[發明專利]海洋立管束渦激振動碰撞測試系統

有效

• 申請號: 202110649481.9
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113390596B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 徐萬海;李宇寒;艾化楠;李明鎏
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01M7/08
• 分類號: G01M7/08
• 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

本發明公開了一種海洋立管渦激振動碰撞測試系統，主要包括海洋立管模型、雙層支持裝置、雙自由度氣浮滑軌系統、循環波流水槽和數據測量采集系統。雙層支持裝置的支持框架橫跨于循環波流水槽之上并將支持框架下端與水槽外側下邊緣固定；兩套帶有空氣軸承的雙自由度氣浮滑軌分別通過螺栓固定在支持框架的上下層，上下兩層位置對齊且平行；海洋立管模型豎直固定，且可在豎直方向調節高度；用于數據測量采集的各類傳感器分散布置于海洋立管模型、橫向滑動的空氣軸承的下端和雙層的支持框架之中；豎向布置的海洋立管模型部分浸沒于循環波流水槽之中。本發明中在每層各安裝一套雙自由度氣浮滑軌系統從而實現兩根海洋立管模型獨立的雙自由度運動。

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，具體而言是一套海洋立管束渦激振動碰撞測試系統。

背景技術

隨著海洋強國戰略的提出，加快培育海洋工程發展成為了實現我國海洋強國建設的長遠戰略抓手。以海洋立管系統為代表的油氣資源輸送設備是連接海底油氣田與上部作業平臺的重要媒介，長期服役于惡劣的海洋環境中。隨著立管作業水深的增加，深水海流逐漸取代了上層波浪和海面浮體運動，成為了立管系統長期面臨的重大環境載荷。在流體力學中，置于一定速度來流中的柱體會在漩渦生成與脫落的作用下受到橫向和流向的脈動壓力進而引發振動。當漩渦脫落頻率與柱體的自振頻率相近時，柱體會發生類似于機械振動中的共振現象，產生較大的振幅。柱體的振動又會反過來干涉漩渦脫落與尾流場形態，這種流體-結構的相互作用問題被稱作渦激振動。例如海洋平臺立管、拖纜、海底管線和系泊纜索等在海流的作用下都會發生渦激振動，造成顯著的疲勞破壞。

對于由多根立管組成的立管系統而言，渦激振動所導致的管束相互碰撞是在孤立立管研究中所無法考慮的重大結構問題。相較于渦激振動誘發的疲勞累積損傷問題，管束碰撞有著更顯著的表現和更嚴峻的后果，有學者早在上個世紀就提出海洋管束的碰撞破壞能夠占到結構總體破壞的30％。因此研究兩根或多根立管雙自由度渦激振動碰撞具有重大的學術和工程意義。盡管國內外許多科研工作者正在進行海洋立管束渦激振動碰撞的相關研究，理論推導、經驗或半經驗公式、數值模擬成為了當前該課題研究的主要方法。然而，具有較強非線性的碰撞問題在理論經驗和數值模擬層面很難得到全方位的解決，因此開展立管束渦激振動碰撞模型試驗成為了該課題研究的重要方法。

目前，研究海洋立管束雙自由度渦激振動碰撞的最可靠和最有效的手段是模型試驗。通過模型試驗，可以比較全面地觀測到渦激振動及其所誘導的碰撞現象、力學響應、發生概率以及尾流結構，進而獲得較為可靠的試驗結果。試驗結果又可用來校驗理論經驗公式和數值模型的精度。通過試驗測試的方式可以更好的探究海洋立管束雙自由度渦激振動碰撞的相關機理，為工程實際積累經驗。

經對現有技術文獻的檢索發現，國內外對于海洋立管束雙自由度渦激振動碰撞的試驗研究非常少，實現雙自由度渦激振動碰撞試驗研究的最大難點在于：1.如何實現多根立管不相互干擾能夠獨立地振動；2.對每根立管如何實現其能夠獨立地在橫向與流向完成雙自由度渦激振動；3.如何實現多根立管在多排布方式，多間距比條件下的相互碰撞。

發明內容

針對海洋立管束雙自由度渦激振動碰撞試驗研究存在的難點，本發明提供了研究海洋立管束雙自由度渦激振動碰撞的試驗裝置，能夠實現多圓柱的雙自由度振動和碰撞，對海洋立管束的碰撞現象開展試驗研究，探究渦激振動碰撞機理、碰撞響應及碰撞概率對圓柱渦激振動響應和尾流結構的影響，為工程實際提供參考和借鑒。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種海洋立管渦激振動碰撞測試系統，包括雙層支持裝置、循環波流水槽、兩個結構相同的海洋立管模型和數據測量采集系統；并設測試中的水流方向為X方向，垂直于水流方向的橫向為Y方向；

所述雙層支持裝置包括支持框架，所述支持框架上設有兩層雙自由度氣浮滑軌系統，所述兩層雙自由度氣浮滑軌系統包括上層雙自由度氣浮滑軌系統和下層雙自由度氣浮滑軌系統，所述上層雙自由度氣浮滑軌系統包括第一組直線導軌和第二組直線導軌，每組直線導軌包括兩個相互平行的直線導軌，