一种研究海底部分埋设子母管结构涡激振动的实验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体的，涉及一种研究海底部分埋设子母管结构涡激振动的实验装置。

背景技术

海底子母管为降低海底管道的设计和施工成本提供了重要作用，目前比较普遍的管束结构是由两条平行的不等直径的管道捆绑于一体的结构，其中大(母)管用于输送原油，小(子)管位于大管正上方，往往用于输送一些置换介质(柴油、海水)、控制信号等等，此管束结构称为“子母管结构”，海底子母管结构中大(母)管与小(子)管相互耦合的涡激振动是影响管道安全最为常见的因素，也是广大海底管道设计者、研究者一直以来关心的重点和难点问题。

目前海底子母管线在物模实验方面的研究还处于起步阶段，国内外只有一些对类似的并列圆柱，错列圆柱以及串列圆柱的水动力研究，海底子母管(不同口径大小的并列圆柱)的水动力特性研究尚缺乏，且对应的海底子母管物模实验研究较少，物模实验实验水槽设计尚缺。

如今关于海底多管道涡激振动的实验研究装置，主要都为等口径下的串列柱状，并列柱状及错列柱状的方式，这不满足研究海底子母管这类不同口径的多管结构的要求，而且实际海洋环境更会使海底子母管结构中位于下方的母管埋没于海床之中，对应产生水动力影响以及子管的涡激振动的影响不可忽视，对应的物模实验装备也缺少开发。

发明内容

本发明提出一种研究海底部分埋设子母管结构涡激振动的实验装置，解决了相关技术中的问题。

本发明的技术方案如下：

一种研究海底部分埋设子母管结构涡激振动的实验装置，包括水槽、母管和子管，所述母管设置在所述水槽的底部，还包括：

海床掩埋模拟部件，所述海床掩埋模拟部件用于模拟母管的海床掩埋工况，所述海床掩埋模拟部件包括：

覆管板材，所述覆管板材设置有两组，每组所述覆管板材均设置有多个，所述覆管板材密封滑动设置在所述水槽的底部，并且两组所述覆管板材位于所述水槽的两侧，所述覆管板材的滑动方向和所述母管的轴线平行，所述覆管板材靠近所述母管的一侧和所述母管呈滑动配合；

固定架，所述固定架设置在所述水槽外部，所述固定架上设置有磁铁一；

磁铁二，所述磁铁二设置在所述覆管板材靠近所述磁铁一的一端，所述磁铁二和所述磁铁一接触，并且所述磁铁一和所述磁铁二相互靠近的一端磁性相反；

激光发射器，所述激光发射器设置在所述母管的内部，所述母管为透明材质；

子管涡激振动模拟机构，所述子管涡激振动模拟机构包括来流自由度部件和竖向自由度部件；

其中，所述来流自由度部件用于检测子管在浪流来向自由度运动的位移情况，所述来流自由度部件包括：

动横板，所述动横板可滑动设置在所述水槽的顶部，具体的，所述动横板的两侧转动设置有滚轮，所述水槽的顶部设置有滑轨，所述滚轮滚动设置在所述滑轨上；

横梁，所述横梁设置在所述滑轨的顶部；

水平激光位移器，所述水平激光位移器设置在所述横梁靠近所述动横板的一侧；

可调弹性组件一，所述可调弹性组件一设置在所述动横板和所述横梁之间，用于使所述子管进行浪流来向自由度的涡激振动；

所述竖向自由度部件用于检测子管在竖向自由度运动的位移情况，所述竖向自由度部件包括：

竖板，所述竖板设置有两个，所述竖板设置在所述动横板的底部；

移动支架，所述移动支架滑动设置在两个所述竖板之间，所述子管设置在所述移动支架上，具体的，所述移动支架的底部设置有两组卡紧组件，两组所述卡紧组件位于所述子管的两端位置处，所述卡紧组件用于对所述子管进行卡紧和限位，所述卡紧组件包括：

固定块，所述固定块设置在所述移动支架上；

卡块，所述卡块设置有多个，所述卡块通过张紧弹簧和伸缩杆设置在所述固定块上，所述卡块和所述子管的内壁接触；

高度调节组件，所述高度调节组件用于调节子管的高度，所述高度调节组件包括：

电动缸一，所述电动缸一设置在所述动横板上；

调节板，所述调节板设置在所述电动缸一的输出端，所述调节板一和所述竖板呈滑动配合，具体的，竖板上设置有内槽钢，所述调节板的底部设置有H型钢，所述H型钢和所述内槽钢呈滑动配合；

