個固定支架（3）、八個弧形開孔葉片（6）和一個魚尾式隔水板（5）；轉(zhuǎn)動軸承（2）為內(nèi)嵌圓柱滾子的內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動軸承（2）內(nèi)徑等于立管（1）的外徑，上、下兩個轉(zhuǎn)動軸承（2）按間隔一個開窗引流網(wǎng)罩（4）的高度套裝固定在立管（1）外壁；魚尾式隔水板（5）為表面開有均勻水平凹槽的魚尾形塑料板，魚尾式隔水板（5）的上、下兩端分別插入上、下兩個固定支架（3）的隔水板插槽（8）安裝固定，并使魚尾式隔水板（5）的尾端向外；圓盤軸承（7）內(nèi)嵌圓柱滾子，一端為圓盤面；其特征在于：固定支架（3）為圓環(huán)一側(cè)連接有三根棍柄的三趾爪形結(jié)構(gòu)，所述的三根棍柄的中間一根為長棍柄，其余兩根是關(guān)于中間長棍柄對稱布置的短棍柄，長棍柄軸向開有隔水板插槽（8），短棍柄端部伸出固定支撐柱，用于固定圓盤軸承（7）；固定支架（3）的圓環(huán)內(nèi)徑等于轉(zhuǎn)動軸承（2）的外徑，上、下兩個固定支架（3）通過各自的圓環(huán)分別套裝于上、下兩個轉(zhuǎn)動軸承（2）外，且上固定支架（3）長棍柄上的隔水板插槽（8）開口向下、下固定支架（3）長棍柄上的隔水板插槽（8）開口向上；在固定支架（3）的每個短棍柄端部伸出的固定支撐柱外套裝一個圓盤軸承（7），每個圓盤軸承（7）的圓盤面上沿周向均布四個通孔；弧形開孔葉片（6）為橫截面為翼形的長條形葉片，在弧形開孔葉片（6）上沿垂向等間距開有通孔，弧形開孔葉片（6）的兩端設(shè)支撐柱，弧形開孔葉片（6）的支撐柱伸入圓盤軸承（7）的通孔中固定；每對上、下對應(yīng)的圓盤軸承（7）間固定四個弧形開孔葉片（6），且固定后的弧形開孔葉片（6）的翼形頭部向內(nèi)、尾部向外，四個弧形開孔葉片（6）呈旋轉(zhuǎn)軸對稱布置；開窗引流網(wǎng)罩（4）為一圓筒，在其表面沿軸向等間隔開有引流窗口（9）和射流出口（10）；在同一水平高度，開窗引流網(wǎng)罩（4）的一側(cè)開有一個引流窗口（9），另一側(cè)開有兩個射流出口（10），且該引流窗口（9）與兩個射流出口（10）間的開窗引流網(wǎng)罩（4）的筒壁內(nèi)空，使引流窗口（9）與兩個射流出口（10）連通；在開窗引流網(wǎng)罩（4）上每兩個引流窗口（9）之間的區(qū)域沿周向均勻開設(shè)網(wǎng)狀通孔，使開窗引流網(wǎng)罩（4）的內(nèi)、外側(cè)連通；開窗引流網(wǎng)罩（4）由塑料加工成型，開窗引流網(wǎng)罩（4）的內(nèi)徑等于轉(zhuǎn)動軸承（2）的外徑，開窗引流網(wǎng)罩（4）套裝于轉(zhuǎn)動軸承（2）外，且開窗引流網(wǎng)罩（4）的上、下兩端分別緊挨上、下兩個固定支架（3），并使開有引流窗口（9）的一側(cè)背向魚尾式隔水板（5），引流窗口（9）的垂直中心線與魚尾式隔水板（5）在同一平面，射流出口（10）正對臨近魚尾式隔水板（5）的一個弧形開孔葉片（6）的弧面。

2.如權(quán)利要求1所述的開窗引流與旋擺結(jié)合的立管渦激振動抑制裝置，其特征在于：所述的引流窗口（9）對應(yīng)的圓心角為90°，所述的射流出口（10）對應(yīng)的圓心角為10°；所述的射流出口（10）中心和開窗引流網(wǎng)罩（4）圓心的連線與魚尾式隔水板（5）所在平面構(gòu)成的銳角為60°。

3.一種開窗引流與旋擺結(jié)合的立管渦激振動抑制方法，采用如權(quán)利要求1所述的開窗引流與旋擺結(jié)合的立管渦激振動抑制裝置，其特征在于：海流與魚尾式隔水板（5）間存在攻角時，魚尾式隔水板（5）在海流的沖擊下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，直至魚尾式隔水板（5）繞至立管（1）的背流側(cè)且與海流流向處于同一平面；一方面，海流從開窗引流網(wǎng)罩（4）的網(wǎng)狀通孔部分通過，受網(wǎng)狀通孔的節(jié)流和整流作用，海流的流向和流速得到調(diào)整，同時網(wǎng)狀通孔使立管（1）周圍的繞流邊界層受到破壞，加劇了繞流邊界層的湍動強度；另一方面，海流從開窗引流網(wǎng)罩（4）的引流窗口（9）通過，沿著開窗引流網(wǎng)罩（4）圓筒壁內(nèi)的內(nèi)空通道流至射流出口（10），從射流出口（10）噴射出的海流對立管（1）背流側(cè)的尾流區(qū)產(chǎn)生了強烈的擾動，使尾部旋渦受到擠壓破碎，此外，射流出口（10）噴射出的海流沖擊在弧形開孔葉片（6）的弧面上，推動弧形開孔葉片（6）旋轉(zhuǎn)；而被開窗引流網(wǎng)罩（4）的網(wǎng)狀通孔節(jié)流阻擋的水流部分轉(zhuǎn)移至從引流窗口（9）通過，增加了引流窗口（9）過流的流量，增大了射流出口（10）的流速，加速了弧形開孔葉片（6）的轉(zhuǎn)速；由于開窗引流網(wǎng)罩（4）圓筒表面的網(wǎng)狀通孔和引流窗口（9）交替布置，使得海流在垂直方向產(chǎn)生了流動的轉(zhuǎn)移，分散了繞流流體的總能量；在射流出口（10）水流的沖擊下，魚尾式隔水板（5）兩側(cè)的弧形開孔葉片（6）旋轉(zhuǎn)方向不同，但均由立管（1）外側(cè)向立管（1）內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，使得外部流體的動量注入到立管（1）壁面的繞流邊界層中，推遲旋渦的形成；同時，部分水流從弧形開孔葉片（6）上的通孔流過，使弧形開孔葉片（6）在旋轉(zhuǎn)的過程中對周圍流體產(chǎn)生深度的擾動作用，破壞立管（1）繞流旋渦的形成；水流流至立管（1）背流側(cè)后，魚尾式隔水板（5）將兩側(cè)水流分割，抑制了旋渦的發(fā)展，且部分水流沿魚尾式隔水板（5）的水平凹槽流動，對水流的流動方向又再次做了調(diào)整；因而，在開窗引流網(wǎng)罩（4）的網(wǎng)狀通孔節(jié)流、引流窗口（9）導(dǎo)流、射流出口（10）噴射出流、弧形開孔葉片（6）旋轉(zhuǎn)調(diào)配邊界層動量和擾亂空間流動、魚尾式隔水板（5）分割流動空間和調(diào)整流向的共同作用下，使立管（1）繞流邊界層受到深度破壞，改變了邊界層分離點和三維尾流旋渦結(jié)構(gòu)，使繞流流場的湍動強度增大，抑制了大旋渦的形成，從而實現(xiàn)了無能耗的渦激振動抑制。