[发明专利]局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的试验装置，具体地说，涉及的是一种局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验装置。

背景技术

立管是深海油气开采的重要装备之一。随着油气开采向深海进军，立管的作业水深越来越大，在深水区域，波浪和海面船体运动对立管造成的损伤逐渐减弱，但海流成为了造成立管损伤的主要因素。海流的作用水深范围很大，当海流经过海洋立管时，立管后缘将产生交替的漩涡脱落，当漩涡脱落频率与立管自振频率相近时，立管的振动将迫使漩涡脱落频率固定在立管自振频率附近，诱发涡激振动。涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因。

目前，学术界对涡激振动的研究更多关注结构轴向与来流垂直的情况，实际的海洋工程中，立管结构轴向与来流并不完全垂直，存在一定倾斜角度。针对这种复杂的情况，有学者提出倾斜柔性圆柱涡激振动的不相关原则，即假定倾斜柔性圆柱涡激振动与来流速度在结构轴向的垂直方向投影分量引起的垂直圆柱情况等价。然而，不相关原则的正确与否至今仍然存在争议。

研究海洋立管涡激振动现象的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面的观测到涡激振动现象、主要特征以及来流条件对涡激振动产生的影响，获得较为可靠的试验结果来效验理论和数值模型的精度。为工程实际积累经验。在实际的海洋工程环境，不仅立管轴向与来流垂直方向存在一定倾角，同时从海平面到海底整个深度范围内的流速截面并不是一成不变的，例如墨西哥湾或者中国南海的深水区域，一般表层300米的范围内平均流速是300-800米水深的4到5倍，是800米水深以下的20倍以上，存在局部的流速突然增大区域。可以发现，整个深度范围内的来流是局部流速增大倾角阶梯来流。

经对现有的技术文献检索发现，国内外对于局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验研究非常少。针对于无倾角垂直状态下的阶梯状来流立管涡激振动试验已有开展。2005年第21期《Journal of Fluids and Structures》杂志中的论文“Laboratory measurements of vortex-induced vibrations of a vertical tension riser in a stepped current”(阶梯状来流条件垂直单根张紧式立管涡激振动试验观测)，设计了一套精巧的试验装置。在拖曳水池水面上竖起一个水桶，桶口在水面以下，由于大气压的原因，桶内抽成真空后便可有高度在10米内的水柱，立管长13.12米，上端固定在水桶的上，下端与池底附件支撑，水桶固定于拖车之上，开动拖车后产生阶梯状来流试验条件。然而该装置无法实现局部流速增大倾角阶梯状来流条件。

经过对现有的技术文献调研发现，国内外针对局部流速增大倾角阶梯状海洋立管涡激振动试验研究还未开展，主要原因是缺乏必要的试验装置。如何实现倾角来流条件、如何实现局部流速增大，以及如何实现阶梯状来流条件等是亟需克服的技术难题。

发明内容

本发明针对局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动试验装置研究存在的难点和不足，提供了研究局部流速增大倾角阶梯来流海洋立管涡激振动及振动抑制的试验装置，能够试验模拟倾角的阶梯状来流，对深海张紧式立管开展相关试验研究工作，探究其涡激振动发生机理及来流倾角对涡激振动的影响等，为工程实际提供必要的试验参考和借鉴。