專利名稱：一種深水立管尾流振動試驗方法
一種深水立管尾流振動試驗方法 本發(fā)明涉及深水立管尾流振動問題的研究方法，尤其涉及一種深水立管尾流振動的試驗方法。深水立管通常是多根立管沿兩個相互垂直的方向等間距排列的，每排立管至少有兩根，多則三至四根。因此，當海流的流動方向與兩根以上的立管排列方向平行時，就形成了上下游的排列方式，迎著來流方向的第一根立管稱為上游立管，其他則為下游立管，行業(yè)內(nèi)稱其為串列立管?，F(xiàn)場觀測和實驗室實驗均發(fā)現(xiàn)，下游立管在上游立管尾流和自身渦激升力的作用，橫向振動遠遠大于上游立管或單根立管的橫向振動，因為，上游立管或單根立 管僅僅受到自身渦激升力的作用。由于下游立管的渦旋泄放與上游立管的尾流渦街是耦合在一起的，因此，尾流振動和渦激振動也是耦合在一起的，兩個振動之間存在相位差，并不等于尾流振動與渦激振動的直接疊加。如果采用現(xiàn)有的渦激振動試驗方法，則無法將尾流振動和渦激振動分離開來，因此，無法研究尾流振動的性質(zhì)及其與渦激振動的耦合機理。渦激振動是圓柱體尾流場的渦旋泄放誘發(fā)的一種振動形式，傳統(tǒng)的渦激振動只研究一個圓柱體的渦激振動問題。由于深水油氣開發(fā)工程出現(xiàn)了多根立管沿兩個垂直方向排列的結(jié)構(gòu)形式，因此，當流速與立管的排列方向平行時，迎著來流方向的第一根立管以外的立管均處于其上游立管的尾流場中，可稱其為尾流立管?，F(xiàn)場觀測和實驗室實驗均發(fā)現(xiàn)，尾流立管的橫向振動遠遠大于上游立管或單根立管在同樣流速條件下的橫向振動。分析認為，這是由于尾流立管不僅受到自身渦旋泄放造成的渦激升力，而且受到上游立管尾流場渦街造成的橫向力作用。由于渦旋泄放具有自身的規(guī)律，與流速和圓柱體的振動性質(zhì)有關(guān)，因此，上游立管尾流發(fā)放的渦運動到尾流立管時的形態(tài)與兩立管之間的距離有關(guān)。而下游立管的渦旋形成和發(fā)放不僅與流速和尾流立管振動形態(tài)有關(guān)，還與上游立管的尾流渦運動形態(tài)有關(guān)，這使問題變得復雜。此外，傳統(tǒng)渦激振動立管并不包括尾流立管這樣的問題，是深水油氣開發(fā)引發(fā)了關(guān)于尾流立管的流致振動的研究。目前，關(guān)于尾流立管的流致振動研究還沒有一種成熟的方法，主要采用傳統(tǒng)渦激振動理論和實驗方法進行研究，而傳統(tǒng)理論和實驗方法不能將上游立管尾流引起的振動和自身渦激升力引起的振動分離開來，因此，無法研究他們的耦合機理，從而不能建立相應的理論和分析模型與方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種深水立管尾流振動試驗方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種深水立管尾流振動試驗方法，包括如下步驟(I)將試驗裝置放置在水槽中，所述試驗裝置包括上游圓柱和下游翼形柱；將上游圓柱和下游翼形柱均豎立設(shè)置并固定在水槽中部的水流穩(wěn)定區(qū)，以上游圓柱在前、下游翼形柱在后的順序迎著水流方向排列，使得上游圓柱和下游翼形柱的軸線位于水槽的中軸線；在上游圓柱中部表面貼有應變片和壓力傳感器；在下游翼形柱中部的表面也貼有應變片和壓力傳感器；(2)水槽充水至上游圓柱或下游翼形柱高度的2/3及以上；(3)設(shè)定上游圓柱和下游翼形柱的間距為間距系列設(shè)定值，所述間距系列設(shè)定值為上游圓柱直徑的整數(shù)倍；(4)設(shè)定水槽內(nèi)水流流速為流速系列設(shè)定數(shù)值；所述流速系列設(shè)定值為使水槽內(nèi)水流流速的雷諾數(shù)達 到特定值；(5)啟動造流泵并調(diào)整水流流速使雷諾數(shù)達到流速系列設(shè)定值中某一流速設(shè)定值；(6)取上游圓柱和下游翼形柱的間距為間距系列設(shè)定值中的某一間距設(shè)定值，并保持這個間距；(7)通過上游圓柱和下游翼形柱中部的表面貼有的應變片和壓力傳感器，分別測量上游圓柱和下游翼形柱的動應變和動水壓力值；(8)分析上游圓柱和下游翼形柱的測量數(shù)據(jù)，計算出振動頻率、振動幅值和渦激升力的頻率和大??