三控制桿對(duì)串聯(lián)立管渦激振動(dòng)抑制的試驗(yàn)分析

，

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

與孤立立管相比，多立管間的尾流干涉使得立管渦激振動(dòng)變得更為復(fù)雜。目前針對(duì)尾流干涉下渦激振動(dòng)研究主要是基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ā?shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。數(shù)值模擬方法主要借助于Fluent、CFX等流體分析軟件，通過(guò)建立多圓柱體流固耦合模型模擬分析尾流干涉現(xiàn)象對(duì)尾流圓柱體及邊界效應(yīng)對(duì)橫向相鄰圓柱體渦激振動(dòng)的影響[1]，但由于數(shù)值模擬常常受限于計(jì)算能力及軟件局限性，所以很多時(shí)候需要與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合。風(fēng)洞試驗(yàn)是比較常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)方法，Brika等人就通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)探討不同柱體間距對(duì)串聯(lián)圓柱體渦激振動(dòng)響應(yīng)的影響，結(jié)果表明背流向圓柱體渦激振動(dòng)區(qū)域和幅值都要大于孤立柱體，隨著圓柱體間距的增加，圓柱體渦激振動(dòng)最大值減小[2- 3]。

渦激振動(dòng)長(zhǎng)期作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，如何減小或防止VIV對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物造成的破壞已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)?，F(xiàn)階段工程業(yè)界發(fā)展比較成熟的渦激振動(dòng)抑制裝置有整流罩、螺旋列板以及控制桿[4]。其中對(duì)于單根立管渦激振動(dòng)抑制裝置抑制效果的研究比較成熟。趙鵬良等人利用CFD方法研究安裝有非流線型固定整流罩的隔水管的VIV問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)附加此種整流罩能夠有效抑制隔水管的VIV，并且整流罩的頂部角度會(huì)影響抑制效果，角度越小其抑振效果越好[5]。目前關(guān)于尾流干涉下渦激振動(dòng)抑制的研究較少，考慮以串聯(lián)立管為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析三控制桿的存在對(duì)串聯(lián)立管渦激振動(dòng)幅值和頻率的影響，同時(shí)探討立管間距對(duì)串聯(lián)立管渦激振動(dòng)抑制效果的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)物理模型

1.1 裸管模型

試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃管作為立管模型試驗(yàn)材料，有機(jī)玻璃管外徑15 mm，內(nèi)徑13 mm，有效高度為1.2 m，立管垂直放入水槽中，水深700 mm，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)立管模型

立管模型通過(guò)緊箍固定在鋁合金支架上，實(shí)驗(yàn)立管管內(nèi)充滿水。選取水面以上2個(gè)位置粘貼電阻式應(yīng)變片，采用半橋接線法，每個(gè)位置貼4個(gè)應(yīng)變片，橫向和順流向各貼2個(gè)，間隔90°布置，見(jiàn)圖2。其中1#、3#點(diǎn)應(yīng)變片用于測(cè)量順流向立管的振動(dòng)響應(yīng)，2#、4#應(yīng)變片用于測(cè)量橫向上立管的振動(dòng)響應(yīng)。在粘貼應(yīng)變片之前，先用無(wú)水乙醇擦拭一遍立管，以確保立管表面的清潔度。采集應(yīng)變信號(hào)所用的傳導(dǎo)連接線全部采用屏蔽線，以減少實(shí)驗(yàn)室其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)采集信號(hào)的影響。

圖2 應(yīng)變片布置

在渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)實(shí)驗(yàn)裸管進(jìn)行自振實(shí)驗(yàn)以獲取自振頻率fn，實(shí)驗(yàn)在無(wú)流速環(huán)境中進(jìn)行。先給立管一個(gè)初始位移然后釋放，記錄立管在水中的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)。圖3、4為裸管自振的時(shí)程曲線圖及橫向振動(dòng)功率譜密度圖(PSD)，由圖可知實(shí)驗(yàn)裸管的自振頻率為3.9 Hz。

圖3 裸管自振的時(shí)程曲線

圖4 橫向振動(dòng)功率譜密度(PSD)

