[发明专利]海洋立管束涡激振动碰撞测试系统

说明书

本发明公开了一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，主要包括海洋立管模型、双层支持装置、双自由度气浮滑轨系统、循环波流水槽和数据测量采集系统。双层支持装置的支持框架横跨于循环波流水槽之上并将支持框架下端与水槽外侧下边缘固定；两套带有空气轴承的双自由度气浮滑轨分别通过螺栓固定在支持框架的上下层，上下两层位置对齐且平行；海洋立管模型竖直固定，且可在竖直方向调节高度；用于数据测量采集的各类传感器分散布置于海洋立管模型、横向滑动的空气轴承的下端和双层的支持框架之中；竖向布置的海洋立管模型部分浸没于循环波流水槽之中。本发明中在每层各安装一套双自由度气浮滑轨系统从而实现两根海洋立管模型独立的双自由度运动。

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，具体而言是一套海洋立管束涡激振动碰撞测试系统。

背景技术

随着海洋强国战略的提出，加快培育海洋工程发展成为了实现我国海洋强国建设的长远战略抓手。以海洋立管系统为代表的油气资源输送设备是连接海底油气田与上部作业平台的重要媒介，长期服役于恶劣的海洋环境中。随着立管作业水深的增加，深水海流逐渐取代了上层波浪和海面浮体运动，成为了立管系统长期面临的重大环境载荷。在流体力学中，置于一定速度来流中的柱体会在漩涡生成与脱落的作用下受到横向和流向的脉动压力进而引发振动。当漩涡脱落频率与柱体的自振频率相近时，柱体会发生类似于机械振动中的共振现象，产生较大的振幅。柱体的振动又会反过来干涉漩涡脱落与尾流场形态，这种流体-结构的相互作用问题被称作涡激振动。例如海洋平台立管、拖缆、海底管线和系泊缆索等在海流的作用下都会发生涡激振动，造成显著的疲劳破坏。

对于由多根立管组成的立管系统而言，涡激振动所导致的管束相互碰撞是在孤立立管研究中所无法考虑的重大结构问题。相较于涡激振动诱发的疲劳累积损伤问题，管束碰撞有着更显著的表现和更严峻的后果，有学者早在上个世纪就提出海洋管束的碰撞破坏能够占到结构总体破坏的30％。因此研究两根或多根立管双自由度涡激振动碰撞具有重大的学术和工程意义。尽管国内外许多科研工作者正在进行海洋立管束涡激振动碰撞的相关研究，理论推导、经验或半经验公式、数值模拟成为了当前该课题研究的主要方法。然而，具有较强非线性的碰撞问题在理论经验和数值模拟层面很难得到全方位的解决，因此开展立管束涡激振动碰撞模型试验成为了该课题研究的重要方法。

目前，研究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的最可靠和最有效的手段是模型试验。通过模型试验，可以比较全面地观测到涡激振动及其所诱导的碰撞现象、力学响应、发生概率以及尾流结构，进而获得较为可靠的试验结果。试验结果又可用来校验理论经验公式和数值模型的精度。通过试验测试的方式可以更好的探究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的相关机理，为工程实际积累经验。

经对现有技术文献的检索发现，国内外对于海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的试验研究非常少，实现双自由度涡激振动碰撞试验研究的最大难点在于：1.如何实现多根立管不相互干扰能够独立地振动；2.对每根立管如何实现其能够独立地在横向与流向完成双自由度涡激振动；3.如何实现多根立管在多排布方式，多间距比条件下的相互碰撞。

发明内容

针对海洋立管束双自由度涡激振动碰撞试验研究存在的难点，本发明提供了研究海洋立管束双自由度涡激振动碰撞的试验装置，能够实现多圆柱的双自由度振动和碰撞，对海洋立管束的碰撞现象开展试验研究，探究涡激振动碰撞机理、碰撞响应及碰撞概率对圆柱涡激振动响应和尾流结构的影响，为工程实际提供参考和借鉴。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种海洋立管涡激振动碰撞测试系统，包括双层支持装置、循环波流水槽、两个结构相同的海洋立管模型和数据测量采集系统；并设测试中的水流方向为X方向，垂直于水流方向的横向为Y方向；

所述双层支持装置包括支持框架，所述支持框架上设有两层双自由度气浮滑轨系统，所述两层双自由度气浮滑轨系统包括上层双自由度气浮滑轨系统和下层双自由度气浮滑轨系统，所述上层双自由度气浮滑轨系统包括第一组直线导轨和第二组直线导轨，每组直线导轨包括两个相互平行的直线导轨，