CN102252816A - 一种圆柱体涡激振动的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构在流场中振动的试验方法，具体涉及一种圆柱体涡激振动的试验方法。该方法利用能够分别独立控制顺流向和横向两个自由度振动的试验装置，分别进行两自由度涡激振动试验和单自由度涡激振动试验，对两自由度涡激振动试验以及单自由度涡激振动试验的现象和数据进行分析，对单自由度和两自由度涡激振动试验分析结果进行比较。本发明可以在相同试验条件下完成顺流向或横向单自由度涡激振动试验和顺流向与横向两自由度涡激振动试验，实现动水压力、试验模型运动参数(位移、速度、加速度)和涡旋泄放的同步测量。

Description

一种圆柱体涡激振动的试验方法

技术领域

本发明涉及结构在流场中振动的试验方法，具体涉及一种圆柱体涡激振动的试验方法。

背景技术

涡激振动是圆柱体在流场中的一种特殊振动形式，是圆柱体尾流处的涡旋脱落引起的振动。关于涡激振动的研究已有60多年的历史，但近年来，由于海洋深水油气开发而出现的立管涡激振动问题又掀起了新一轮的圆柱体涡激振动研究热潮。

研究发现，用现有的涡激振动理论不能很好地解释深水立管特殊的涡激振动现象，如振动幅度大，现有的涡激振动理论认为，涡激振动的振幅A与圆柱体直径D的比值为A/D＝0.1-0.15，而深水立管的涡激振动幅值A与直径D的比值大于1。

深水立管涡激振动的第二个特点是顺流向(与水的流动速度方向平行)振幅与横向(与水的流动速度方向垂直)振幅为同一数量级，其比值随水的流速变化而变化，申请人的研究结果表明，在非锁定区(锁定区是指涡旋泄放频率与圆柱体的频率相等)幅值比约等于1，在锁定区约等于1/3-2/3。但现有的涡激振动理论认为，顺流向振幅远远小于横向振幅，因此，现有涡激振动分析模型不包括顺流向振动。

深水立管涡激振动的第三个特点是顺流向振动频率与横向振动频率的比值随流场的流速变化而变化，申请人的研究结果表明，在非锁定区频率比为1，而在锁定区为2，而现有涡激振动理论认为频率比不随流速的变化而变化，在所有流速范围都是2。

产生上述差别的原因是现有涡激振动试验方法的局限性造成的，现有的涡激振动试验方法是采用刚性支撑的弹性圆柱体模型，试验模型在垂直圆柱体轴线的平面内同时做两个方向的振动，且由于试验条件的限制(试验水池和流速)，模型的长细比较小，导致模型的固有频率难以达到试验要求。因此，现有的涡激振动试验不能考查某个方向振动对另一方向振动的影响，某个方向振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力以及涡激振动响应的影响；不能考察大位移流固耦合对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力以及涡激振动的影响。

现有涡激振动试验方法包括：

1)水池(槽)造流试验

水池(槽)造流试验采用刚性固定的弹性圆柱体试验模型，试验圆柱体同时产生两自由度振动。为了试验的雷诺数范围较大，一般采用小直径的试验模型，无法内置压力传感器，而表面粘贴压力传感器将改变流场形态，因此，无法进行动水压力测试。此外，由于小直径模型的质量小，安装加速度传感器对模型的质量有较大影响，一般采用应变计测量涡激振动响应。而应变计只能测量弯曲引起的轴向应变，因此，只能分析得到测量点的位移，而无法得到速度和加速度响应。因此，流固耦合对涡激升力和拖曳力以及涡激振动的影响无法采用这样的试验技术得到。

2)水池(槽)拖曳试验

水池(槽)拖曳试验的试验模型与水池(槽)造流试验相同，但模型是固定在水池(槽)的行车上，试验时，通过行车拖曳产生流场。

现有涡激振动试验方法的主要缺陷如下：

1.不能进行顺流向或横向的单向涡激振动试验，因此，不能实现弹性圆柱体顺流(横)向振动对横(顺流)向涡激振动影响的试验研究，不能揭示弹性圆柱体顺流(横)向流固耦合对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力影响的本质特征，不能揭示顺流向和横向耦合振动的流固耦合特征及其对涡激振动的影响。

2.不能模拟深水立管大位移涡激振动的流固耦合特征，大位移意味着几何非线性，线性小位移假定不再适用，因此，现有涡激振动试验技术不适用于具有强几何非线性的深水立管涡激振动试验研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种圆柱体涡激振动的试验方法，从而可以在相同试验条件下完成顺流向或横向单自由度涡激振动试验和顺流向与横向两自由度涡激振动试验，实现动水压力、试验模型运动参数(位移、速度、加速度)和涡旋泄放的同步测量。

