本发明专利技术涉及用于研究结构在流场中振动的试验装置，具体涉及一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置。其结构包括设置在底座上的弹性支座，以及设置在弹性支座上的模型管线，其中，所述的弹性支座包括支架和用于安装模型管线的管夹，支架与管夹之间设有弹簧芯杆，弹簧芯杆上套有弹簧；在支架上开有滑槽，滑槽内设有滑块，滑块通过所述的弹簧芯杆与管夹连接。本发明专利技术可以分别控制两个方向的振动，解决了研究涡激振动中的流固耦合作用无法进行试验的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于研究结构在流场中振动的试验装置，具体涉及一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置。
技术介绍
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，用传统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。传统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，但传统的涡激振动理论认为，顺流向振幅远远小于横向振幅， 因此，传统涡激振动理论不包括顺流向振动。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，而传统涡激振动理论认为频率比不随流速的变化而变化，在所有区段都是2。产生上述差别的原因是传统涡激振动试验装置的局限性造成的，传统的涡激振动试验装置有1)两端固定支撑的刚性圆柱体试验装置该试验装置的圆柱体既不能产生整体的刚体振动，也不能产生侧向弯曲振动，因此，不能产生流固耦合作用，从而不能进行涡激振动试验，只能进行没有流固耦合作用的涡旋泄放试验，与深水立管的涡激振动不符。2)单向弹性支撑的刚性圆柱体试验装置该试验装置只能产生具有弹性支撑方向的刚体振动，不能产生两个方向的振动， 因此，不能进行两个方向的涡激振动试验，不能研究两个方向振动的耦合作用的相互影响， 不能揭示两自由度流固耦合现象。3)双向弹性支撑的刚性圆柱体试验装置该试验装置能够产生两个方向的刚体振动，但不能独立地约束一个方向的振动而只产生另一个方向的振动。因此，不能研究一个方向振动对另一个方向涡激振动的影响，也不能研究一个方向的流固耦合作用对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。此外，该装置的另一个缺点是，一个方向的弹性支撑对于另一个方向的弹性支撑产生非线性的支撑反力， 使得两个方向的回复力都是非线性的，因此，试验装置的振动系统是具有非线性刚度的振动系统，只能进行小振幅涡激振动试验。4)两端固定支撑的弹性圆柱体试验装置该试验装置能够产生两个方向的振动，但是不能独立地约束一个方向的振动而只产生另一个方向的振动。因此，不能研究一个方向振动对另一个方向涡激振动的影响，也不能研究一个方向的流固耦合作用对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。此外，该装置的另一个缺点是，由于模型试验的水是天然的水，其密度和黏度是不能改变的，因此，如果圆柱体的直径太小，则圆柱体的尾流形态和涡旋脱落方式都将与原型结构不相似，从而使试验毫无意义。所以试验模型的最小直径应保证涡旋的正常形成和脱落，而试验模型的长度又受到试验水池的限制，所以，试验模型的弯曲刚度不能合理地模拟深水立管的刚度(深水立管的长度L与直径D的比值比较大，通常大于2000，因此，弯曲刚度较小。)，导致模型试验不能产生大变形的弯曲振动，从而不能揭示深水立管涡激振动的大位移流固耦合特征。综上所述，现有技术的主要缺陷在于a)不能进行独立控制单向振动的涡激振动试验，因此，不能用于弹性圆柱体顺流向(横向)振动对横向(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向 (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。b)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，传统涡激振动试验装置不适用于具有强几何非线性的深水立管涡激振动研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种能够独立控制顺流向或横向振动，更适于对流场中圆柱体进行涡激振动研究的试验装置。本专利技术的技术方案如下一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，包括设置在底座上的弹性支座，以及设置在弹性支座上的模型管线，其中，所述的弹性支座包括支架和用于安装模型管线的管夹，支架与管夹之间设有弹簧芯杆，弹簧芯杆上套有弹簧；在支架上开有滑槽，滑槽内设有滑块，滑块通过所述的弹簧芯杆与管夹连接。进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的支架为矩形框架，框架的每一个边框内均设有滑槽，边框内侧对应滑槽的位置设有开口槽；四个滑块分别设置在支架的四周滑槽内，并分别通过弹簧芯杆与管夹的四边相连接；弹簧芯杆能够沿所述的开口槽移动。更进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，每个滑块上设有用于固定滑块的螺钉。进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的弹簧芯杆为可伸缩结构，由外管和内管组成，内管能够在外管内滑动，外管通过端部的螺纹与管夹连接，内管通过端部的螺纹与滑块连接。更进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，在弹簧芯杆的外管和内管上分别设有排气孔。进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，在所述的模型管线上设有用于测量动水压力的压力传感器，在所述的管夹上设有用于测量模型管线振动的加速度传感器。进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的弹性支座共有两个，分别设置在底座的两端。进一步，如上所述的可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，其中，所述的模型管线的长度大于等于lm。本专利技术的有益效果如下本专利技术可以分别控制两个方向的振动，解决了研究涡激振动中的流固耦合作用无法进行试验的问题，滑块机构起到了消除一个方向的弹性支撑对与其垂直方向的振动约束作用。本专利技术可以通过改变模型管线的质量和弹簧刚度进行不同刚度的圆柱体涡激振动试验，解决了大柔性的深水立管涡激振动大比例模型试验问题。本专利技术适合于研究单向振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响，适合于研究单向流固耦合对涡激振动的影响，适合于研究顺流向和横向耦合振动对涡旋泄放、涡激升力和拖曳力的影响。附图说明图1为本专利技术的基本结构示意图；图2为本专利技术的弹性支座的结构示意图；图3为弹性支座框架内的滑槽结构示意图；图4为本专利技术的弹簧芯杆结构示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描述。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。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本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种可控振动自由度的圆柱体涡激振动试验装置，包括设置在底座（３）上的弹性支座（２），以及设置在弹性支座（２）上的模型管线（１），其特征在于：所述的弹性支座（２）包括支架（４）和用于安装模型管线的管夹（５），支架（４）与管夹（５）之间设有弹簧芯杆（６），弹簧芯杆（６）上套有弹簧（７）；在支架（４）上开有滑槽（９），滑槽（９）内设有滑块（８），滑块（８）通过所述的弹簧芯杆（６）与管夹（５）连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄维平，孟庆飞，顾恩凯，魏东泽，丁曼，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：95
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