一种双自由度圆柱涡激振动实验系统以及方法

本发明涉及实验流体力学领域，具体涉及一种双自由度圆柱涡激振动实验系统及其方法。

背景技术：

1、海洋管道是海洋石油钻井平台连接井口的关键设备，保证其安全稳定的运行是保护海洋环境的关键。海流流经海洋管道时会在其后缘释放漩涡，漩涡的释放产生交替的流体力，使立管在海流的作用下振动，当漩涡脱落频率与立管固有频率接近时，会产生“锁定”现象，海洋管道持续地大幅振动会造成海洋管道疲劳损伤，容易导致管道油气泄漏，对海洋环境造成巨大污染和经济损失。在立管轴向截取一小段研究单圆柱涡激振动成为主要的研究手段，目前大多数单圆柱涡激振动实验仅考虑横流向的单自由度运动，试验测得数据与实际情况存在一定偏差，为更贴近单圆柱在流场的真实情况，本发明提供了一种考虑双自由度圆柱涡激振动的实验系统及其方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双自由度圆柱涡激振动实验系统以及方法，通过该系统能够研究出圆柱涡激振动的振幅、频率特性以及尾流漩涡脱落模式，通过得到的相关参数能够为实际的海洋管道设计提供依据。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，包括：

3、循环水槽，能够形成水流，用于模拟海洋中的水环境；

4、圆柱涡激振动系统，包括圆柱模型，用于模拟海洋管道，在实验时，圆柱模型水平位于循环水槽的水中，并且其轴线方向垂直于循环水槽中的水流方向，所述圆柱模型相对旋转水槽能够上下移动以及沿着水流方向来回移动；

5、检测系统，用于在实验时检测圆柱模型的相关数据。

6、优选地，所述圆柱涡激振动系统还包括固定支架，所述圆柱模型的两端通过导板架与连接杆相连，所述连接杆位于所述圆柱模型的正上方且平行于圆柱模型，在所述连接杆上设置有两相互平行的滑动杆，滑动杆竖向设置，每个滑动杆的下端与连接杆固定连接，每个滑动杆的上端与水平运动机构连接，所述水平运动机构设置在固定支架上，所述水平运动机构包括设置在固定支架上的移动板，所述移动板能够沿着平行于水流的方向相对固定支架来回移动，在所述移动板上对应于滑动杆的位置处设置有滑动套，所述滑动套竖向延伸，所述滑动杆穿过所述滑动套并且相对滑动套能够上下滑动。

7、优选地，在所述移动板与连接杆之间设置有至少一个第一拉簧，第一拉簧的上端与移动板连接，下端与连接杆连接，所述拉簧配置为在实验过程中，圆柱模型不会触碰到循环水槽的底部。

8、优选地，在移动板的沿水流方向的两侧均设置有一组第二拉簧，每组第二拉簧中第二拉簧数量至少为一个，每个第二拉簧的一端固定在移动板上，每个第二拉簧的另一端固定在固定支架的沿水流方向的对应侧的端部，并且第二拉簧始终处于被拉伸的状态。

9、优选地，所述导板架可更换成不同的长度；和/或，所述圆柱模型可更换成不同的直径或者重量。

10、优选地，所述检测系统包括两线位移传感器，其中一个线位移传感器安装在移动板上，检测端连接到连接杆，采集圆柱横流向运动信号；另一个线位移传感器安装在固定支架上，检测端连接到水平运动板上，采集圆柱顺流向运动信号。

11、优选地，所述检测系统还包括架设在循环水槽外的piv系统，所述piv系统用于捕捉圆柱模型的尾流漩涡脱落，所述piv系统包括激光系统和高速摄像机，所述激光系统安装在循环水槽的观测区下方，用于将激光平面垂直打在圆柱模型的尾流区域上，所述高速摄像机设置成能够正对所述激光面拍摄。

12、本发明还提供了一种双自由度圆柱涡激振动实验方法，采用上述实验系统，具体包括如下步骤：

13、步骤一：根据实验需求对圆柱模型进行配重，管道内可添加不同密度的材料，通过控制不同材料之间的混合比例来调节管道模型的质量，并做好封装防水工作；

14、步骤二：将水平运动机构和滑动杆安装在固定支架上并进行锁定，将第一拉簧和第二拉簧安装在涡激振动试验装置上，并根据实际需要确定第一拉簧和第二拉簧的数量；

15、步骤三：将圆柱模型安装到导板架上；

16、步骤四：在圆柱涡激振动系统上安装线两所述线位移传感器；

17、步骤五：将安装好的圆柱涡激振动系统装入循环水槽，并固定在循环水槽上，调整圆柱涡激振动系的位置在最佳观测区内，释放水平运动机构和滑动杆，使圆柱模型自由落在水槽内；