；(9)關(guān)閉造流系統(tǒng)，調(diào)整并固定上游圓柱和下游翼形柱的間距為間距系列設(shè)定值的另一個整數(shù)倍；重復步驟7-8，直至試驗完每個間距系列設(shè)定值；(10)啟動造流泵并調(diào)整水流流速使雷諾數(shù)達到流速系列設(shè)定值中另外一個流速設(shè)定值；(11)重復步驟6-9 ;直至試驗完每個流速系列設(shè)定值；(12)對上述試驗數(shù)據(jù)進行分析可得出在不同雷諾數(shù)范圍，尾流振動與上下游圓柱和下游翼形柱間距的關(guān)系。作為優(yōu)選，間距系列設(shè)定值分別為上游圓柱直徑的10倍、9倍、8倍、7倍、6倍、5
倍、4倍、3倍、2倍、I倍。作為優(yōu)選，流速系列設(shè)定值是分別使雷諾數(shù)達到300、2000、20000、200000的流速。作為優(yōu)選，試驗裝置還包括框架；上游圓柱為圓柱體，按中心軸豎向設(shè)置在框架內(nèi)；下游翼形柱的橫截面為機翼形，前緣為前突的圓弧形，圓弧形的半徑與上游圓柱的半徑相等，后緣為兩側(cè)厚度逐漸收小合攏的翼尾，下游翼形柱豎向設(shè)置在框架內(nèi)；上游圓柱中心軸線和下游翼形柱的中心軸線相互平行且在一個平面內(nèi)。本發(fā)明的有益效果是通過模擬試驗找出在不同雷諾數(shù)范圍，尾流振動與上下游立管距離的關(guān)系。為控制下游立管的振動，進一步研究尾流振動機理提供了切實可行的試驗方法。下面結(jié)合附圖
和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖I是本發(fā)明一種深水立管尾流振動的試驗方法實施例的試驗示意圖。圖中，I-水槽，2-試驗裝置，3-上游圓柱，4-下游翼形柱。[具體實施方 式]一、試驗裝置在圖I中，試驗裝置2由框架、上游圓柱3和下游翼形柱4構(gòu)成。其中，上游圓柱3為圓柱體，按中心軸豎向設(shè)置在框架內(nèi)。下游翼形柱4的橫截面是機翼的形狀，前緣為前突的圓弧形，圓弧形的半徑與上游圓柱的半徑相等，后緣為兩側(cè)厚度逐漸收小合攏的翼尾，下游翼形柱豎向設(shè)置在框架內(nèi)；上游圓柱的中心軸線和下游翼形柱的中心軸線相互平行且在一個平面內(nèi)。下游翼形柱4的尾翼采用柔性材料制作并牢固地粘貼在與上游圓柱3相同規(guī)格的圓柱體上，下游翼形柱的寬度應大于兩倍圓柱體直徑。二、試驗步驟如下(I)如圖I所示，將試驗裝置2放置在水槽I中，將上游圓柱3和下游翼形柱4均豎立設(shè)置并固定在水槽I中部的水流穩(wěn)定區(qū)，以上游圓柱3在前、下游翼形柱4在后的順序迎著水流方向排列，使得上游圓柱和下游翼形柱的軸線位于水槽的中軸線；在上游圓柱中部中部的表面貼有應變片和壓力傳感器；在下游翼形柱中部的表面也貼有應變片和壓力傳感器；(2)水槽充水至模型I或2的2/3以上；(3)啟動造流泵，調(diào)整流速使雷諾數(shù)達到300，關(guān)閉造流泵；(4)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的10倍，保持該間距不變；(5)啟動造流泵，通過應變片和和壓力傳感器測量得到上游圓柱3和下游翼形柱4的動應變和動水壓力值；(6)分析上游圓柱3和下游翼形柱4的測量數(shù)據(jù)，計算出振動頻率、振動幅值、渦激升力的頻率以及值的大小，關(guān)閉造流系統(tǒng)；(7)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的9倍，保持該間距不變；(8)重復步驟 