振荡流中弹性支撑圆柱体涡激振动的实验装置及使用方法

摘要

本发明公开了一种振荡流中弹性支撑圆柱体涡激振动的实验装置，包括滑台装置、导轨装置、圆柱体振子装置和阻尼调节装置；其中，所述导轨装置由自动控制模块、丝杆和导轨滑块组成，自动控制模块控制导轨滑块在丝杆上滑动的周期和幅值，从而与导轨滑块相连接的滑台装置运动，进一步与滑台装置中设置的连接杆相连接的带动圆柱体振子装置和阻尼调节装置运动，产生等效振荡流。通过上述连接方式，本发明能够在静水中有效模拟出等效振荡流场中圆柱体的涡激振动响应，并由传感器测出实验数据。

说明书

技术领域

本发明涉及圆柱体的涡激振动实验装置及其使用方法，特别涉及一种振荡流中弹性支撑圆柱体的涡激振动实验装置及其使用方法。

背景技术

海洋油气资源的开发逐步向深海推进,我国在东部和南部的海域有非常丰富的石油资源，其总量大约相当于我国陆地石油资源的1.5倍。海洋立管是深海石油生产系统的关键组成部分,是联系海面平台和海底井口的重要设备。在海流作用下，立管两侧容易发生涡脱落，导致立管产生涡激振动，当涡脱落频率和立管振动频率锁定时，涡激振动会被放大，甚至使立管产生疲劳破坏。立管的破坏会导致油气资源的泄漏，造成巨大的经济损失并且严重破坏海洋的生态环境。因此,有必要掌握实际海洋环境下的立管涡激振动特征，保证立管的安全设计。

涡激振动的机理非常复杂，因此合理的掌握涡激振动特征需要借助实验研究。目前的实验研究主要集中于定常流中的涡激振动，但在实际海洋环境下诱发立管涡激振动的有效海流并非定常流。立管顶端运动会产生立管与流体之间的相对振荡流，该振荡流会导致涡激振动的产生，而采用定常流研究涡激振动无法反应振荡流的流速变化对涡激振动的影响。目前涡激振动局限于定常流的重要原因是直接产生振荡流的技术难度较高。另外，目前涡激振动实验的振动装置通常采用气动支撑的连接杆与圆柱体连接，或者通过将连接杆穿过固定于较高支撑架的直线轴承与圆柱体连接。这些振荡装置要么需要很高的实验成本，要么需要较大的支撑架。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于振荡流中弹性支撑圆柱体涡激振动的实验装置，能够在静水中有效模拟出等效振荡流场中圆柱体的涡激振动响应，并由传感器测出实验数据。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种振荡流中弹性支撑圆柱体涡激振动的实验装置，所述实验装置包括滑台装置、导轨装置、圆柱体振子装置和阻尼调节装置；其中，圆柱体振子装置和阻尼调节装置均分别与滑台装置中设置的连接杆相连接，所述导轨装置由自动控制模块、丝杆和导轨滑块组成，自动控制模块控制导轨滑块在丝杆上滑动的周期和幅值，从而带动与导轨滑块相连接的滑台装置运动，进一步带动圆柱体振子装置和阻尼调节装置运动，产生等效振荡流。

其中，上述实验装置包括滑台装置、导轨装置、圆柱体振子装置和阻尼调节装置；所述滑台装置的连接杆组由第一水平连接杆组、第二水平连接杆组、第一垂直连接杆组、第二垂直连接杆组、导轨连接杆组和固定杆组组成，所述第一垂直连接杆组由互相平行且长度相等的四个连接杆组成，其余各连接杆组均由互相平行且长度相等的两个连接杆组成，其中，第一水平连接杆组连接于所述导轨连接杆组的两个连接杆之间，第一垂直连接杆组的四个连接杆分别两两垂直连接于导轨连接杆组的两个连接杆和第二水平连接杆组的两个连接杆之间，固定杆组的连接杆和第二垂直连接杆组的连接杆互相垂直，并分别垂直固定在第二水平连接杆组连接杆的两端；导轨连接杆组与所述丝杆通过导轨滑块相连；所述圆柱体振子装置设置有两个长度相等且互相平行的水平传动杆，两个水平传动杆与第二的水平连接杆组平行设置，其中一个水平传动杆和一个水平连接杆的一端分别由相互对称的弹簧连接，另一端各分别由相互对称的轴承通过第二垂直连接杆组的两个连接杆连接，所述阻尼调节装置中设有阻尼连接杆组和圆柱体连接杆组，两连接杆组均由互相平行且长度相等的两个连接杆组成，其中，所述阻尼连接杆组的两连接杆分别与设置在弹簧端的固定杆组的两个连接杆垂直相连，所述圆柱体连接杆组的两连接杆分别与圆柱体振子装置的两个弹簧下端相连。