1.2 控制桿

控制桿作為渦激振動(dòng)抑制裝置首先由Lesag提出[6]。選擇控制桿時(shí)一個(gè)很重要的考慮是，將控制桿引入立管系統(tǒng)以后，就能夠區(qū)別整個(gè)立管系統(tǒng)VIV響應(yīng)的改變是由于控制桿對(duì)立管周?chē)鲌?chǎng)產(chǎn)生影響而造成的，還是由于控制桿從本質(zhì)上改變了整個(gè)立管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。作為研究水動(dòng)力特性為主的水池物理模型實(shí)驗(yàn)，通常希望控制桿對(duì)VIV的抑制作用主要來(lái)源于控制桿造成的立管周?chē)鲌?chǎng)的改變，而不是立管系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的變化。橡皮條的柔軟特性能夠完全抵抗疲勞破壞，并且它不會(huì)改變立管的抗彎、抗拉和抗剪等材料特性。為此，試驗(yàn)選用橡皮條作為控制桿模型，其直徑約3 mm，即0.2D。每隔30 cm安裝一個(gè)用有機(jī)玻璃制成的固定套環(huán)，用于輔助固定控制桿，其外徑約24 mm，在其中間位置按圓周角均分120°，并鉆上帶有螺紋的孔，孔徑約為6 mm。用螺絲桿穿過(guò)螺紋孔將套環(huán)固定在管壁上，在螺絲桿上離管壁一定距離固定橡皮條。橡皮條制成的控制桿安裝在距離管壁6 mm的位置，即控制桿與立管外壁距離0.4D。固定套環(huán)的體積與重量都非常小，可以認(rèn)為對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性無(wú)明顯的影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

本文中采用電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量立管振動(dòng)信號(hào)，其電阻值為(120±0.2) Ω，靈敏系數(shù)為2.08±1%。試驗(yàn)中最大漩渦脫落頻率低于20 Hz，采樣頻率設(shè)置為100 Hz，從而避免信號(hào)混淆。

本文采用時(shí)域分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。時(shí)域分析即波形分析。可以在時(shí)間域上對(duì)多通道的信號(hào)進(jìn)行分析，即對(duì)時(shí)間振動(dòng)波形進(jìn)行分析，觀察信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化情況。對(duì)于具體的信號(hào)，它表現(xiàn)出不同的應(yīng)用特點(diǎn)。本文中的數(shù)據(jù)由DHDAS軟件采集，然后繪制出信號(hào)波形圖進(jìn)行時(shí)域分析。

對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)而言，幅值是比較直觀的特征信息。信號(hào)的簡(jiǎn)單幅值域參數(shù)包括均值、最大值、最小值、均方根值等，本文主要介紹均方根值。均方值又稱二次矩，用來(lái)描述振動(dòng)信號(hào)的平均能量或平均功率。連續(xù)信號(hào)的均方值計(jì)算式為

(1)

離散數(shù)據(jù)y1，y2，…，yn的均方值計(jì)算式為

(2)

均方根值為均方值的正平方根，可以從整體上反映立管在某一流速下的振動(dòng)形狀。

(3)

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)外部受多種因素的影響，必然在輸出信號(hào)中夾雜著噪聲和干擾，這就需要對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)做初步的校正處理，如修正波形的畸變，削弱信號(hào)中的噪聲和干擾等，使初步處理結(jié)果盡可能地還原成真實(shí)的振動(dòng)響應(yīng)。本文采用基于小波的MATLAB閾值去噪方法實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)應(yīng)變信號(hào)的去噪。

2 串聯(lián)裸管渦激振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)選取有機(jī)玻璃管作為立管模型，其中立管模型有效長(zhǎng)度為1.2 m，外徑為15 mm，壁厚為1 mm，彈性模量為3 GPa，試驗(yàn)立管參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)立管詳細(xì)參數(shù)

裸管實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同間距下的串聯(lián)立管在水流速度0.3 m/s下的橫向振動(dòng)響應(yīng)。經(jīng)過(guò)降噪處理后，獲取串聯(lián)立管橫向振動(dòng)時(shí)程曲線，如圖5。圖6為串聯(lián)裸管在不同間距下的橫向振動(dòng)功率譜密度圖。其中，L為上下游立管外表面之間的距離，D為立管直徑。

