本實(shí)用新型屬于海洋油氣開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

隨著陸地油氣資源日益枯竭，海洋油氣資源的開發(fā)力度日漸加大。我國(guó)南海海域油氣儲(chǔ)量巨大，屬于世界四大海洋油氣資源富集區(qū)之一，有“第二個(gè)波斯灣”之稱。海洋儼然變成了我國(guó)油氣資源開發(fā)的重要潛在區(qū)域。在海洋石油開采中，海洋立管是浮式生產(chǎn)系統(tǒng)用于向船或平臺(tái)傳送流體的基本裝置，海洋立管的功能可以簡(jiǎn)單地劃分為：鉆井、完井、生產(chǎn)/注入、輸出。海洋立管是最重要的裝置，同時(shí)也是薄弱、易損的結(jié)構(gòu)之一。

流體通過(guò)海洋立管系統(tǒng)時(shí)，流體密度、壓力等參數(shù)隨時(shí)間變化，可能引起管道的參數(shù)共振和組合共振；同時(shí)隨著海洋石油裝備技術(shù)水平的發(fā)展，立管長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，撓度和柔性大，易于發(fā)生振動(dòng)。管道振動(dòng)會(huì)引起管道及相關(guān)設(shè)備的疲勞損傷，極易導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)破壞，造成物料泄露，進(jìn)而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和次生災(zāi)害。在此，氣液兩相流管道的流固耦合作用是非常關(guān)鍵的一個(gè)因素，然而流固耦合作用機(jī)理非常復(fù)雜，很難理論化地描述，這使得流體誘發(fā)管道動(dòng)力響應(yīng)的特性很難預(yù)測(cè)，管道破壞的潛在危險(xiǎn)難以排除。因此，開展海洋立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的研究，對(duì)海洋立管系統(tǒng)的疲勞損傷與壽命預(yù)測(cè)，支承防護(hù)，抑振、抗震設(shè)計(jì)及建造都具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)海洋油氣開采的過(guò)程中立管的振動(dòng)響應(yīng)特性，本實(shí)用新型提供了一種用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置。針對(duì)常見的海洋立管形式，本實(shí)驗(yàn)裝置分別設(shè)計(jì)了垂直式立管、自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芎蚐型立管。針對(duì)每種立管形式，分別進(jìn)行單相流與立管耦合振動(dòng)和兩相流與立管耦合振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，得到不同工況下立管段底部彎管段瞬態(tài)沖擊動(dòng)力響應(yīng)和豎直方向和水平方向的振動(dòng)特性，為海洋立管的失效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)海洋油氣的安全、高效開采。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本實(shí)用新型采用了如下的技術(shù)方案：

一種用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，包括供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、立管系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像攝制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述供氣系統(tǒng)和供水系統(tǒng)均與氣液混合器相連，所述氣液混合器之后依次通過(guò)水平管段和下傾管段與立管系統(tǒng)相連，所述立管系統(tǒng)頂部設(shè)置有與供水系統(tǒng)連通的供水管路；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)各管路上的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集，所述圖像攝制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)各管路上的流型流態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

進(jìn)一步地，所述供氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)和供氣管路，所述壓縮機(jī)通過(guò)供氣管路依次連接有第一氣體緩沖罐和氣體流量計(jì)以及第一壓力變送器；

