[发明专利]一种内外流与平台耦合作用的立管振动测试装置及方法

权利要求书

1.一种内外流与平台耦合作用的立管振动测试装置由悬挂管模型(1)、浮式平台系统、内流循环系统、流场监测系统、振动监测系统和数据采集终端组成；由悬挂管模型(1)模拟柔性立管，悬挂管模型(1)为悬挂布置的透明软管，该透明软管外壁面沿轴向均匀标记有黑色标记点(2)，悬挂管模型(1)的底部固定于循环水槽(33)底壁的中部，顶部固定连接于圆筒形浮式平台(15)的底部，通过黑色马克笔在悬挂管模型(1)的外壁涂覆长度为悬挂管模型(1)内径的黑色圆环，用于悬挂管模型(1)振动响应的监测；浮式平台系统由圆筒形浮式平台(15)、气垫导轨、浮式平台支撑架(21)、升降螺杆(23)和滑动桁架(24)组成，气垫导轨由三根空气滑轨(19)、三个空气滑块(18)和十二根弹簧(20)组成，三根空气滑轨(19)呈工字形布置，每根空气滑轨(19)中部均套装有一个空气滑块(18)，两根平行的空气滑轨(19)布置于循环水槽(33)两侧的边壁且与来流方向平行，这两根空气滑轨(19)的空气滑块(18)之间固定连接有一根与来流方向垂直的空气滑轨(19)，空气滑块(18)与空气滑轨(19)之间通有压缩空气实现空气滑块(18)的无摩擦滑动，沿着每根空气滑轨(19)的轴向在该空气滑轨(19)上的空气滑块(18)两侧上下、左右对称布置四根弹簧(20)，实现空气滑块(18)在空气滑轨(19)轴向的弹性支撑运动，与来流方向平行布置的空气滑轨(19)上的空气滑块(18)无摩擦往复运动为圆筒形浮式平台(15)提供了流向运动的自由度，与来流方向垂直布置的空气滑轨(19)上的空气滑块(18)无摩擦往复运动为圆筒形浮式平台(15)提供了横向运动的自由度，气垫导轨固定连接在浮式平台支撑架(21)底部，浮式平台支撑架(21)顶部中心开有一个圆孔，升降螺杆(23)底部穿过该圆孔并由螺母限位，升降螺杆(23)与固定于循环水槽(33)上的滑动桁架(24)通过螺纹连接；内流循环系统由供液系统和供气系统组成，供液系统由水箱(5)、潜水泵(6)、液路阀门(7)、液体流量计(8)组成，并通过输液管道依次连接，水箱(5)内液体淹没潜水泵(6)且水位高于潜水泵(6)顶部，潜水泵(6)将水箱(5)中的液体泵入输液管道，通过液路阀门(7)调节流量大小，由液体流量计(8)监测流量，然后流入T形三通(13)，供气系统由气泵(9)、缓冲罐(10)、气路阀门(11)、气体流量计(12)组成，气泵(9)将空气泵入缓冲罐(10)，经缓冲罐(10)稳压后的空气经气路阀门(11)调节和气体流量计(12)计量后进入T形三通(13)，液体和空气在T形三通(13)处汇合后进入气液流汇管(4)，并沿气液流汇管(4)输至悬挂管模型(1)，气液流流过悬挂管模型(1)后从波纹软管(16)流出，再通过管道输送至水箱(5)，其中，空气从水箱(5)液面上方的管道出口排入大气，液体则落入水箱(5)由此构成内流循环回路；流场监测系统由声学多普勒测速仪(32)、压力传感器(3)、激光发射器(28)和粒子成像测速相机(29)组成，声学多普勒测速仪(32)布置于悬挂管模型(1)上游，用于测量悬挂管模型(1)所在平面的垂向外流流速剖面，压力传感器(3)分别布置于悬挂管模型(1)的入口和出口，用于监测不同气液流速下悬挂管模型(1)内部的压力波动，激光发射器(28)布置于循环水槽(33)的正面，通过调节支撑架在悬挂管模型(1)的不同高度位置发射出平行于循环水槽(33)底部的激光平面，并照亮该平面内的示踪粒子，粒子成像测速相机(29)布置于循环水槽(33)的底部，通过捕捉激光平面内示踪粒子的运动得到不同高度位置悬挂管模型(1)尾部的流场信息；振动监测系统由柔性立管振动监测模块和浮式平台运动监测模块组成，柔性立管振动监测模块由放置于循环水槽(33)正面和底部的正视高速摄像机(25)和仰视高速摄像机(27)组成，两台高速摄像机通过捕捉均匀分布在悬挂管模型(1)外壁的环形黑色标记点(2)位移得到悬挂管模型(1)的振动响应，放置于循环水槽(33)正面的正视高速摄像机(25)用于捕捉悬挂管模型(1)布置平面内的垂向和流向振动位移，此外，正视高速摄像机(25)同时监测悬挂管模型(1)内部的气液两相流流动情况，放置于循环水槽(33)底部的仰视高速摄像机(27)用于捕捉悬挂管模型(1)在布置平面外的振动位移；浮式平台运动监测模块由浮式平台横向振动指示牌(22)、布置于循环水槽(33)正面的正面激光位移传感器(30)和悬挂于圆筒形浮式平台(15)上游的侧面激光位移传感器(31)组成，浮式平台横向振动指示牌(22)安装于垂直来流方向运动的空气滑块(18)顶部，且浮式平台横向振动指示牌(22)面向正面激光位移传感器(30)，正面激光位移传感器(30)发射出激光打在浮式平台横向振动指示牌(22)上，反射回正面激光位移传感器(30)，实现圆筒形浮式平台(15)垂直来流方向的位移监测，悬挂于圆筒形浮式平台(15)上游的侧面激光位移传感器(31)将线激光打在流向运动的空气滑块(18)上，实现圆筒形浮式平台(15)流向位移的监测；其特征在于：所述的圆筒形浮式平台(15)内部开有一连接通道连接悬挂管模型(1)顶部与波纹软管(16)，圆筒形浮式平台(15)固定连接在垂直于来流方向滑动的空气滑块(18)底部，实现圆筒形浮式平台(15)的双自由度运动；旋转升降螺杆(23)顶部把柄可实现圆筒形浮式平台(15)的升降，实现不同悬挂管模型(1)布置高度、圆筒形浮式平台(15)不同吃水深度条件的振动测试；所述的声学多普勒测速仪(32)、压力传感器(3)、粒子成像测速相机(29)、正视高速摄像机(25)、仰视高速摄像机(27)、正面激光位移传感器(30)和侧面激光位移传感器(31)均接入数据采集终端，由数据采集终端同步触发监测，压力传感器(3)、正视高速摄像机(25)、仰视高速摄像机(27)、正面激光位移传感器(30)和侧面激光位移传感器(31)的同步监测使压力波动与气液两相流流动、悬挂管模型(1)振动与圆筒形浮式平台(15)运动数据同步，得到悬挂管模型(1)在内外流与平台运动耦合下的三维振动响应结果，也得到了内外流流场及平台运动过程，用以揭示耦合响应机理。