H型钢上设置有一对滑轮，移动支架位于两个滑轮之间，使移动支架进行竖向的自由移动；

竖直激光位移器，所述竖直激光位移器设置在所述调节板的底部；

可调弹性组件二，所述可调弹性组件二设置在所述调节板和所述移动支架之间，用于使所述子管进行竖向自由度的涡激振动；

其中，所述可调弹性组件一和所述可调弹性组件二均包括：

电动缸二，所述电动缸二设置在所述横梁或所述调节板上；

调节框架，所述调节框架设置在所述电动缸二的输出端；

移动弹簧，所述移动弹簧的一端设置在所述调节框架上，所述移动弹簧的另一端可拆卸设置在所述动横板或所述移动支架上。

为降低子管的端头效应，所述子管的两端设置有导流板。

本发明的工作原理及有益效果为：

1、本发明中，通过推动对应数量的覆管板材将其移动至水槽的内部，调节覆盖母管的覆管板材的厚度，可实现对母管进行不同程度的掩埋模拟，通过磁铁一和磁铁二的配合可对未进行掩埋工作的覆管板材进行限位，此方案可以快捷地不影响实验装置其他部件的情况下改变海底子母管物理模型试验中，母管在不同海床掩埋下的工作状况。

2、本发明中，通过电动缸一可带动调节板进行升降，从而带动移动支架和子管进行升降，通过调节子管的相对高度改变海底子母管相对间隙比。

3、本发明中，移动支架为弹性材质，可将子管较为便捷的取下，通过子管的内圈按压卡块，使张紧弹簧压缩，将子管安装在移动支架上，在张紧弹簧的作用下使卡块顶紧在子管的内壁，对子管进行限位，通过更换不同直径的子管，可改变海底子母管的口径比。

4、本发明中，通过滚轮的转动实现动横板的移动，使子管进行浪流来向自由度运动，在动横板和横梁之间设置移动弹簧使子管进行浪流来向自由度的涡激振动，通过移动支架在滑轮之间的滑动设置使子管进行竖直方向自由度运动，在调节板和移动支架之间设置移动弹簧使子管进行竖直方向自由度的涡激振动，同时可以通过限制浪流来向或者竖向的滑轮运动选择单自由度和双自由度的子管涡激振动研究。

5、本发明中，通过电动缸二可带动调节框架进行移动，对移动弹簧的张紧度进行调节，通过对移动弹簧的张紧度的调节，控制子管约化速度。

6、对比现有技术，该装置可以通过调节子管的相对高度改变海底子母管相对间隙比；可以选择母管所覆盖的覆管板材厚度改变母管的海床掩埋工况；可以快捷更换子管改变海底子母管的口径比；可以改变对应移动弹簧的张紧度改变子管的约化速度；可以通过限制浪流来向或者竖向的滑轮运动选择单自由度和双自由度的子管涡激振动研究；可以选择母管所覆盖的板材厚度改变母管的海床掩埋工况。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明局部剖视的结构示意图；

图2为本发明母管、激光发射器和覆管板材的结构示意图；

图3为本发明来流自由度部件的结构示意图；

图4为本发明来流自由度部件和竖向自由度部件的结构示意图；

图5为本发明可调弹性组件一的结构示意图；

图6为本发明调节板和可调弹性组件二的结构示意图；

图7为本发明图6中E处的局部放大结构示意图；

图8为本发明整体的结构示意图；

图9为本发明另一角度的整体的结构示意图；

图10为本发明图1中A处的局部放大结构示意图；

图11为本发明图1中B处的局部放大结构示意图；

图12为本发明图4中C处的局部放大结构示意图；

图13为本发明图4中D处的局部放大结构示意图。

图中：

1、水槽；2、母管；3、子管；4、激光发射器；5、滑轮；6、安装板；7、锁紧螺栓；8、锁紧板；9、导流板；

101、覆管板材；102、固定架；103、磁铁一；104、磁铁二；

201、动横板；202、横梁；203、水平激光位移器；204、滚轮；205、滑轨；

301、竖板；302、移动支架；303、电动缸一；304、调节板；305、内槽钢；306、H型钢；307、竖直激光位移器；

401、固定块；402、卡块；

501、电动缸二；502、调节框架；503、移动弹簧；504、钩板；505、挂板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

