[发明专利]倾角阶梯来流海洋立管涡激‑参激耦合振动试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体地说，涉及的是一种倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置。

背景技术

海洋立管是连接顶部浮式平台与海底井口的重要装备，在深海油气开采、输运过程中应用广泛。对于深海立管系统而言,它所承受的海洋环境荷载主要来自于海流的作用。当海流经过立管结构物时,会在立管两侧产生交替的旋涡脱落,诱使涡激振动现象发生，涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。

海洋立管顶端一般与浮式平台连接。平台随着波浪发生升沉运动，给立管顶端一个位移时程响应，引起立管轴向力随浮体运动而发生周期性变化，从而导致立管在水平方向上发生参激振动。参激振动可以引起立管平衡位置的不稳定性，加剧立管振动和疲劳破坏。

目前，学术界对海洋立管涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。研究倾角来流条件海洋立管涡激振动最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流的倾角对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，可以发现，整个深度范围内的来流是倾角的阶梯状来流。

经对现有的技术文献检索发现，国内外对于倾角来流条件海洋立管涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流单根立管涡激振动试验已有开展。2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Laboratory measurements of vortex-induced vibrations of a vertical tension riser in a stepped current”阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现倾角的阶梯状来流条件，更无法实现立管轴向力周期性变化的试验条件，无法完成倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动试验观测。

海洋立管的涡激振动与参激振动一般同时发生，并且相互之间存在耦合作用。同时来流条件并不是理想状态的完全垂直于立管轴向，存在倾角，并且沿着立管轴向的流速分布也存在阶梯状来流情况。经过对现有技术的检索调研发现：倾角阶梯来流海洋立管涡激-参激耦合振动发生机制以及振动特性研究仍未得到学术界和工程界的广泛关注。主要原因是试验测量装置的缺乏，无法实现倾角阶梯来流条件涡激振动与参数振动耦合作用同时观测，并控制涡激振动与参数振动的发生条件。

发明内容

本发明针对倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激振动试验研究存在的难点和不足，提供了研究倾角阶梯来流变轴向力海洋立管涡激-参激耦合振动试验装置，能够试验模拟倾角的阶梯状来流，对变轴向力海洋立管开展相关试验研究工作，探究其涡激-参激耦合振动发生机理及来流倾角及变化的轴向力对涡激振动的影响等，为工程实际提供必要的试验参考和借鉴。