本发明的技术方案如下：一种圆柱体涡激振动的试验方法，包括如下步骤：

(1)将能够分别独立控制顺流向和横向两个自由度振动的试验装置固定在试验水槽内，将试验装置的压力传感器和运动传感器的引出线与相应的测试仪器连接；

(2)将粒子速度影像仪用的示踪粒子按照粒子速度影像仪的使用要求撒入水中；

(3)开启造流系统进行两自由度涡激振动试验，试验流速以约化速度为单位进行分级，每个试验流速进行相同的测试；每次试验待流速稳定后进行所有试验参数的测试，试验参数包括动水压力、运动参数、流场条件；

(4)对两自由度涡激振动试验现象和数据进行分析；

(5)通过试验装置约束顺流向或横向振动，开启造流系统进行单自由度涡激振动试验，试验程序和测试数据与步骤(3)中两自由度涡激振动试验相同；

(6)对单自由度涡激振动试验现象和数据进行分析，分析内容和方法与步骤(4)中两自由度涡激振动试验现象和数据分析程序和方法相同；

(7)对单自由度和两自由度涡激振动试验结果进行分析比较。

进一步，如上所述的圆柱体涡激振动的试验方法，步骤(3)中所述的试验流速每级的增量为0.5个约化速度，试验从0.5个约化速度开始，直至约化速度达到16结束；动水压力测试和运动参数测试的采样速率不大于最大涡泄频率的10倍。

进一步，如上所述的圆柱体涡激振动的试验方法，步骤(4)中的数据分析包括：分析涡激升力、拖曳力和振动响应的时域特征和谱特性，分别求出涡激升力和拖曳力与顺流向响应和横向响应的关系；求出涡激升力与拖曳力的频率比和幅值比及其与约化速度的关系；求出顺流向振动与横向振动的频率比和幅值比及其与约化速度的关系；分析尾流场形态，求出与涡激升力和拖曳力同步的涡旋泄放特征，求出双向流固耦合对涡旋泄放、涡激升力、拖曳力和振动响应的影响。

进一步，如上所述的圆柱体涡激振动的试验方法，步骤(7)中所述的试验结果的比较分析包括：通过比较顺流向或横向振动和两自由度振动的涡旋泄放模式，分析得到顺流向或横向流固耦合对涡旋泄放的影响；通过比较顺流向或横向振动和两自由度振动的涡激升力和拖曳力的时域特征，分析得到顺流向或横向流固耦合对涡激升力和拖曳力的影响，以及涡激升力和拖曳力与顺流向或横向运动参数的关系；通过比较顺流向或横向振动与两自由度振动的涡激升力和拖曳力的谱特性，分析得到顺流向或横向响应频率与涡激升力和拖曳力频率的关系；通过比较顺流向或横向响应与两自由度响应的时域特征和谱特性，分析得到顺流向振动和横向振动的耦合关系，以及顺流向或横向振动对横向或顺流向涡激振动的影响。

本发明的有益效果如下：本发明解决了顺流向或横向单向涡激振动的试验技术，实现了顺流向或横向振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力影响的试验研究；实现了顺流向或横向流固耦合对涡激振动影响的试验研究；实现了顺流向和横向振动相互作用和相互影响及其耦合振动的试验研究。另外，本发明解决了大位移涡激振动的试验技术，实现了大位移流固耦合对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力影响的试验研究；实现了大位移流固耦合对涡激振动影响的试验研究，从而使大位移的几何非线性涡激振动试验研究成为可能。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明所使用的试验装置的基本结构示意图；

图3为试验装置的弹性支座的结构示意图；

图4为弹性支座框架内的滑槽结构示意图；

图5为试验装置的弹簧芯杆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

圆柱体的涡激振动包括顺流向和横向两个自由度的振动，为了分别研究顺流向和横向涡激振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响，研究顺流向和横向涡激振动的相互影响，研究顺流向和横向涡激振动的流固耦合效应及其对涡激振动的影响，试验装置应能够分别控制顺流向或横向振动，即约束顺流向或横向振动，令试验模型仅作横向或顺流向振动。试验时，通过安装在试验模型上的压力传感器和加速度传感器，同步测量作用在圆柱体的动水压力和圆柱体的振动参数。通过粒子速度影像仪(PIV)同步记录尾流场形态。

由于圆柱体的涡激振动包括两个自由度的振动，采用单自由度振动试验是为了研究另一个自由度振动影响不存在的条件下，圆柱体的涡激振动特性，这样，通过两自由度涡激振动试验与单自由度涡激振动试验的分析比较，就可以得到该自由度振动对涡激振动的影响。

首先，介绍本发明所使用的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，如图2所示，由模型管线1、弹性支座2和底座3三部分组成，弹性支座2共有两个，分别设置在底座3的两端，模型管线1穿过两个弹性支座2，模型管线1上装有针式微型压力传感器11，用于测量动水压力。

