海洋立管渦激振動實驗設計

婁 敏，錢 剛

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

0 引 言

為應對即將到來的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)轉型，自2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后出臺了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等［1-2］，因此，培養(yǎng)具有全球視野、實踐精神和創(chuàng)新能力的高水平復合型人才尤為重要。大學生創(chuàng)新性實驗計劃是教育部實施高校本科教學質量與教學改革工程的重要組成部分［3］，是為推動創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工作而實施的一項重要改革舉措［4］。創(chuàng)新性實驗主要目的是啟發(fā)學生的創(chuàng)新性思維，自主設計和進行實驗，充分調動學生參與的主動性和積極性［5-6］。通過創(chuàng)新性實驗，學生學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，意見找到客觀存在的規(guī)律，從而真正提高創(chuàng)新能力。

船舶流體力學是新工科船舶與海洋工程專業(yè)培養(yǎng)方案中的必修課，其目的是通過教學，使學生系統(tǒng)掌握船舶流體力學的基本知識、原理和計算方法，不斷提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。渦激振動是該課程教學的一個重點內容，對平臺的設計而言具有重要作用，是平臺設計的必要且關鍵環(huán)節(jié)；同時該內容也是該課程的難點內容，比較抽象不容易理解。為了讓學生獲取直觀清晰的學習認知，激發(fā)學生對渦激振動的學習興趣，同時也圍繞著對船舶與海洋工程專業(yè)學生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)目標，本文設計了海洋立管渦激振動創(chuàng)新性實驗。

1 渦激振動

立管所承受的海洋環(huán)境載荷主要有風、浪、流、冰和地震載荷等，其中波浪和海流是最主要的海洋載荷。一定的流速條件下，當波浪和海流流過立管表面時，可在立管后方兩側交替形成強烈的漩渦（見圖1），而漩渦的脫落會對立管產(chǎn)生一個周期性的脈動升力，使得立管在與來流垂直方向上發(fā)生橫向振動，即渦激振動；反之，立管的振動又會對流場產(chǎn)生影響，使漩渦增強，阻力增加，這種渦激振動是小尺度構件流固耦合現(xiàn)象的具體體現(xiàn)。當泄渦頻率與立管的自然頻率接近時，將引起立管的強烈振動，發(fā)生“鎖定”（lock-in）現(xiàn)象。

圖1 渦激振動對立管的作用力示意圖

2 實驗設計

2.1 實驗目的

（1）通過單立管渦激振動實驗，掌握渦激振動的基本原理，學會渦激振動測試方法；

（2）通過立管群渦激振動實驗，發(fā)現(xiàn)立管群渦激振動與單立管渦激振動的區(qū)別，分析尾流干涉對渦激振動的影響；

（3）通過渦激振動抑制實驗，測試渦激振動抑制裝置對渦激振動的抑制效果，設計新型抑制裝置。

2.2 實驗裝置與儀器

本實驗中立管模型示意圖如圖2所示。立管長1.2 m，其中水下部分0.7 m，應變片粘貼于水上0.1 m處，即圖2中位置1＃。由于需要測量立管在海流作用下的渦激振動，將該立管模型放置于波流水槽中；根據(jù)水槽寬度和立管模型長度設計一個用于固定立管的鋁合金支架，如圖3所示。

圖2 立管示意圖（m）

圖3 水槽中的立管布置圖

2.3 實驗測試

本實驗通過測量立管模型應變的變化來研究立管的渦激振動響應，實驗器材選擇用動態(tài)電阻應變儀、數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)處理軟件來進行信號采集和處理。應變片與動態(tài)電阻應變儀通過屏蔽線相互連接，以防止外部信號干擾測試的試驗信號。為了便于觀測，動態(tài)電阻應變儀與數(shù)據(jù)采集儀器，數(shù)據(jù)采集儀器與裝有數(shù)據(jù)處理軟件的電腦之間分別通過數(shù)據(jù)線連接，立管響應信號及其變化可直接顯示在計算機屏幕上。