圖5 串聯(lián)裸管在不同間距下的橫向應(yīng)變時(shí)程曲線

圖6 串聯(lián)裸管在不同間距下的橫向振動(dòng)功率譜密度

由圖5可知，在各間距下串聯(lián)布置上游立管橫向振動(dòng)幅值一直大于下游立管，這是由于下游立管受到上游立管尾渦和自身尾渦的共同作用，使得下游立管振動(dòng)較上游立管弱。這與David Jinq Tyng Ng在約化速度小于7時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果一致[7]。值得注意的是，上游立管在各間距下由于尾流影響，其振動(dòng)幅值呈現(xiàn)不對(duì)稱性，偏向于負(fù)值的方向，此類(lèi)圓柱不對(duì)稱的振動(dòng)響應(yīng)特性與圓柱間隙流穩(wěn)定偏斜有關(guān)[8]；下游立管振動(dòng)幅值基本關(guān)于零值對(duì)稱。從間距影響來(lái)看，上游立管橫向振動(dòng)幅值隨間距變化先增大后減小再增大；下游立管橫向振動(dòng)幅值都是隨間距變化先增大后減小，在5～6倍管徑間距時(shí)上下游立管振動(dòng)幅值分別達(dá)到最大436.26×10-6和194.51×10-6。由圖6可以看出，在4個(gè)間距下立管橫向振動(dòng)頻率均為4.314 Hz，上下游立管振動(dòng)頻率在不同間距下基本保持一致。

3 試驗(yàn)結(jié)果

帶有三控制桿的串聯(lián)立管布置見(jiàn)圖7。

控制桿試驗(yàn)條件與裸管保持一致，水流速度取0.3 m/s。

圖7 裝配有三控制桿的串聯(lián)立管模型

圖8為帶有三控制桿的串聯(lián)立管在不同間距下的橫向應(yīng)變時(shí)程曲線，圖9為帶三控制桿的串聯(lián)立管在不同間距下的橫向振動(dòng)功率譜密度圖。

圖8 帶三控制桿的串聯(lián)立管在不同間距下的橫向應(yīng)變時(shí)程曲線

圖9 帶三控制桿的串聯(lián)立管在不同間距下的橫向振動(dòng)功率譜密度

由圖8可知，與裸管均方根應(yīng)變值相比，附加控制桿以后上下游立管的橫向振動(dòng)振幅都得到了有效的抑制，例如當(dāng)L/D=5時(shí)，串聯(lián)裸管上下游應(yīng)變幅值分別為436.26×10-6和175.51×10-6，而附帶三控制桿后應(yīng)變幅值分別降為107.63×10-6和99.88×10-6。對(duì)于上游立管，立管的橫向應(yīng)變幅值隨著間距的增加而增加，而下游立管則呈現(xiàn)出先增大后減小，當(dāng)L/D=6時(shí)，下游立管的橫向應(yīng)變幅值達(dá)到最大。由圖9可知，間距的變化對(duì)立管橫向振動(dòng)頻率幾乎沒(méi)有影響，保持在4.9 Hz，但與串聯(lián)裸管相比，橫向振動(dòng)頻率4.314 Hz相比略微增大。表2為帶三控制桿的串聯(lián)立管橫向應(yīng)變折減因子，帶三控制桿的串聯(lián)立管橫向應(yīng)變折減因子隨間距變化見(jiàn)圖10。

表2 串聯(lián)立管橫向均方根應(yīng)變(RMS)及折減因子

圖10 帶三控制桿的串聯(lián)立管橫向應(yīng)變折減因子

由表2和圖10可知， 對(duì)于上游立管，隨著間距的增大，控制桿的抑制效果逐漸平緩降低，下游立管則先增大后減小，在立管間距達(dá)到5D～6D的時(shí)候，三控制桿對(duì)下游立管的抑制效果最佳。

4 結(jié)論

1)三控制桿擾亂了旋渦的形成和脫落，可以有效抑制串聯(lián)立管橫向振動(dòng)。對(duì)于上游立管，隨著立管間距的增大，控制桿的抑制效果逐漸平緩降低，而下游立管因?yàn)槭艿轿擦鞲缮娴挠绊?，抑制效果先增大后減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議實(shí)際工程中串聯(lián)立管間距控制在5～6倍管徑之間。

2)由于下游立管受到上游立管尾渦和自身尾渦的共同作用，使得下游立管振動(dòng)較上游立管弱，所以必要時(shí)需加強(qiáng)對(duì)上游立管的保護(hù)。

3)本文研究尚有很多不足，僅僅考量了三控制桿對(duì)橫向振幅的影響，并未深入探討對(duì)順流向振幅的影響。同時(shí)受限于實(shí)驗(yàn)條件，沒(méi)有考慮立管內(nèi)部流體的影響且實(shí)驗(yàn)流速的范圍較小，這使得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒芎芎玫啬M工程實(shí)際。但本文針對(duì)目前渦激振動(dòng)抑制裝置研究主要局限于單圓柱體，對(duì)尾流干涉影響下三控制桿的抑制效果及立管間距的影響進(jìn)行了分析研究，具有一定的實(shí)際意義。

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