5-6 ；(9)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的8倍，保持該間距不變；(10)重復步驟 5-6 ；(11)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的7倍，保持該間距不變；(12)重復步驟 5-6 ；(13)關(guān)閉造流系統(tǒng)，調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的6倍，保持該間距不變；(14)重復步驟 5-6 ；(15)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的5倍，保持該間距不變；(16)重復步驟 5-6 ；(17)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的4倍，保持該間距不變；(18)重復步驟 5-6 ；(19)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的3倍，保持該間距不變；
(20)重復步驟 5-6 ；(21)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的2倍，保持該間距不變；(22)重復步驟 5-6 ；(23)調(diào)整上游圓柱3和下游翼形柱4的間距為上游圓柱直徑的I倍，保持該間距不變；(24)啟動造流泵并調(diào)整流速使雷諾數(shù)達到2000，關(guān)閉造流泵；(25)重復步驟 4-23 ；(26)啟動造流泵并調(diào)整流速使雷諾數(shù)達到20000，關(guān)閉造流泵；(27)重復步驟 4-23 ；(28)啟動造流泵并調(diào)整流速使雷諾數(shù)達到200000，關(guān)閉造流泵；(29)重復步驟 4-22 ；(30)匯總上述各次試驗數(shù)據(jù)并進行分析，可得出在上述若干個不同雷諾數(shù)的流速條件下，尾流振動與上游圓柱和下游翼形柱的間距的關(guān)系。綜上所述，本實施例通過在水流達到設(shè)定的雷諾數(shù)的速度條件下，分別測量在上游圓柱3和下游翼形柱4的間距不同時，上游圓柱3和下游翼形柱4的動應變和動水壓力值。并分析計算出振動頻率、振動幅值、渦激升力的頻率以及值的大小，為進一步尋求解決立管尾流振動問題的辦法提供實驗依據(jù)。本實施例主要用于研究上游圓柱的尾流對下游圓柱體的作用力及其引起的下游圓柱體振動，因此，只采用兩根圓柱體，而且下游之所以采用機翼形的翼形柱，是因為自由轉(zhuǎn)動的翼形柱在水流沖擊下，由于翼尾的作用能夠始終保持其正面對著水流方向，其表面貼有的應變片和壓力傳感器不會因位置轉(zhuǎn)動變化造成測量數(shù)據(jù)不準確。這里需要說明，采用三根圓柱體的結(jié)構(gòu)不適用于尾流振動的機理研究。如果采用三根圓柱體，則第二根圓柱體的尾流處將受到第三根圓柱體的影響，從而使第二根圓柱體的振動不僅是由上游圓柱體的尾流引起的振動。另外，由于第三根圓柱體的上游有兩個圓柱體，這兩個圓柱體的尾流將耦合在一起，使第三根圓柱體的振動也不是純粹的尾流振動。因此，如果采用三根或以上圓柱體，將使得振動問題變得更加復雜。