[发明专利]阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程技术，特别是涉及一种阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置的技术。

背景技术

根据流体力学知识，将柱状结构物置于一定速度的来流当中，其两侧会发生交替泻涡。与漩涡的生成和泻放相关联，柱体会受到横向和流向的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，那么脉动流体力会引发柱体的振动，柱体的振动反过来又会改变其尾流结构。这种流体结构物相互作用的问题称为涡激振动。例如在海流或海洋平台的运动的作用下，悬置于海中的海洋平台立管、拖缆、海底管线、spar平台的浮筒、系泊缆索等柔性管件上会出现涡激振动现象，将会导致柔性管件的疲劳破坏。

目前为止，对柔性管件涡激振动现象的研究最重要的方法之一就是模型试验方法。通过模型试验方法可以加深对柔性立管涡激振动机理以及海洋平台的运动对立管的涡激振动的影响的认识，并提供可靠的立管涡激振动预报途径和技术。为了使试验中模拟的现象更加接近于自然界中的真实情况，除了采用先进的试验装置，试验中模拟的环境也必须和自然界接近。在实际海洋中，整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的。例如墨西哥湾2000m水深的海域，一般表层300m内的平均流速是300m－800m水深范围内平均流速的4到5倍，是800m以下平均流速的20倍以上。由此可见，海洋中整个深度范围内的流速截面应该更接近于阶梯状的流场。

经过对现有技术文献的检索发现，目前的涡激振动试验装置一般只能在均匀流或剪切流环境下使用。在第14届国际近海与极地工程会议“Proceedings of the Fourteen（2004） International Offshore and Polar Engineering Conference”中的论文 “Laboratory Investigation of Long Riser VIV Response”（长立管涡激振动响应的实验研究）是关于柔性管件涡激振动实验研究的，文中提到了一种柔性管件涡激振动模型试验技术，把柔性立管横置于拖曳水池中，拖车拖动立管模型产生均匀流场。用布置在立管内部的加速度传感器来测量立管的运动，在立管壁内布置光栅测量立管壁内的应变量。该试验技术的不足之处在于：1）只能模拟小尺度管件的涡激振动，尺度效应难以避免；2）受海洋工程水池拖车速度限制，难以有效的进行实雷诺数下的涡激振动试验；3）受拖曳海洋工程深水池长度的限制，所得到的测试段距离较小，测得的试验数据较少；4）只能模拟均匀流的涡激振动，难以进行阶梯流下的涡激振动试验；5）不能进行强迫振荡试验；6）不能模拟海洋平台的运动，从而研究平台运动对立管涡激振动的影响。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能进行强迫振荡试验，且能模拟阶梯流下的涡激振动及模拟海洋平台运动的阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种阶梯流下顶端可运动深海立管模型涡激振动模拟试验装置，包括拖曳水池，及用于模拟海洋立管的深海立管模块，所述拖曳水池内装有池水，其池水水面上方架设有一能直线移动的拖车；所述深海立管模块包括立管模型和光纤光栅传感器，所述立管模型是一管件，横置于拖曳水池内并没入池水中，所述光纤光栅传感器有多个，沿立管模型的轴向均布于立管模型表面；其特征在于：还包括顶部支撑模块、底部支撑模块、垂直轨道模块、水平轨道模块、套筒模块、测量分析控制模块；

所述水平轨道模块包括两根相互平行的水平直轨，所述两根水平直轨水平挂置在拖车上，每根水平直轨上均设有一沿其轴线滑动的水平滑块，及一用于控制水平滑块滑动的电机；

所述垂直轨道模块有两个，分别为第一垂直轨道模块、第二垂直轨道模块，每个垂直轨道模块均包括有一垂直直轨，每根垂直直轨上均设有一沿其轴线滑动的垂直滑块，及一用于控制垂直滑块滑动的电机，两个垂直轨道模块的垂直直轨分别竖直挂置在两根水平直轨的水平滑块上；

所述顶部支撑模块包括水平支座和第一转动传感结构，所述水平支座固定在第一垂直轨道模块的垂直滑块上，所述第一转动传感结构包括第一加速度传感器和第一万向节，所述立管模型的两端分别为第一连接端、第二连接端，所述第一加速度传感器安装在水平支座上，并经第一万向节连接立管模型的第一连接端；

所述底部支撑模块包括支架安装座和第二转动传感结构，所述支架安装座固定在第二垂直轨道模块的垂直滑块上，所述第二转动传感结构包括第二加速度传感器和第二万向节，所述第二加速度传感器安装在支架安装座上，并经第二万向节连接立管模型的第二连接端；