海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，特别涉及一种海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置。

背景技术

海洋立管是海洋深水油气、矿产资源开发中的重要基础设施。在洋流的作用下，立管两侧会发生交替泄涡，产生涡激振动现象，导致立管结构发生疲劳甚至损伤破坏。因此，立管的涡激振动问题是海洋工程领域的研究热点和难点之一。

目前针对立管涡激振动的研究主要分为模型实验和数值模拟两种方式。数值模拟需要考虑边界层、表面粗糙度和湍流模型等多方面的影响，通常需要和实验结合进行分析。模型实验是了解海洋结构物的水动力性能的重要手段，通过实验可以较好的研究立管涡激振动现象。

相关技术中的涡激振动实验装置一般在拖曳水池或循环水槽中进行，由于试验条件的限制，仍会存在如流动模拟不准确、模型尺寸效应、水池边界效应等影响。尽管可以通过改进技术、优化条件等方法来尽量减小这些影响，但仍无法完全消除。同时，现有模型实验较难实现立管高雷诺数涡激振动模拟。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置，能够在真实的海洋环境中获取实尺度立管的涡激振动实验数据，更便于对实尺度立管进行高雷诺数的涡激振动模拟，同时可以在试验母船两侧的实尺度立管采用不同的立管涡激振动抑制装置模型，对比同样风浪流环境下的不同涡激振动抑制装置的效果。

根据本发明实施例的海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置，包括：支撑组件，所述支撑组件用于连接船只；

平面滑动组件，所述平面滑动组件设置于所述支撑组件，所述平面滑动组件具有X方向和Y方向的移动行程，X方向和Y方向垂直；

实尺度立管，所述实尺度立管连接于所述平面滑动组件，且所述实尺度立管的轴线与XY平面垂直；

弹性组件，所述弹性组件设置于所述支撑组件，所述弹性组件与所述实尺度立管连接；

所述实尺度立管被配置为在预设位置处于受力平衡状态。

根据本发明实施例的海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置，至少具有如下有益效果：支撑组件用于连接船只，同时为实尺度立管等其他组件提供安装基础；实尺度立管设置于平面滑动组件，具有两个自由度的振动，并通过弹性组件对实尺度立管施加合适的恢复力进行周期性运动。实验装置能够设置在船只上进行真实的海洋环境测试，能够获取更为真实的实尺度立管涡激振动实验数据，并且在真实的海洋环境中，更为方便地进行高雷诺数的涡激振动实验。

根据本发明的一些实施例，所述平面滑动组件包括一对第一滑轨和一对第二滑轨，两所述第一滑轨平行间隔设置于所述支撑组件，所述第一滑轨沿X方向布置，两所述第二滑轨平行间隔设置于所述第一滑轨，所述第二滑轨沿Y方向布置，所述第二滑轨能够在所述第一滑轨上沿X方向滑动，所述实尺度立管设置于所述第二滑轨，所述实尺度立管能够在所述第二滑轨上沿Y方向滑动。

根据本发明的一些实施例，所述第二滑轨和所述第一滑轨之间设有多个第一滑块，所述第一滑块固定于所述第二滑轨，所述第一滑块开设有第一滑槽，所述第一滑轨与所述第一滑槽配合。

根据本发明的一些实施例，所述实尺度立管和所述第二滑轨之间设有安装架，所述实尺度立管插装固定于所述安装架，所述安装架设有多个第二滑块，所述第二滑块开设有第二滑槽，所述第二滑轨与所述第二滑槽配合。

根据本发明的一些实施例，设有气浮组件，所述气浮组件具有出气端，所述出气端设置于所述第一滑槽和所述第二滑槽，所述气浮组件能够在所述第一滑轨和所述第一滑块以及所述第二滑轨和所述第二滑块之间形成空气层。

根据本发明的一些实施例，所述气浮组件包括多个气浮块和多根导气管，所述气浮块开设有所述出气端，每一所述气浮块均连接有所述导气管，多个所述气浮块分别设置于所述第一滑块和所述第二滑块，所述导气管用于连接空气压缩机。

根据本发明的一些实施例，所述弹性组件包括多根弹簧，多根所述弹簧围绕所述实尺度立管的周向布置，所述弹簧的一端与所述实尺度立管连接，另一端与所述支撑组件连接。

根据本发明的一些实施例，所述弹簧的端部与所述支撑组件之间设有万向球头。

根据本发明的一些实施例，设有四根所述弹簧，所述弹簧与X方向成夹角，与Y方向也成夹角，所述弹簧对称分布。

根据本发明的一些实施例，所述支撑组件设有多个斜撑，每一所述弹簧均通过一所述斜撑与所述支撑组件连接，所述斜撑具有连接面，所述弹簧的端部固定于所述连接面，且所述连接面与所述弹簧的轴线垂直。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例的海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中平面滑动组件的结构示意图；

