[发明专利]一种微结构阻尼的柱体涡激振动实验装置、模拟方法

说明书

本发明实施例涉及一种微结构阻尼的柱体涡激振动实验装置、模拟方法，所述装置包括：大型波流水槽模块、可吊装支撑模块、气浮平台模块、柱体结构模块、弹簧模块、气路模块、测量模块。该装置可以研究柱体结构涡激振动触发以及幅频响应特性，尤其是近床面柱体涡激振动，以及海底管道涡激振动与海床冲刷耦合作用等问题，结果可以为工程师设计铺设海底管线提供科学依据。

技术领域

本发明实施例涉及近海工程、海底管道工程技术领域，尤其涉及一种微结构阻尼的柱体涡激振动实验装置、模拟方法。

背景技术

海底管道是海洋油气田开采系统的重要组成部分，由于具备较高的生产效益而得到了广泛应用，被誉为海洋油气田的生命线。与陆上油气输运不同，海底管线面临恶劣的海洋环境载荷和复杂的海底地形地貌等多因素影响，其安全性一直是人们关注的焦点。海底管线的破坏原因通常包括第三方破坏、冲刷悬空、腐蚀等。铺设在海床上的海底管道由于海床的不平整、冲刷等原因常常在管道下方产生悬空段，当流体流经管跨，在管道两侧释放交替脱落的旋涡，在管道表面诱导周期性的压力脉动进而引发管道涡激振动，导致管道在应力集中处出现疲劳裂纹甚至发生管道的断裂，其是海底管道断裂事故的主要原因。在实验室对海底管线冲刷和涡激振动耦合作用机理研究具有重要的工程和科学意义。

柱体结构涡激振动实验装置通常简化为“质量-弹簧-阻尼”系统。其中阻尼比对柱体结构涡激振动触发的临界速度、幅频响应特性以及激发范围具有重要影响。流向涡激振动振幅较横向涡激振动振幅小一个量级，实验研究通常只考虑横向涡激振动，限制柱体沿流向位移。现有实验装置多采用多组定滑轮、导轨进行导向，由于导轨和滑轮之间具有摩擦、碰撞和卡顿，造成系统阻尼较大且具有不确定性。

发明内容

鉴于此，为解决现有技术中的技术问题，本发明实施例提供了一种微结构阻尼的柱体涡激振动实验装置、模拟方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种微结构阻尼的柱体涡激振动实验装置，所述装置包括：大型波流水槽模块、可吊装支撑模块、气浮平台模块、柱体结构模块、弹簧模块、气路模块、测量模块；

在所述大型波流水槽模块左、右相对的两侧壁上分别横向设置一横梁，所述大型波流水槽模块侧壁为透明玻璃，底面为混凝土刚性壁面；

所述可吊装支撑模块顶部由四根横向型材和两根纵向型材组成的支撑架置于所述横梁上，所述可吊装支撑模块底部由两根横向型材和两根竖向型材组成，连接于所述支撑架顶部；

所述气浮平台模块，包括基板、空气轴承、轴套、光滑圆轴导轨、固定支座、连接板、吊环、安装块，所述基板固定在所述可吊装支撑模块底部，所述空气轴承存在两个，由两个所述轴套固定，套装在所述的两个光滑圆轴导轨上，所述光滑圆轴导轨通过所述固定支架安装于所述基板上，所述连接板连接所述两个轴套，所述吊环存在两个，安装于所述连接板上，所述安装块存在两个，安装于所述连接板上；

所述柱体结构模块，包括柱体、配重块、连接柱体的不锈钢矩形直线导轨，所述配重块放置在所述主体内，所述不锈钢矩形直线导轨连接柱体结构，并安装于所述安装块上；

所述弹簧模块，包括升降单元、一对吊环和一对弹簧，所述升降单元安装于所述支撑架顶部；所述吊环安装在所述升降单元底部；所述弹簧一端连接在其中一个吊环上，另一端连接在另一个吊环上；

所述气路模块，包括气泵、供气管路，所述供气管路连接所述气泵和所述空气轴承；

所述测量模块，包括测量终端、激光位移传感器、流速仪、PIV和拉压力传感器，所述激光位移传感器安装于支撑架顶部；所述流速仪存在两个，分别安装在柱体的上游侧和下游侧；所述拉压力传感器安装在所述连接板顶部；所述激光位移传感器、流速仪和拉压力传感器通过数据线和连接在测量终端上的数据采集卡相连。