模型管线1采用厚壁钢管，其直径应根据水池或水槽的造流能力确定，在满足试验所需的最大约化速度或雷诺数的条件下，尽可能采用大直径模型管线，以获得较大的弯曲刚度，避免模型管线的弯曲振动。也可以采用较短的模型管线来满足刚度要求，但不能短于1m，避免弹性支座对流场的扰动影响动水压力测试精度。

如图3所示，弹性支座2由支架4、管夹5、弹簧芯杆6、弹簧7和滑块8组成，管夹上装有加速度传感器10，用于测量模型管线的振动。所述的支架4为矩形框架，框架的每一个边框内均设有滑槽9，四个滑块8分别设置在支架4的四周滑槽9内，并分别通过弹簧芯杆6与管夹5的四边相连接。弹簧芯杆6上套有弹簧7，弹簧芯杆6可以避免弹簧7在压缩变形时发生弯曲，也可以避免弹簧7整体倾斜影响与其垂直方向的振动。

如图4所示，支架4的边框内侧对应滑槽9的位置设有开口槽12，弹簧芯杆6能够沿所述的开口槽12移动。支架4上的滑槽9的截面如图3所示的倒梯形，滑块8的截面形状与滑槽9相同，可沿滑槽9滑动。滑块8在滑槽9内滑动时，内管14沿支架4的开口槽12移动。这样就可以保证每个弹簧只提供与其轴线平行方向的弹性回复力，而与其垂直方向的振动是通过滑块的移动来消除其约束的。

如图5所示，弹簧芯杆6为可伸缩结构，由外管13和内管14组成，内管14可在外管13内滑动。为了减小滑动阻力，外管13和内管14上分别设有排气孔15和排气孔16。外管13通过端部的外螺纹18与管夹5连接，内管14通过端部的外螺纹17与滑块8连接。当然，弹簧芯杆与管夹和滑块的连接也可以不局限于上述形式，例如，将外管13通过端部的外螺纹18与滑块8连接，内管14通过端部的外螺纹17与管夹5连接也是可行的方案。

如图3所示，滑块8上设有两个螺钉19，用于固定滑块8，某一方向的滑块被固定后，可以使模型管线只产生一个方向的振动。通过这种方法，就可以实现独立控制两个方向的振动。

采用上述试验装置所进行的圆柱体涡激振动试验方法如下：

(1)将试验装置牢固地安装在试验水槽的中部，避免试验过程中移动或摆动。将压力传感器和运动(位移或速度或加速度)传感器的引出线与相应的测试仪器连接，确保连接良好。此为常规试验步骤。

(2)向水槽中注水至指定液位，确保试验模型上方的水深大于10倍模型直径。将粒子速度影像仪(PIV)用的示踪粒子(空心玻璃微珠)按照PIV的使用要求撒入水中。并且对试验系统进行调试，拨动试验模型，观察其运动是否灵活。开启测试系统，确认压力测试系统、运动测试系统和流场测试系统(PIV系统)工作正常，开启造流系统，确认试验模型运动正常，所有测试信号正常后，关闭造流系统。此为常规试验步骤。

(3)开启造流系统进行两自由度涡激振动试验，试验流速以约化速度为单位进行分级，每级的增量为0.5个约化速度。试验从0.5个约化速度开始，每个试验流速进行相同的测试。每次试验待流速稳定后进行所有试验参数(动水压力、运动参数、流场条件)的测试，其中压力测试和运动参数测试的采样速率不大于最大涡泄频率的10倍，以避免数据分析时出现严重的混频现象。每次试验增加0.5个约化速度，直至约化速度达到16结束，关闭造流系统。此为常规试验步骤。

(4)对两自由度涡激振动试验现象和数据进行分析，分析涡激升力、拖曳力和振动响应的时域特征(位移、速度、加速度)和谱特性(频率成分、卓越频率、带宽)，分别求出涡激升力和拖曳力与顺流向响应和横向响应的关系；求出涡激升力与拖曳力的频率比和幅值比及其与约化速度的关系；求出顺流向振动与横向振动的频率比和幅值比及其与约化速度的关系。分析尾流场形态，求出与涡激升力和拖曳力同步的涡旋泄放特征，求出双向流固耦合对涡旋泄放、涡激升力、拖曳力和振动响应的影响。此步骤中的内容为本发明所提出的分析内容，其具体的分析方法对于本领域的技术人员来说属于公知常识。

(5)约束顺流(横)向振动，开启造流系统进行单自由度涡激振动试验。其试验程序和测试数据与两自由度涡激振动试验相同。此步骤中的试验内容是依靠上述试验设备的具体结构来实现的，通过滑块上的螺钉固定滑块，当某一方向的滑块被固定后，可以使模型管线只产生一个方向的振动。此步骤的内容为本发明的核心内容。