图3为本发明实施例的海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置与船只连接结构示意图；

图4为本发明实施例中第一滑轨和第二滑轨的结构示意图；

图5为本发明实施例中气浮组件的结构示意图；

图6为本发明实施例中弹性组件的结构示意图。

附图标号：

支撑组件100、平面滑动组件200、第一滑轨210、第二滑轨220、第一滑块230、安装架240、第二滑块250、实尺度立管300、弹性组件400、弹簧410、万向球头420、斜撑430、气浮组件500、气浮块510、导气管520。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

相关技术中，为研究立管的涡激振动问题具有两种方式选择，分为模型实验和数值模拟。数值模拟偏向于理论，通常还需要结合实验进行分析。在模型实验中，常常在拖曳水池或循环水槽中进行，由于实验环境及条件限制，仍会存在如流动模拟不准确、模型尺寸效应、水池边界效应等影响。此外，在拖曳水池或循环水槽中，也难以进行高雷诺数的涡激振动模拟。高雷诺数是指流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场，更偏向于海洋中的环境。

涡激振动是指流体流经圆柱体表面时，边界层因受到粘性力和逆压梯度的作用在分离点脱离并发生回流，在圆柱体后方产生周期性的漩涡脱落。漩涡脱落使圆柱体后方压力降低，产生拖曳载荷，导致圆柱体产生顺流向运动。同时，由于漩涡脱落在圆柱体两侧交替产生，又会产生垂直于流向的周期性力，导致圆柱体产生周期性垂直流向运动。

参照图1所示，本发明一种实施例的海上侧拖式实尺度立管高雷诺数涡激振动实验装置，包括支撑组件100、平面滑动组件200、实尺度立管300和弹性组件400。支撑组件100用于连接船只；平面滑动组件200设置于支撑组件100，平面滑动组件200具有X方向和Y方向的移动行程，X方向和Y方向垂直；实尺度立管300连接于平面滑动组件200，且实尺度立管300的轴线与XY平面垂直；弹性组件400设置于支撑组件100，弹性组件400与实尺度立管300连接；实尺度立管300被配置为在预设位置处于受力平衡状态。本发明实施例能够设置在船只上进行真实的海洋环境测试，能够获取更为真实的实尺度立管涡激振动实验数据，并且在真实的海洋环境中，更为方便地进行高雷诺数的涡激振动实验，同时可以在试验母船两侧的实尺度立管采用不同的立管涡激振动抑制装置模型，对比同样风浪流环境下的不同涡激振动抑制装置的效果。

参照图3所示，支撑组件100用于设置在船只上，同时确保船只的行进方向与X方向或Y方向平行。一般地，定义船只的行进方向为Y方向。需要理解的是，支撑组件100包括用于和船只连接的部分以及用于设置平面滑动组件200的部分，且平面滑动组件200位于船只的外侧，即水面或海面上方。并且，支撑组件100可以穿过船只，在船只的两侧均可以设置平面滑动组件200、实尺度立管300和弹性组件400，即两侧的结构对称分布。在两侧的实尺度立管300上加装不同的抑制装置后，可以在同等风浪的情况下对比实尺度立管300在不同抑制装置下的涡激振动情况。

实尺度立管300设置在平面滑动组件200上，是让实尺度立管300具有两个自由度，能够沿水流方向以及垂直水流方向进行移动。搭配弹性组件400对实尺度立管300施加合适的恢复力，便能够让实尺度立管300在两自由度中振动。即实尺度立管300在X方向和Y方向中振动。进一步地，在平面滑动组件200上布置位移传感器，在弹性组件400上布置力传感器便能够获取实尺度立管300在涡激振动时的实验数据，包括实尺度立管300的位移以及所受水力载荷。

进一步地，在实尺度立管300没入水中的一端还可以设置圆形挡板，用于防止实尺度立管300的端部产生三维绕流现象，限制实尺度立管300水下端部周围的水流运动使其更为贴近于无限长立管的流动环境。减少有限长立管带来的尺度效应。