18、步骤六：开启线位移传感器，采集横流向和来流向的振动响应数据；

19、步骤七：在圆柱模型的正下方架设激光光源，使光源垂直照射在圆柱模型的尾流场中，在圆柱模型的沿水流方向的正前方架设高速摄像机，调整拍摄角度和焦距使摄像机能捕捉到圆柱模型和尾流场画面，高速摄像机将画面传输至电脑，并做好标定工作；

20、步骤八：开启循环水槽，按照实验预定的流程调整流速，待圆柱模型运动稳定后，同时采集线位移传感器和piv系统数据，得到一组数据；

21、步骤九：多次改变流速执行步骤七，获得多组数据，进而能够得到相应的参数曲线，通过得到的相关参数能够为实际的海洋管道设计提供依据。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、(1)相对于在拖曳水池中进行圆柱涡激振动，本发明采用循环水槽，试验操作简易，所需经费较少，性价比高；

24、(2)本发明采用循环水槽开展实验，可以较为精准地控制来流速度，同时方便采用piv技术精确捕抓圆柱尾流漩涡脱落模式；

25、(3)本发明可同时考虑圆柱在顺流向和横流向的运动，更贴切圆柱在流场中的实际环境。

技术特征：

1.一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，其特征在于，所述圆柱涡激振动系统还包括固定支架，所述圆柱模型的两端通过导板架与连接杆相连，所述连接杆位于所述圆柱模型的正上方且平行于圆柱模型，在所述连接杆上设置有两相互平行的滑动杆，滑动杆竖向设置，每个滑动杆的下端与连接杆固定连接，每个滑动杆的上端与水平运动机构连接，所述水平运动机构设置在固定支架上，所述水平运动机构包括设置在固定支架上的移动板，所述移动板能够沿着平行于水流的方向相对固定支架来回移动，在所述移动板上对应于滑动杆的位置处设置有滑动套，所述滑动套竖向延伸，所述滑动杆穿过所述滑动套并且相对滑动套能够上下滑动。

3.根据权利要求2所述的一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，其特征在于，在所述移动板与连接杆之间设置有至少一个第一拉簧，第一拉簧的上端与移动板连接，下端与连接杆连接，所述拉簧配置为在实验过程中，圆柱模型不会触碰到循环水槽的底部。

4.根据权利要求3所述的一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，其特征在于，在移动板的沿水流方向的两侧均设置有一组第二拉簧，每组第二拉簧中第二拉簧数量至少为一个，每个第二拉簧的一端固定在移动板上，每个第二拉簧的另一端固定在固定支架的沿水流方向的对应侧的端部，并且第二拉簧始终处于被拉伸的状态。

5.根据权利要求4所述的一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，其特征在于，所述导板架可更换成不同的长度；和/或，所述圆柱模型可更换成不同的直径或者重量。

6.根据权利要求5所述的一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，其特征在于，所述检测系统包括两线位移传感器，其中一个线位移传感器安装在移动板上，检测端连接到连接杆，采集圆柱横流向运动信号；另一个线位移传感器安装在固定支架上，检测端连接到水平运动板上，采集圆柱顺流向运动信号。

7.根据权利要求6所述的一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，其特征在于，所述检测系统还包括架设在循环水槽外的piv系统，所述piv系统用于捕捉圆柱模型的尾流漩涡脱落，所述piv系统包括激光系统和高速摄像机，所述激光系统安装在循环水槽的观测区下方，用于将激光平面垂直打在圆柱模型的尾流区域上，所述高速摄像机设置成能够正对所述激光面拍摄。

8.一种双自由度圆柱涡激振动实验方法，采用权利要求7所述的实验系统，其特征在于，具体包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种双自由度圆柱涡激振动实验系统，包括：循环水槽，能够形成水流，用于模拟海洋中的水环境；圆柱涡激振动系统，包括圆柱模型，用于模拟海洋管道，在实验时，圆柱模型水平位于循环水槽的水中，并且其轴线方向垂直于循环水槽中的水流方向，所述圆柱模型相对循环水槽能够上下移动以及沿着水流方向来回移动；检测系统，用于在实验时检测圆柱模型的相关数据。

技术研发人员：韩翔希,苏俊龙,杨萌,郭浩楠,任地,蒙占彬,符妃,胡泽坤,宋孟天,余千,杨东斌,杜东升
受保护的技术使用者：北部湾大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/20