(6)对单自由度涡激振动试验现象和数据进行分析，分析内容和方法与两自由度涡激振动试验现象和数据分析程序和方法相同。此步骤中的内容为本发明所提出的分析内容，其具体的分析方法对于本领域的技术人员来说属于公知常识。

(7)对单自由度和两自由度涡激振动试验结果进行分析比较，通过比较顺流(横)向振动和两自由度振动的涡旋泄放模式，分析得到顺流(横)向流固耦合对涡旋泄放的影响。比较顺流(横)向振动和两自由度振动的涡激升力和拖曳力的时域特征，分析得到顺流(横)向流固耦合对涡激升力和拖曳力的影响，以及涡激升力和拖曳力与顺流(横)向运动参数(位移、速度、加速度)的关系；比较顺流(横)向振动和两自由度振动的涡激升力和拖曳力的谱特性，分析得到顺流(横)向响应频率与涡激升力和拖曳力频率的关系；比较顺流(横)向响应和两自由度响应的时域特征和谱特性，分析得到顺流向振动和横向振动的耦合关系，以及顺流(横)向振动对横(顺流)向涡激振动的影响。此步骤为本发明提出的分析内容，属于发明的核心内容，其具体的分析方法对于本领域的技术人员来说属于公知常识。

本发明在相同试验条件下(同一试验模型，只需约束或释放一个自由度就可以实现单自由度和两自由度涡激振动试验，消除了不同模型之间模型误差干扰)实现了顺流向或横向单自由度涡激振动试验和顺流向与横向两自由度涡激振动试验，现有涡激振动试验方法不具备这个能力。这种顺流向或横向单自由度涡激振动试验与顺流向和横向两自由度涡激振动试验相结合的试验方案是一种全新的试验方法。而且，本发明还可以实现动水压力、试验模型运动参数(位移、速度、加速度)和涡旋泄放的同步测量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种圆柱体涡激振动的试验方法，包括如下步骤：

(1)将能够分别独立控制顺流向和横向两个自由度振动的试验装置固定在试验水槽内，将试验装置的压力传感器和运动传感器的引出线与相应的测试仪器连接；

(2)将粒子速度影像仪用的示踪粒子按照粒子速度影像仪的使用要求撒入水中；

(3)开启造流系统进行两自由度涡激振动试验，试验流速以约化速度为单位进行分级，每个试验流速进行相同的测试；每次试验待流速稳定后进行所有试验参数的测试，试验参数包括动水压力、运动参数、流场条件；

(4)对两自由度涡激振动试验现象和数据进行分析；

(5)通过试验装置约束顺流向或横向振动，开启造流系统进行单自由度涡激振动试验，试验程序和测试数据与步骤(3)中两自由度涡激振动试验相同；

(6)对单自由度涡激振动试验现象和数据进行分析，分析内容和方法与步骤(4)中两自由度涡激振动试验现象和数据分析程序和方法相同；

(7)对单自由度和两自由度涡激振动试验结果进行分析比较。

2.如权利要求1所述的圆柱体涡激振动的试验方法，其特征在于：步骤(3)中所述的试验流速每级的增量为0.5个约化速度，试验从0.5个约化速度开始，直至约化速度达到16结束；动水压力测试和运动参数测试的采样速率不大于最大涡泄频率的10倍。

3.如权利要求1所述的圆柱体涡激振动的试验方法，其特征在于：步骤(4)中的数据分析包括：分析涡激升力、拖曳力和振动响应的时域特征和谱特性，分别求出涡激升力和拖曳力与顺流向响应和横向响应的关系；求出涡激升力与拖曳力的频率比和幅值比及其与约化速度的关系；求出顺流向振动与横向振动的频率比和幅值比及其与约化速度的关系；分析尾流场形态，求出与涡激升力和拖曳力同步的涡旋泄放特征，求出双向流固耦合对涡旋泄放、涡激升力、拖曳力和振动响应的影响。

4.如权利要求1所述的圆柱体涡激振动的试验方法，其特征在于：步骤(7)中所述的试验结果的比较分析包括：通过比较顺流向或横向振动和两自由度振动的涡旋泄放模式，分析得到顺流向或横向流固耦合对涡旋泄放的影响；通过比较顺流向或横向振动和两自由度振动的涡激升力和拖曳力的时域特征，分析得到顺流向或横向流固耦合对涡激升力和拖曳力的影响，以及涡激升力和拖曳力与顺流向或横向运动参数的关系；通过比较顺流向或横向振动与两自由度振动的涡激升力和拖曳力的谱特性，分析得到顺流向或横向响应频率与涡激升力和拖曳力频率的关系；通过比较顺流向或横向响应与两自由度响应的时域特征和谱特性，分析得到顺流向振动和横向振动的耦合关系，以及顺流向或横向振动对横向或顺流向涡激振动的影响。

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