参照图2所示，可以理解的是，平面滑动组件200包括一对第一滑轨210和一对第二滑轨220，两第一滑轨210平行间隔设置于支撑组件100，第一滑轨210沿X方向布置，两第二滑轨220平行间隔设置于第一滑轨210，第二滑轨220沿Y方向布置，第二滑轨220能够在第一滑轨210上沿X方向滑动，实尺度立管300设置于第二滑轨220，实尺度立管300能够在第二滑轨220上沿Y方向滑动。

一对第一滑轨210间隔设置，能够让实尺度立管300在X方向上移动，同时相较于单根滑轨而言更为平稳。一对第二滑轨220间隔设置，能够让实尺度立管300在Y方向上移动，同时相较于单根滑轨而言更为平稳。

参照图4所示，图4中省略了其余部件，进一步地，其中一些实施例中，第二滑轨220与第一滑轨210通过滑块与滑槽配合连接实现滑动。例如，第二滑轨220和第一滑轨210之间设有多个第一滑块230，第一滑块230固定于第二滑轨220，第一滑块230开设有第一滑槽，第一滑轨210与第一滑槽配合。

可以理解的是，实尺度立管300和第二滑轨220之间设有安装架240，实尺度立管300插装固定于安装架240，安装架240设有多个第二滑块250，第二滑块250开设有第二滑槽，第二滑轨220与第二滑槽配合。

安装架240的中心可以设置多个固定支架，固定支架与实尺度立管300的外壁接触并固定连接，保持实尺度立管300与安装架240所处平面垂直。安装架240所处的平面也平行于XY平面。

参照图5所示，可以理解的是，设有气浮组件500，气浮组件500具有出气端，出气端设置于第一滑槽和第二滑槽，气浮组件500能够在第一滑轨210和第一滑块230以及第二滑轨220和第二滑块250之间形成空气层。

气浮组件500用于提供具有一定压力的空气，且空气通入第一滑轨210和第一滑块230以及第二滑轨220和第二滑块250之间形成空气层，尽可能地减少第一滑块230和第二滑块250的移动摩擦力，避免摩擦力对实尺度立管300的涡激振动造成影响。

可以理解的是，一种具体实施例中，气浮组件500包括多个气浮块510和多根导气管520，气浮块510开设有出气端，每一气浮块510均连接有导气管520，多个气浮块510分别设置于第一滑块230和第二滑块250，导气管520用于连接空气压缩机。

空气压缩机压缩空气，将高压空气从导气管520通入气浮块510。第一滑块230和第二滑块250均设有气浮块510，高压空气从气浮块510吹向第一滑轨210和第二滑轨220，第一滑轨210和第一滑块230以及第二滑轨220和第二滑块250之间形成空气层，空气阻力相较于滑动摩擦力更低。

参照图6所示，可以理解的是，弹性组件400包括多根弹簧410，多根弹簧410围绕实尺度立管300的周向布置，弹簧410的一端与实尺度立管300连接，另一端与支撑组件100连接。

弹簧410围绕实尺度立管300的周向布置，并设置为当实尺度立管300处于预设位置时，各弹簧410处于受力平衡状态。一般地，在平面滑动组件200的中心位置处定义为实尺度立管300的预设位置，实尺度立管300在平面滑动组件200的中心位置沿X方向或Y方向均具有移动空间。实尺度立管300受水流影响而移动时，各弹簧410之间的平衡被破坏，且实尺度立管300受水流作用产生位移，同时弹簧410对实尺度立管300施加有恢复力，实尺度立管300能够周期性运动，而不是被水流推至角落。

可以理解的是，弹簧410的端部与支撑组件100之间设有万向球头420。

实尺度立管300受水流作用时，能够在平面滑动组件200的XY平面内任意移动，万向球头420能够保持弹簧410始终处于拉直状态而不是弯曲状态。其中，用于检测力的传感器可以设置在弹簧410端部与万向球头420之间。

可以理解的是，最优的一种结构中，设有四根弹簧410，弹簧410与X方向成夹角，与Y方向也成夹角，弹簧410对称分布。

进一步地，弹簧410与X方向的夹角为45°，与Y方向的夹角也为45°。弹簧410与X方向和Y方向均成夹角，能够避让平面滑动组件200沿X方向和Y方向移动。

可以理解的是，支撑组件100设有多个斜撑430，每一弹簧410均通过一斜撑430与支撑组件100连接，斜撑430具有连接面，弹簧410的端部固定于连接面，且连接面与弹簧410的轴线垂直。

同样的，斜撑430的连接面与弹簧410的轴线垂直，也有利于保持弹簧410处于拉直状态而非弯曲状态。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。