本實驗在立管位置1＃處（見圖2）沿周向布置4個應變片，其中與水流平行的2個應變片即1＃和3＃應變片組成一個半橋，測量立管順流向振動；與水流垂直的2個應變片即2＃和4＃應變片組成一個半橋，測量立管橫向振動，應變片布置如圖4所示。

圖4 應變片布置圖（m）

3 單立管渦激振動實驗

本實驗對水流流速0.2～0.5 m/s情況下的單立管渦激振動進行分析，分析其位置1＃處的渦激振動橫向及順流向振動響應。圖5、6分別為流速為0.35 m/s時立管渦激振動時程曲線及頻譜圖。

圖5 單立管振動位移時程曲線

圖6 單立管振動功率譜密度圖

從圖5可以看出，橫向最大振動幅度為1.1D，而順流向最大振動幅度為0.3D，其橫向振動較順流向振動劇烈；從圖6可以看出，立管橫向振動頻率為5.882 Hz，而順流向振動頻率為11.76 Hz，順流向振動頻率大概為橫向的2倍。

4 實驗拓展

相對于單立管，立管群間的干擾會使立管的渦激振動情況比單立管更為復雜［7-10］。在單根立管基礎上研究立管群間的渦激振動現(xiàn)象，具有更實際的工程意義。

4.1 立管群渦激振動實驗

本文設計了正方形排列的4根立管的立管群渦激振動實驗，立管群的布置方式如圖7所示，S為任意兩個立管之間的間距，D為立管的直徑。

圖7 立管群布置示意圖

以立管間距S/D＝5為例，測試了0.35 m/s流速下各立管（1＃，2＃，3＃，4＃）的渦激振動數(shù)據(jù)。由于大多數(shù)渦激振動主要發(fā)生在橫向也就是與來流垂直的方向，因此，立管群的渦激振動實驗中只分析各立管的橫向振動響應，實驗結果如圖8所示。由圖可知，上游1＃、2＃立管的振動幅值達到0.51D左右，而下游3＃、4＃立管振動幅值僅為0.25D左右，上游立管的振動較下游立管劇烈，這主要是因為上游立管會對下游立管產(chǎn)生遮蔽作用，從而減弱下游立管的振動；同時，由于邊界效應的影響，上游1＃、2＃立管以及下游兩根立管（3＃、4＃）的振動并不完全一致，存在相位差。

圖8 立管群振動位移時程曲線

4.2 立管渦激振動抑制實驗

在渦激振動的長期作用下，結構物會產(chǎn)生一定的疲勞損傷。隨著立管渦激振動研究的不斷深入，如何減小渦激振動對海洋結構物的破壞已成為國內外學者的研究重點［11-13］。常見的抑制裝置如圖9所示。

圖9 常見的抑制裝置

本實驗采用長度為1D的分隔板［14］以及螺距17D，螺高0.25D的螺旋列板［15］作為抑制裝置，分析兩種抑制裝置對立管橫向振動的抑制效果，實驗結果如圖10所示。

圖10 附加抑制裝置立管的振動位移時程曲線

由圖10可以得到，裸立管、附加分隔板以及螺旋列板的立管的振動幅值分別為0.43D、0.104D和0.072D，螺旋列板對立管橫向振動的抑制效果約為83%，而分隔板的抑制效果為76%，兩種抑制裝置都可以有效地抑制立管的橫向振動。當然，本實驗只分析了常見的兩種抑制裝置對渦激振動的抑制效果，建議學生根據(jù)流體力學基本理論設計新型的渦激振動抑制裝置。

5 結 語

通過海洋立管渦激振動實驗，學生掌握了渦激振動的基本原理，學會了渦激振動的測試方法，對渦激振動有了直觀且深刻的體驗，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的實踐能力。在該實驗基礎上，拓展出立管群渦激振動實驗和渦激振動抑制實驗，分析尾流干涉對渦激振動的影響規(guī)律，設計新型的渦激振動抑制裝置，發(fā)表十余篇學術論文，授權立管渦激振動抑制裝置國家發(fā)明專利3項，較好地提升了學生的創(chuàng)新能力。