海洋立管涡激振动实验设计

娄 敏，钱 刚

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580）

0 引 言

为应对即将到来的新一轮科技革命与产业转型，自2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后出台了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等［1-2］，因此，培养具有全球视野、实践精神和创新能力的高水平复合型人才尤为重要。大学生创新性实验计划是教育部实施高校本科教学质量与教学改革工程的重要组成部分［3］，是为推动创新型人才培养工作而实施的一项重要改革举措［4］。创新性实验主要目的是启发学生的创新性思维，自主设计和进行实验，充分调动学生参与的主动性和积极性［5-6］。通过创新性实验，学生学会怎样发现问题、解决问题，意见找到客观存在的规律，从而真正提高创新能力。

船舶流体力学是新工科船舶与海洋工程专业培养方案中的必修课，其目的是通过教学，使学生系统掌握船舶流体力学的基本知识、原理和计算方法，不断提高学生的创新能力和实践能力。涡激振动是该课程教学的一个重点内容，对平台的设计而言具有重要作用，是平台设计的必要且关键环节；同时该内容也是该课程的难点内容，比较抽象不容易理解。为了让学生获取直观清晰的学习认知，激发学生对涡激振动的学习兴趣，同时也围绕着对船舶与海洋工程专业学生创新实践能力的培养目标，本文设计了海洋立管涡激振动创新性实验。

1 涡激振动

立管所承受的海洋环境载荷主要有风、浪、流、冰和地震载荷等，其中波浪和海流是最主要的海洋载荷。一定的流速条件下，当波浪和海流流过立管表面时，可在立管后方两侧交替形成强烈的漩涡（见图1），而漩涡的脱落会对立管产生一个周期性的脉动升力，使得立管在与来流垂直方向上发生横向振动，即涡激振动；反之，立管的振动又会对流场产生影响，使漩涡增强，阻力增加，这种涡激振动是小尺度构件流固耦合现象的具体体现。当泄涡频率与立管的自然频率接近时，将引起立管的强烈振动，发生“锁定”（lock-in）现象。

图1 涡激振动对立管的作用力示意图

2 实验设计

2.1 实验目的

（1）通过单立管涡激振动实验，掌握涡激振动的基本原理，学会涡激振动测试方法；

（2）通过立管群涡激振动实验，发现立管群涡激振动与单立管涡激振动的区别，分析尾流干涉对涡激振动的影响；

（3）通过涡激振动抑制实验，测试涡激振动抑制装置对涡激振动的抑制效果，设计新型抑制装置。

2.2 实验装置与仪器

本实验中立管模型示意图如图2所示。立管长1.2 m，其中水下部分0.7 m，应变片粘贴于水上0.1 m处，即图2中位置1＃。由于需要测量立管在海流作用下的涡激振动，将该立管模型放置于波流水槽中；根据水槽宽度和立管模型长度设计一个用于固定立管的铝合金支架，如图3所示。

图2 立管示意图（m）

图3 水槽中的立管布置图

2.3 实验测试

本实验通过测量立管模型应变的变化来研究立管的涡激振动响应，实验器材选择用动态电阻应变仪、数据采集仪和数据处理软件来进行信号采集和处理。应变片与动态电阻应变仪通过屏蔽线相互连接，以防止外部信号干扰测试的试验信号。为了便于观测，动态电阻应变仪与数据采集仪器，数据采集仪器与装有数据处理软件的电脑之间分别通过数据线连接，立管响应信号及其变化可直接显示在计算机屏幕上。

本实验在立管位置1＃处（见图2）沿周向布置4个应变片，其中与水流平行的2个应变片即1＃和3＃应变片组成一个半桥，测量立管顺流向振动；与水流垂直的2个应变片即2＃和4＃应变片组成一个半桥，测量立管横向振动，应变片布置如图4所示。

图4 应变片布置图（m）

3 单立管涡激振动实验

本实验对水流流速0.2～0.5 m/s情况下的单立管涡激振动进行分析，分析其位置1＃处的涡激振动横向及顺流向振动响应。图5、6分别为流速为0.35 m/s时立管涡激振动时程曲线及频谱图。

图5 单立管振动位移时程曲线

图6 单立管振动功率谱密度图

从图5可以看出，横向最大振动幅度为1.1D，而顺流向最大振动幅度为0.3D，其横向振动较顺流向振动剧烈；从图6可以看出，立管横向振动频率为5.882 Hz，而顺流向振动频率为11.76 Hz，顺流向振动频率大概为横向的2倍。

4 实验拓展

相对于单立管，立管群间的干扰会使立管的涡激振动情况比单立管更为复杂［7-10］。在单根立管基础上研究立管群间的涡激振动现象，具有更实际的工程意义。

4.1 立管群涡激振动实验

本文设计了正方形排列的4根立管的立管群涡激振动实验，立管群的布置方式如图7所示，S为任意两个立管之间的间距，D为立管的直径。

图7 立管群布置示意图

以立管间距S/D＝5为例，测试了0.35 m/s流速下各立管（1＃，2＃，3＃，4＃）的涡激振动数据。由于大多数涡激振动主要发生在横向也就是与来流垂直的方向，因此，立管群的涡激振动实验中只分析各立管的横向振动响应，实验结果如图8所示。由图可知，上游1＃、2＃立管的振动幅值达到0.51D左右，而下游3＃、4＃立管振动幅值仅为0.25D左右，上游立管的振动较下游立管剧烈，这主要是因为上游立管会对下游立管产生遮蔽作用，从而减弱下游立管的振动；同时，由于边界效应的影响，上游1＃、2＃立管以及下游两根立管（3＃、4＃）的振动并不完全一致，存在相位差。

图8 立管群振动位移时程曲线

4.2 立管涡激振动抑制实验

在涡激振动的长期作用下，结构物会产生一定的疲劳损伤。随着立管涡激振动研究的不断深入，如何减小涡激振动对海洋结构物的破坏已成为国内外学者的研究重点［11-13］。常见的抑制装置如图9所示。

图9 常见的抑制装置

本实验采用长度为1D的分隔板［14］以及螺距17D，螺高0.25D的螺旋列板［15］作为抑制装置，分析两种抑制装置对立管横向振动的抑制效果，实验结果如图10所示。

图10 附加抑制装置立管的振动位移时程曲线

由图10可以得到，裸立管、附加分隔板以及螺旋列板的立管的振动幅值分别为0.43D、0.104D和0.072D，螺旋列板对立管横向振动的抑制效果约为83%，而分隔板的抑制效果为76%，两种抑制装置都可以有效地抑制立管的横向振动。当然，本实验只分析了常见的两种抑制装置对涡激振动的抑制效果，建议学生根据流体力学基本理论设计新型的涡激振动抑制装置。

5 结 语

通过海洋立管涡激振动实验，学生掌握了涡激振动的基本原理，学会了涡激振动的测试方法，对涡激振动有了直观且深刻的体验，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的实践能力。在该实验基础上，拓展出立管群涡激振动实验和涡激振动抑制实验，分析尾流干涉对涡激振动的影响规律，设计新型的涡激振动抑制装置，发表十余篇学术论文，授权立管涡激振动抑制装置国家发明专利3项，较好地提升了学生的创新能力。