其中，两个水平传动杆的同向的一端均分别设置的对称的弹簧为垂直设置，另一端均设置的轴承也为垂直设置。

优选地，导轨连接杆是基于丝杆滑动的导轨系统。

优选地，水平传动杆是基于力臂形式的传动杆，长度为15倍圆柱体直径，水平传动杆在静止时与水面保持平行。

优选地，所述圆柱体振子装置还设置有由两个圆柱体连接杆组垂直连接两端的圆柱体。

进一步地，所述阻尼连接杆组和圆柱体连接杆组处于同一铅锤面，四个连接杆上均设置有磁铁，且静止状态下四块磁铁位于同一水平位置，磁铁的设置使得在静止状态下阻尼调节装置的恢复力为0，振荡状态下产生阻尼。

优选地，所述阻尼连接杆组的两个连接杆和圆柱体连接杆组的两个连接杆处于同一铅锤面。

其中，阻尼连接杆与固定杆垂直固定连接，两个固定杆分别直接固定于两个第二水平连接杆上，当振荡产生时，水平传动杆是运动的，阻尼连接杆不动。

所述圆柱体连接杆通过水平传动杆带动，实现圆柱体水平往返运动过程时在升力方向上的自由振动，产生等效振荡流。

进一步地，所述圆柱体连接杆组的两个连接杆均分别与同侧的两个水平传动杆和弹簧通过三分力仪连接。

优选地，所述圆柱体振子装置的两个水平传动杆之间还连接有设置有质量块的结构加强杆。

进一步地，所述固定杆组中的两个固定杆上均设有螺孔或铰链，将阻尼连接杆固定于固定杆的不同位置。

进一步地，所述导轨滑块分别与导轨连接杆组的两个连接杆通过连接孔相连，导轨滑块与导轨之间通过丝杆滑动。

优选地，所述自动控制模块由伺服电机，控制柜和电脑组成，电脑通过控制柜，控制伺服电机的转动，带动导轨滑块做往复运动。

优选地，所述自动控制模块通过软件控制伺服电机的转速大小和方向，从而控制与导轨装置中的导轨滑块相连接的滑台装置的往返运动的周期和幅值，进一步控制实验装置的运动速度和方向。

一种振荡流中弹性支撑圆柱体涡激振动的实验装置的使用方法：该实验装置的使用方法为根据所述阻尼装置中磁铁的不同间距下的自由衰减运动计算出的间距与阻尼比值曲线，调节涡激振动系统的阻尼比，模拟海洋柔性结构物的结构阻尼，并由三分力仪测出实验数据。

有益效果：本发明的适用于振荡流中弹性支撑圆柱体涡激振动的实验装置，在基于丝杆传动方式，圆柱体振子结构和阻尼调节系统共同作用下：能通过圆柱体自身的运动模拟出等效振荡流场并产生涡激振动响应；阻尼调节系统的阻尼效应更接近海洋立管涡激振动的实际状况；测得的实验数据可以对现有的涡激振动数值预报方法进行校验。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为图1的滑台装置结构示意图。

图3为图1的导轨装置结构示意图。

图4为图1的圆柱体振子装置结构示意图。

图5为图1的阻尼调节装置结构示意图。

图6为图1的主视图。

图7为图1的俯视图。

图8为图1的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图5所示，一种适用于模拟振荡流中弹性支撑圆柱体涡激振动的实验装置，包括图2基于这种可设置伺服电机19转动周期和方向的软件与导轨滑块23；图3可调节传动周期和幅值的与导轨滑块23连接的滑台装置；图4基于轴承的圆柱体振子装置，其中在水中静止状态时，水平传动杆9保持与水面平行，圆柱体连接杆13和圆柱体14与水平传动杆9保持垂直；图5为阻尼调节装置。

如图1所示，所述圆柱体振子装置位于滑台装置和阻尼调节装置之间，其中图3滑台架部分通过连接孔21与导轨滑块23连接，图4所述圆柱体振子装置中基于力臂形式的两个水平传动杆9一端分别通过轴承11与滑台架下方的两个第二垂直连接杆4连接，另一端上部分别由弹簧10和滑台架的两个第二水平连接杆2连接，下部通过三分力仪16和中点部分含有磁铁22的圆柱体连接杆13与圆柱体14连接；如图5所示，所述阻尼调节装置中可调节宽度方向距离的阻尼连接杆12，连接于固定杆6下方，与圆柱体连接杆13平行，阻尼连接杆12可以通过沿其上方的固定杆6移动来调节与圆柱体连接杆13的间距；滑台装置中通过软件设置伺服电机19的转速大小和方向，从而控制滑台装置中滑台架的相互固定的各连接杆组往返运动的周期和幅值大小，带动水平传动杆9组和圆柱体14进行水平往复运动，产生等效振荡流；与此同时，等效振荡流使圆柱体上下两侧产生涡脱落，激励圆柱体14上下振动带动水平传动杆9组和弹簧10以及三分力仪16上下振动，两个水平传动杆9之间的结构加强杆17上设置的质量块18，从而调节涡激振动系统的质量比。图5阻尼调节装置通过阻尼连接杆12上的和圆柱连接杆13上的磁铁22之间的相互吸引力，在圆柱体14振动时产生阻尼效应，根据不同磁铁间距下自由衰减运动计算出的间距—阻尼比曲线调节涡激振动系统的阻尼比，模拟海洋柔性结构物的结构阻尼，并由三分力仪16测出实验数据。