如图1至图13所示，本实施例提出了一种研究海底部分埋设子母管2结构涡激振动的实验装置，包括水槽1、母管2和子管3，母管2设置在水槽1的底部，还包括海床掩埋模拟部件、激光发射器4和子管3涡激振动模拟机构，该装置通过调节子管3的相对高度改变海底子母管2相对间隙比；可以选择母管2所覆盖的覆管板材101厚度改变母管2的海床掩埋工况；可以快捷更换子管3改变海底子母管2的口径比；可以改变对应移动弹簧503的张紧度改变子管3的约化速度；可以通过限制浪流来向或者竖向的滑轮5运动选择单自由度和双自由度的子管3涡激振动研究；可以选择母管2所覆盖的板材厚度改变母管2的海床掩埋工况。

海床掩埋模拟部件用于模拟母管2的海床掩埋工况，海床掩埋模拟部件包括覆管板材101、固定架102和磁铁二104，覆管板材101设置有两组，每组覆管板材101均设置有多个，覆管板材101密封滑动设置在水槽1的底部，并且两组覆管板材101位于水槽1的两侧，覆管板材101的滑动方向和母管2的轴线平行，覆管板材101靠近母管2的一侧和母管2呈滑动配合，固定架102设置在水槽1外部，固定架102上设置有磁铁一103，磁铁二104设置在覆管板材101靠近磁铁一103的一端，磁铁二104和磁铁一103接触，并且磁铁一103和磁铁二104相互靠近的一端磁性相反，在需要模拟母管2的海床掩埋工况时，自下而上选取合适数量的覆管板材101，通过改变数量调节覆管板材101的厚度，将选取的覆管板材101推入水槽1的内部，两组覆管板材101相互靠近组成水槽1的底部，以模拟母管2不同的海床掩埋工况，未推入水槽1内部的覆管板材101通过磁铁一103和磁铁二104的相互吸引，吸附在固定架102处，覆管板材101远离磁铁一103的一端和水槽1的内壁齐平，避免对浪流产生阻碍，在将覆管板材101从水槽1内部拉出时，可使用铁质棍体或板体贴紧需要拉出的覆管板材101上的磁铁一103，然后通过铁质物件对覆管板材101进行拉动，将其从水槽1内部拉出。

激光发射器4设置在母管2的内部，母管2为透明材质，具体可为透明玻璃或者透明亚克力制作的空心圆柱，母管2和子管3上均可安装微型压力传感器用以检测母管2和子管3表面的压力分布情况，母管2母线处设置激光发射器4，透过透明的母管2对母管2周围至子管3附近流场进行“自下向上”激光扫射的PIV系统进行流场测量，避免水面扫描引起反射干扰的同时，很好的避免了光线穿过透明玻璃介质发生的折射影响，配合透明水槽1外的CCD相机完成对流场示踪粒子的追踪形成对应图像用于研究流场特性。

子管3涡激振动模拟机构包括来流自由度部件和竖向自由度部件。

来流自由度部件用于检测子管3在浪流来向自由度运动的位移情况，来流自由度部件包括动横板201、横梁202、水平激光位移器203和可调弹性组件一，动横板201可滑动设置在水槽1的顶部，具体的，动横板201的两侧转动设置有滚轮204，水槽1的顶部设置有滑轨205，滚轮204滚动设置在滑轨205上，横梁202设置在滑轨205的顶部，水平激光位移器203设置在横梁202靠近动横板201的一侧，可调弹性组件一设置在动横板201和横梁202之间，用于使子管3进行浪流来向自由度的涡激振动，水槽1为海洋工程试验中常用的水槽1，其可模拟规则波不规则波和水流的直线波浪，通过滚轮204和滑轨205的配合可实现动横板201沿浪流方向的移动，通过水平激光位移器203可检测子管3在浪流来向自由度运动的位移情况，可调弹性组件一使子管3可以进行浪流来向自由度的涡激振动。

竖向自由度部件用于检测子管3在竖向自由度运动的位移情况，竖向自由度部件包括竖板301、移动支架302、高度调节组件、竖直激光位移器307和可调弹性组件二，竖板301设置有两个，竖板301对称设置在动横板201的底部，移动支架302滑动设置在两个竖板301之间，子管3设置在移动支架302上，具体的，移动支架302的底部设置有两组卡紧组件，两组卡紧组件位于子管3的两端位置处，用于对子管3进行卡紧和限位，高度调节组件用于调节子管3的高度，高度调节组件包括电动缸一303和调节板304，电动缸一303设置在动横板201上，调节板304设置在电动缸一303的输出端，调节板304一和竖板301呈滑动配合，具体的，竖板301上设置有内槽钢305，调节板304的底部设置有H型钢，H型钢和内槽钢305呈滑动配合，竖直激光位移器307设置在调节板304的底部，可调弹性组件二设置在调节板304和移动支架302之间，用于使子管3进行竖向自由度的涡激振动。

