一种基于明渠实验水槽的悬挂柔性立管涡激振动测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋立管涡激振动实验测试技术领域，具体涉及一种基于明渠实验水 槽的悬挂柔性立管涡激振动测试方法。
【背景技术】
[0002] 2014年，我国石油对外依存度已达59. 5%，如此大的能源缺口必然会对我国经济 发展和国家安全产生重要的影响。为保障我国工农业生产的正常运转，捍卫我国的国防安 全，就必须加大油气资源的开发力度。由于陆上油气资源衰竭迅速，为了提高采收率和增加 油气产量，陆上油田企业被迫开采低渗和超低渗油田、边际油田、煤层气和页岩气等，但相 关的开采技术还不够成熟，开采成本较高，未取得预期的回报。
[0003] 因此，我们不得不把目光转移到"蓝色国土" 一一海洋上。海上油气开采中必然 涉及到海洋立管和悬跨输送管等管线，且随着开采水深的加大，这些管线的长度也在增加， 使得它们的长径比越来越大，犹如一根头发丝悬挂在海水中，在海流的冲击下显得"弱不经 风"。海洋立管处于海风、波浪和海流共同构成的海洋环境中，将面临风、浪、流多重载荷的 诱导振动威胁，极易诱发疲劳损伤。
[0004] 通过实验研究分析海洋立管的工作状态能够为现场提供参考，但直接以海洋立管 原型进行实验研究，其成本极高，且具有极大的风险。现有的海洋立管涡激振动实验主要在 循环水槽和模拟水池中进行，采用应变片、加速度传感器、位移传感器等测试立管的振动响 应，但这些测试仪器均需安装在立管表面，势必改变立管周围的绕流流场，从而改变立管的 振动响应，造成振动测试采集的数据存在一定的偏差。有些测试仪器还需接线通电，使得立 管模型牵连了多根线缆，不仅影响立管的正常振动响应，还存在漏电隐患。因此，目前亟需 一种成本低廉、安全稳定、对流场无干扰的立管涡激振动实验测试方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于明渠实验水槽的经济安全、非介入、无干扰的悬 挂柔性立管涡激振动测试方法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：一种基于明渠实验水槽的悬挂柔 性立管涡激振动测试方法，该测试方法采用明渠实验水槽，包括如下操作步骤：
[0007] 步骤一：布置实验立管
[0008] 首先，在实验用柔性立管表面用油性记号笔标记尺寸大小相同的标记点。然后，将 柔性立管布置在水槽中间实验段垂直纵向断面上，使柔性立管的凹面正对水流来向，柔性 立管的一端通过固定吸盘吸附在水槽底部钢化玻璃上，并由立管封帽封住柔性立管端部管 口；柔性立管的另一端与角度调节器相连，角度调节器固定在带升降杆件的水槽滑轨车上。 根据柔性立管的总长度和实验要求的水深高度，为使柔性立管能够刚好全部浸没在水中， CN 105157943 A I兄明书 2/5 页 按照悬链线自由悬挂的理论公式
别计算柔性立管的水平长度和顶部悬挂角，然后依据水平标尺推动水槽滑轨车，使得柔性 立管水平长度达到要求，依据下游水深标尺调节水槽滑轨车的升降杆件，使得柔性立管的 垂直高度等于水深高度，并调整角度调节器使得顶部悬挂角达到要求。
[0009] 其中：L为柔性立管总长度（m)，H为水深高度（m)，L。为柔性立管水平长度（m)，Θ 为顶部悬挂角（° )。
[0010] 所述水槽由钢结构骨架和钢化玻璃壁面围成，其上游端与水库焊接成一体，水库 与水槽连接处设有闸板。水槽下游端下方设液压升降支座。水槽纵向两侧壁上端设有滑 轨，滑轨上安装有两台水槽滑轨车，一台水槽滑轨车上安装有可升降的杆件，杆件下端固定 有角度调节器；另一台水槽滑轨车上安装有可升降的测速仪固定支架，测速仪固定支架为 中空环抱结构。水槽中间实验段外侧壁垂向贴有上游、下游两条水深标尺，水槽中间实验段 外侧壁上边缘贴有一条水平标尺。水槽下游端出口设堰板，堰板缺口形状为三角形，堰板升 降由堰板升降机控制，通过限位滚轮使其在升降的过程中紧贴水槽，保持垂直升降。水槽堰 板出口下方为蓄水池，蓄水池内布置有水栗，水栗出口通过供水管连接至水库内坐底整流 孔板的上游。
[0011] 所述水库由钢质板材焊接而成，水库内腔中间位置布有坐底整流孔板，水库下方 设有带铰支座。
[0012] 步骤二：构造明渠实验水槽的水流环境
[0013] 在水库内紧贴闸板的后方布置一填充框，并于其中放置钢丝球。调整水槽下游端 下方的液压升降支座，使水槽底坡达到要求的坡度。将蓄水池中装满水后开启水栗，使蓄水 池中的水通过供水管栗送至水库中，水流经坐底整流孔板整流后趋于稳定。然后，水流流过 填充框后形成剪切流。改变水栗栗速和调节堰板高度，观察水深标尺，使得水槽中水位达到 要求的稳定水深，并检查柔性立管是否刚好全部浸没于水中。