2.一种内外流与平台耦合作用的立管振动测试方法，采用如权利要求1所述的内外流与平台耦合作用的立管振动测试装置，启动循环水槽(33)水泵，调节泵频及循环水槽(33)出水阀门开度，控制循环水槽(33)中的流速和水位高度，通过声学多普勒测速仪(32)测量上游来流速度剖面，同时打开内流循环系统的潜水泵(6)和气泵(9)，调节液路阀门(7)和气路阀门(11)，记录液体流量计(8)和气体流量计(12)的读数，达到测试所需的气液比及流量要求，在外部来流和内部气液两相流的共同作用下，悬挂管模型(1)和圆筒形浮式平台(15)将发生响应；其特征在于：通过压力传感器(3)监测悬挂管模型(1)内部气液两相流的流动压力变化，通过正视高速摄像机(25)同步监测悬挂管模型(1)平面内的振动位移和悬挂管模型(1)内部气液两相流的流动情况，并由仰视高速摄像机(27)监测悬挂管模型(1)平面外的振动位移，在悬挂管模型(1)不同高度位置重复启动激光发射器(28)，通过粒子成像测速相机(29)捕捉悬挂管模型(1)不同高度位置的尾部流场信息；通过正面激光位移传感器(30)监测圆筒形浮式平台(15)横向的运动位移，由侧面激光位移传感器(31)监测圆筒形浮式平台(15)流向的振动位移；将数据采集终端得到的流速数据、压力数据、位移数据和尾流场信息进行处理，分析得到内外流与平台耦合作用的立管振动响应规律；保持循环水槽(33)来流流速不变，调节液路阀门(7)和气路阀门(11)，测试内部气液流速对悬挂管模型(1)振动和圆筒形浮式平台(15)运动的影响规律；保持内流流速不变，加大循环水槽(33)来流流速，测试圆筒形浮式平台(15)吃水深度对悬挂管模型(1)振动和圆筒形浮式平台(15)运动的影响，在此基础上，调节循环水槽(33)出水阀以使循环水槽(33)内水位高度不变，分析外部来流流速对悬挂管模型(1)振动和圆筒形浮式平台(15)运动的影响；旋转升降螺杆(23)顶部把柄，同时调节滑动桁架(24)的位置，改变悬挂管模型(1)的顶张力，调节循环水槽(33)出水阀控制圆筒形浮式平台(15)吃水深度，分析不同悬挂管模型(1)顶张力对悬挂管模型(1)振动和圆筒形浮式平台(15)运动的影响；因而，利用所述的内外流与平台耦合作用的立管振动测试装置可以开展变外流流速、变内流气液比及流速、变外流水深、变平台吃水深度、变悬挂管模型(1)顶张力等多工况柔性立管振动位移及浮式平台运动测试。