通过电动缸一303可带动调节板304进行升降，从而带动可调弹性组件二、移动支架302和子管3进行升降，调节子管3在没有浪流作用下的高度，从而改变海底子母管2相对间隙比，通过H型钢和内槽钢305的滑动配合可保证调节板304的稳定性，竖向激光位器可检测移动支架302的位移情况，子管3随移动支架302进行升降，从而检测子管3的位移情况。

卡紧组件包括固定块401和卡块402，固定块401设置在移动支架302上，卡块402设置有多个，卡块402通过张紧弹簧和伸缩杆设置在固定块401上，卡块402和子管3的内壁接触，移动支架302为弹性材质，在对子管3进行拆装时，可向外拉动移动支架302使其张开，对卡块402进行按压对张紧弹簧进行压缩使其贴紧固定块401，可将子管3套在多个卡块402的外围，松开卡块402在张紧弹簧的作用下使卡块402压紧在子管3的内壁上，从而对子管3进行限位，将子管3安装在移动支架302上，并保证子管3的稳定性，同时通过张紧弹簧的弹性和伸缩杆的伸缩作用，可适应对不同直径的子管3的安装和限位，在对子管3进行拆卸时，直接拉动移动支架302，将子管3从多个卡块402上拉下即可。

H型钢上设置有一对滑轮5，移动支架302位于两个滑轮5之间，通过滑轮5的转动使移动支架302进行竖向的自由移动，从而实现子管3的竖向自由移动，同时通过滑轮5可对移动支架302进行限位，从而限制子管3的竖向移动，减少子管3其他方向的晃动，限制滑轮5的转动，例如在竖板301上设置安装板6和锁紧板8，安装板6上螺纹连接锁紧螺栓7，锁紧螺栓7和锁紧板8转动设置，转动锁紧螺栓7可带动锁紧板8压紧在滑轮5的表面阻止其转动，对移动支架302进行限位，使子管3仅能进行浪流方向的移动，从而实现单自由度子管3涡激振动研究。

可调弹性组件一和可调弹性组件二均包括电动缸二501、调节框架502和移动弹簧503，电动缸二501设置在横梁202或调节板304上，调节框架502设置在电动缸二501的输出端，移动弹簧503的一端设置在调节框架502上，移动弹簧503的另一端可拆卸设置在动横板201或移动支架302上，通过电动缸二501可带动调节框架502进行移动，对移动弹簧503进行拉伸或压缩，调节框架502靠近横梁202或调节板304时，移动弹簧503被拉伸，移动弹簧503的弹力增大，反之移动弹簧503的弹力减小，以此实现对移动杆弹簧弹力的调节，通过改变对应移动弹簧503的张紧度改变子管3的约化速度，调节框架502上留有供水平激光位移器203和竖直激光位移器307的激光穿过的通口，同时通过选取合适数量的移动弹簧503可进一步增大子管3约化速度的调节范围，具体的，移动弹簧503远离调节框架502的一侧设置有钩板504，动横板201和移动支架302上均设置有多个挂板505，挂板505上开设有和钩板504匹配的挂槽，将钩板504上的钩卡入挂槽的内部即可实现对移动弹簧503的安装，从而调节多个移动弹簧503共同形成的弹力，以实现对子管3约化速度的调节。

为降低子管3的端头效应，子管3的两端设置有导流板9，具体的，导流板9设置在移动支架302上，并位于子管3的两端位置处，实验中子管3的长度有限，浪流在对子管3进行冲击时，子管3的端部处的水流流动状态和管身处的水流状态不同，导致子管3的受力和真实状态下海下子管3的受力不同，通过导流板9可对浪流进行导流，即提前对浪流进行分切，使流动至子管3处的浪流和子管3的长度相适应，减少端头效应的产生。

同时，在管道下游1.5倍管径处布置1支声学多普勒流速仪(ADCP)和1支浪高仪分别测量管道中心高度处的尾流脉动流速和波高，在管道上游6倍波长位置再布设1支ADCP和1支浪高仪，测量剪切来流速度和入射波高，该装置通过调节覆管板材101的数量，模拟海底子母管2结构母管2被海床不同掩埋程度，并以此为条件进行对子管3的涡激振动研究，此外，该装置还可以方便的改变波浪水槽1及海底子母管2结构的各种参数(浪流参数、子母管2的口径比、子母管2间隙比)，做到多影响因素在一个装置上完成实验。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。