[0014] 步骤三：布置测试仪器
[0015] 将声学多普勒测速仪通过测速仪固定支架的中空环抱结构安装在水槽滑轨车上， 推动水槽滑轨车使其位于上游水深标尺处，以便测速时升降测速仪固定支架可进行高度参 照。
[0016] 将仰视高速摄像机布置于水槽中间实验段底部柔性立管下侧，用于拍摄柔性立管 的横向振动。将正视高速摄像机布置于水槽一侧正对柔性立管，用于拍摄柔性立管的纵向 和垂向振动。仰视高速摄像机及正视高速摄像机连接有同步触发器，可由同步触发器触发 进行同步拍摄。调节两台高速摄像机的景深和光圈，使它们均可捕捉柔性立管的全景并清 晰辨认柔性立管上标记的所有标记点。
[0017] 步骤四：测试剪切流的速度剖面
[0018] 调整测速仪固定支架的高度，使声学多普勒测速仪测速点位于水槽底部，从水槽 底部开始测量流速。然后，每隔2mm升高一次测速仪固定支架，使得声学多普勒测速仪可以 测得对应水深的流速，直到测至水面，从而得到整个剪切流的速度剖面。
[0019] 步骤五：测试柔性立管的振动响应
[0020] 启动仰视高速摄像机及正视高速摄像机同步拍摄柔性立管的振动图像，记录足够 长的时间后停止拍摄。将拍摄得到的视频图像进行后处理分析，利用柔性立管标记点的实 际长度与其在图像上所占的像素单元，可以将图像尺寸与实际尺寸关联。由于视频图像按 时间序列保存，通过每帧图像上的柔性立管标记点中心位置的比对，可以得到标记点中心 位置在整个时间段内位移随时间的变化情况。综合所有标记点的振动位移，可以得到整根 柔性立管的振动位移随时间的变化情况，从而得到在一定剪切流速度剖面条件下柔性立管 的振动响应规律。
[0021] 本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
[0022] 1、本发明的水槽流量和水深可以根据需要进行调节，能够制造不同来流速度的海 流条件以满足不同工况下的悬挂柔性立管涡激振动测试；
[0023] 2、本发明的柔性立管材料及长度、直径可以根据需要选择，能够满足不同材质、不 同尺寸的柔性立管涡激振动测试；
[0024] 3、本发明的水槽底坡可以调整，可满足不同角度正坡、负坡以及平坡的实验需 求；
[0025] 4、本发明填充框内填充的钢丝球高度可以根据需要改变，以满足制造不同的剪切 流速度剖面；
[0026] 5、本发明柔性立管上的标记点可以根据需要调整数量及间距，从而更加准确的捕 捉柔性立管被激发的振动模态；
[0027] 6、本发明采用非介入、无干扰的高速摄像捕捉标记点位移的方法，克服了应变片、 加速度传感器及位移传感器等影响流场的振动测试缺陷。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明实验布置正视图
[0029] 图2为本发明实验布置俯视图
[0030] 其中：1、水槽；2、蓄水池；3、水库；4、整流孔板；5、填充框；6、闸板；7、带铰支座； 8、水深标尺；9、水平标尺；10、液压升降支座；11、堰板升降机；12、堰板；13、限位滚轮；14、 水栗；15、供水管；16、水槽滑轨车；17、测速仪固定架；18、角度调节器；19、固定吸盘；20、 立管封帽；21、柔性立管；22、标记点；23、声学多普勒测速仪；24、仰视高速摄像机；25、正视 尚速摄像机。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步描述。
[0032] 如图1所示，一种基于明渠实验水槽的悬挂柔性立管涡激振动测试方法，该测试 方法采用明渠实验水槽，具体包括如下操作步骤：
[0033] 步骤一：布置实验立管
[0034] 首先，在实验用柔性立管21表面用油性记号笔标记尺寸大小相同的标记点22。 然后，将柔性立管21布置在水槽1中间实验段垂直纵向断面上，使柔性立管21的凹面正 对水流来向，柔性立管21的一端通过固定吸盘19吸附在水槽1底部钢化玻璃上，并由立 管封帽20封住柔性立管21端部管口；柔性立管21的另一端与角度调节器18相连，角度 调节器18固定在带升降杆件的水槽滑轨车16上。根据柔性立管21的总长度和实验要求 的水深高度，为使柔性立管21能够刚好全部浸没在水中，按照悬链线自由悬挂的理论公式
分别计算柔性立管21的水平长度和 顶部悬挂角，然后依据水平标尺9推动水槽滑轨车16,使得柔性立管21水平长度达到要求， 依据下游水深标尺8调节水槽滑轨车16的升降杆件，使得柔性立管21的垂直高度等于水 深高度，并调整角度调节器18使得顶部悬挂角达到要求。
[0035] 其中：L为柔性立管21总长度（m)，H为水深高度（m)，L。为柔性立管21水平长度 (