以上內(nèi)容僅僅是對本發(fā)明如何實施所作的舉例和說明，而不是限制本發(fā)明的保護范圍，所屬本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種深水立管尾流振動試驗方法,包括如下步驟 (1)將試驗裝置放置在水槽中，所述試驗裝置包括上游圓柱和下游翼形柱；將上游圓柱和下游翼形柱均豎立設(shè)置并固定在水槽中部的水流穩(wěn)定區(qū)，以上游圓柱在前、下游翼形柱在后的順序迎著水流方向排列，使得上游圓柱和下游翼形柱的軸線位于水槽的中軸線；在上游圓柱中部表面貼有應變片和壓力傳感器；在下游翼形柱中部的表面也貼有應變片和壓力傳感器； (2)水槽充水至上游圓柱或下游翼形柱高度的2/3及以上； (3)設(shè)定上游圓柱和下游翼形柱的間距為間距系列設(shè)定值，所述間距系列設(shè)定值為上游圓柱直徑的整數(shù)倍； (4)設(shè)定水槽內(nèi)水流流速為流速系列設(shè)定數(shù)值；所述流速系列設(shè)定值為使水槽內(nèi)水流流速的雷諾數(shù)達到特定值； (5)啟動造流泵并調(diào)整水流流速使雷諾數(shù)達到流速系列設(shè)定值中某一流速設(shè)定值； (6)取上游圓柱和下游翼形柱的間距為間距系列設(shè)定值中的某一間距設(shè)定值，并保持這個間距； (7)通過上游圓柱和下游翼形柱中部的表面貼有的應變片和壓力傳感器，分別測量上游圓柱和下游翼形柱的動應變和動水壓力值； (8)分析上游圓柱和下游翼形柱的測量數(shù)據(jù)，計算出振動頻率、振動幅值和渦激升力的頻率和大??； (9)關(guān)閉造流系統(tǒng)，調(diào)整并固定上游圓柱和下游翼形柱的間距為間距系列設(shè)定值的另一個整數(shù)倍；重復步驟7-8，直至試驗完每個間距系列設(shè)定值； (10)啟動造流泵并調(diào)整水流流速使雷諾數(shù)達到流速系列設(shè)定值中另外一個流速設(shè)定值； (11)重復步驟6-9;直至試驗完每個流速系列設(shè)定值； (12)對上述試驗數(shù)據(jù)進行分析可得出在不同雷諾數(shù)范圍，尾流振動與上下游圓柱和下游翼形柱間距的關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水立管尾流振動試驗方法，其特征在于所述間距系列設(shè)定值分別為上游圓柱直徑的10倍、9倍、8倍、7倍、6倍、5倍、4倍、3倍、2倍、I倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水立管尾流振動試驗方法，其特征在于所述流速系列設(shè)定值是分別使雷諾數(shù)達到300、2000、20000、200000的流速。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深水立管尾流振動試驗方法，其特征在于所述試驗裝置還包括框架；所述的上游圓柱為圓柱體，按中心軸豎向設(shè)置在框架內(nèi)；所述下游翼形柱的橫截面為機翼形，前緣為前突的圓弧形，圓弧形的半徑與上游圓柱的半徑相等，后緣為兩側(cè)厚度逐漸收小合攏的翼尾，下游翼形柱豎向設(shè)置在框架內(nèi)；所述上游圓柱中心軸線和下游翼形柱的中心軸線相互平行且在一個平面內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種深水立管尾流振動試驗方法。該方法將包括上游圓柱和下游翼形柱的試驗裝置放置在水槽中，將上游圓柱和下游翼形柱均豎立設(shè)置并固定在水槽中部的水流穩(wěn)定區(qū)，以上游圓柱在前、下游翼形柱在后的順序迎著水流方向排列，使得上游圓柱和下游翼形柱的軸線位于水槽的中軸線；在上游圓柱中部和下游翼形柱中部的表面均貼有應變片和壓力傳感器。在調(diào)節(jié)水槽水流速度達到設(shè)定的雷諾數(shù)條件下，分別測得上游圓柱和下游翼形柱不同間距時的橫向振動值，從而找出尾流振動與上游圓柱和下游翼形柱不同間距的關(guān)系。本發(fā)明為控制下游立管的振動，進一步研究尾流振動機理提供了切實可行的試驗方法。
文檔編號G01M7/02GK102636326SQ20121010770
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者李志強, 梁鵬, 黃維平 申請人:中國海洋大學