详情

原文传递一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置和方法

专利名称：	一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置和方法
摘要：	本发明为一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置和方法，包括循环水槽、支撑架、管线模型、万向节、水槽壁、高速摄像机、激光位移传感器、光纤光栅应变传感器、测针、导流板、张力计、砝码、动轨、滑轮、吊梁、多波束测深仪、超声流速仪ADV、滑轨、定轨；在管线模型底部安装多个测针，在管线模型表面沿轴向方向等间隔确定应变测点，每个应变测点在循环水槽内水流方向上设置左、右两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器左、右对称布置在管线模型的水平外表面；滑轨的一端与管线模型相连，另一端与钢丝绳连接，滑轨能相对支座前后滑动。能够实现对柔性管线和局部冲刷扩展的研究和涡激振动频率、振幅以及管线应变的测定。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	河北工业大学
发明人：	熊骋望;高浩;臧志鹏;戚翔
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-05T00:00:00+0800
申请号：	CN201910363059.X
公开号：	CN109975156A
代理机构：	天津翰林知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	付长杰
分类号：	G01N3/56(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	300130 天津市红桥区丁字沽光荣道8号河北工业大学东院330#
主权项：	1.一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置，包括循环水槽、支撑架、管线模型，其特征在于，该装置还包括万向节、水槽壁、高速摄像机、激光位移传感器、光纤光栅应变传感器、测针、导流板、张力计、砝码、动轨、滑轮、吊梁、多波束测深仪、超声流速仪ADV、滑轨、定轨；在循环水槽的两侧外部对称布置四个等高度的垂直支撑架，四个垂直支撑架下端与地面连接固定；四个支撑架的高度高于循环水槽，在四个支撑架的上部放置固定定轨的安装平台，将定轨沿循环水槽宽度方向放置并固定于安装平台上；将动轨与定轨相连接，动轨垂直于定轨安装，动轨和定轨上都安装有滑块，动轨在定轨上匀速往复移动，动轨上的多波束测深仪能实现前后、左右两个方向的移动；所述吊梁两端分别固定在安装平台上，且吊梁与动轨垂直不接触，吊梁位于动轨上方；管线模型沿循环水槽宽度方向置于循环水槽内；将激光位移传感器通过吊杆固定在吊梁上，激光位移传感器放置在管线模型正上方；所述高速摄像机也通过吊杆固定在吊梁上，安装在循环水槽的最前侧，与多波束测深仪互相不影响；所述多波束测深仪通过吊杆固定在动轨的滑块上，超声流速仪ADV也通过吊杆连接在吊梁上，放置在循环水槽的最后侧；上述高速摄像机、多波束测深仪、超声流速仪ADV的探头、激光位移传感器均位于水面以下；沿着管线模型轴线方向每隔2-3倍管线模型直径的距离均匀安装多个测针，且多个测针位于管线模型底部，插在砂土中；在管线模型表面沿轴向方向等间隔确定应变测点，相邻应变测点的距离为管线模型长度的1/15-1/10，每个应变测点在循环水槽内水流方向上设置左、右两个光纤光栅应变传感器，两个光纤光栅应变传感器左、右对称布置在管线模型的水平外表面；将微型滑轨平放在支座上，滑轨的一端与管线模型相连，另一端与钢丝绳连接，滑轨能相对支座前后滑动；在前端水槽壁上方用螺丝固定两组滑轮，两组滑轮通过钢丝绳连接，钢丝绳一端悬挂砝码，另一端与循环水槽内放置的滑轨经过一组滑轮连接，且钢丝绳上设置有张力计；在循环水槽内沿与水流相同的方向安装导流板，导流板高出水面；在循环水槽内部前后两侧各设置一个导流板，且与循环水槽底部连接。 2.根据权利要求1所述的模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置，其特征在于，所述导流板为厚20mm的钢化玻璃板。 3.根据权利要求1所述的模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验装置，其特征在于，所述管线模型为PVC管和橡胶管嵌套构成。 4.一种模拟柔性管线冲刷和涡激振动的实验方法，该方法采用权利要求1-3任一所述的实验装置，具体步骤是： (1)将待模拟海域中的砂土平铺在循环水槽的两个导流板之间，用刮板将砂土刮平；在管线模型中间部位下方挖一个和管线模型相同直径的圆形孔洞，作为初始冲刷坑，冲刷由初始冲刷坑起动，然后向两侧扩展；在砂土上表面铺一层聚苯乙烯薄膜，避免实验开始前砂床出现冲刷变形； (2)将管线模型自然平放在砂土中间位置，管线模型后端穿过相邻侧的导流板的孔洞并通过万向节与相邻的水槽壁相连；管线模型前端穿过另一侧导流板的孔洞，通过微型滑轨和滑轮连接，在滑轮另一侧悬挂砝码，对管线模型施加1.25倍至1.5倍管线模型质量的张力，张力大小通过张力计测得； (3)向循环水槽中缓慢注水，待水流稳定将聚苯乙烯薄膜慢慢翻转至非砂床区取出；记录管线模型初始的频率和幅值，启动设备；超声流速仪ADV对管线左方0.5m至1m的来流速度进行测量； (4)水流方向平行循环水槽的长度方向，管线模型底部放置的测针测量砂土冲刷的深度；水下高速摄像机记录整个冲刷扩展过程；光纤光栅传感器实时监测管线模型应变并将数据传到计算机中；同时，安放在管线模型正上方的激光位移传感器测量管线模型在涡激振动作用下的横向位移； (5)冲刷过程结束，把激光位移传感器取下，将多波束测深仪和吊杆相连接并固定在动轨上，动轨上的电机驱动多波束测深仪在二维平面内匀速往复移动，同时对管线模型周围的冲刷地形以及下方阻挡的砂床进行扫描，将扫描得到冲刷地形数据传到计算机中； (6)通过分析光纤光栅传感器和激光位移传感器采集的数据，对管线模型位移及应变进行分析，得出管线模型涡激振动幅值、频率以及管线模型的应变；对测针测得的数据进行分析，得到冲刷深度和冲刷扩展速度；通过分析多波束测深仪传到计算机中的数据，得到扫描冲刷地形的三维特征。 5.根据权利要求4所述的实验方法，其特征在于，所述聚苯乙烯薄膜的厚度为0.05mm；导流板高出水面100mm。
所属类别：	发明专利