所述供水系統(tǒng)包括儲(chǔ)水罐和供水管路，所述儲(chǔ)水罐通過(guò)供水管路依次連接有離心泵和流體流量計(jì)；

所述供氣管路和供水管路通過(guò)氣液混合器匯合成氣液混合管路，所述氣液混合管包括水平管段和連接水平管段之后的下傾管段，所述下傾管段上依次設(shè)置有第二氣體緩沖罐、第一雙平行電導(dǎo)探針和第二壓力變送器，之后所述下傾管段與立管系統(tǒng)連接，所述立管系統(tǒng)上設(shè)置有多個(gè)壓力變送器和多個(gè)位移傳感器；所述立管系統(tǒng)頂部出口處設(shè)置有第二雙平行電導(dǎo)探針，且所述立管系統(tǒng)頂部通過(guò)供水管路連接有氣液分離器，所述氣液分離器再通過(guò)供水管路與儲(chǔ)水罐連通，進(jìn)而構(gòu)成供水環(huán)路；所述第一雙平行電導(dǎo)探針和第二雙平行電導(dǎo)探針中每雙電導(dǎo)探針互相平行且相距為5mm；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡分別與氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)、第一雙平行電導(dǎo)探針、第二雙平行電導(dǎo)探針、各個(gè)壓力變送器和各個(gè)位移傳感器通過(guò)線路連接，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)管路上的流量信號(hào)、持液率信號(hào)、壓力信號(hào)和動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集；

所述圖像攝制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)，所述高速攝像機(jī)用于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)立管系統(tǒng)中流體流型流態(tài)進(jìn)行觀察并記錄。

進(jìn)一步地，所述立管系統(tǒng)為垂直式立管系統(tǒng)，所述垂直式立管系統(tǒng)由一個(gè)鉸支固定，所述垂直式立管系統(tǒng)包括彎管段和通過(guò)彎管段與下傾管段連接的垂直式立管段，所述垂直式立管段靠近底部彎管段處設(shè)置有第一位移傳感器和第三壓力變送器，所述垂直式立管段靠近中間位置設(shè)置有第二位移傳感器和第三位移傳感器以及第四壓力變送器，所述第二位移傳感器和第三位移傳感器相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置，所述垂直式立管段靠近頂部位置設(shè)置有第五壓力變送器。

進(jìn)一步地，所述立管系統(tǒng)為自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)，所述自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)由一個(gè)鉸支固定，所述自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)包括彎管段和通過(guò)彎管段與下傾管段連接的懸鏈?zhǔn)搅⒐芏?，所述懸鏈?zhǔn)搅⒐芏慰拷撞繌澒芏翁幵O(shè)置有第一位移傳感器和第三壓力變送器，所述懸鏈?zhǔn)搅⒐芏慰拷虚g位置設(shè)置有第二位移傳感器和第三位移傳感器以及第四壓力變送器，所述第二位移傳感器和第三位移傳感器相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置，所述懸鏈?zhǔn)搅⒐芏慰拷敳课恢迷O(shè)置有第五壓力變送器。

進(jìn)一步地，所述立管系統(tǒng)為S型立管系統(tǒng)，所述S型立管系統(tǒng)由第一鉸支和第二鉸支固定，所述S型立管系統(tǒng)包括彎管段和通過(guò)彎管段與下傾管段連接的S型立管段，所述S型立管段靠近底部位置彎管段處設(shè)置有第一位移傳感器和第三壓力變送器，所述S型立管段靠近第一鉸支處設(shè)置有第五壓力變送器，所述S型立管段靠近頂部第二鉸支處設(shè)置有第七壓力變送器，所述S型立管段的底部至第一鉸支之間的管段上設(shè)置有第二位移傳感器和第三位移傳感器以及第四壓力變送器，所述第二位移傳感器和第三位移傳感器相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置，所述S型立管段的第一鉸支至第二鉸支之間的管段上還設(shè)置有第四位移傳感器和第五位移傳感器以及第六壓力變送器，所述第四位移傳感器和第五位移傳感器相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置。

進(jìn)一步地，在所述供氣系統(tǒng)的供氣管路上，所述壓縮機(jī)與第一氣體緩沖罐之間管路上設(shè)置有第一閥門，所述第一氣體緩沖罐和氣體流量計(jì)之間管路上設(shè)置有第二閥門，所述第一壓力變送器和氣液混合器之間管路上設(shè)置有第三閥門；在所述供水系統(tǒng)的供水管路上，所述儲(chǔ)水罐與離心泵之間管路上設(shè)置有第六閥門，所述離心泵和流體流量計(jì)之間管路上設(shè)置有第五閥門，所述流體流量計(jì)和氣液混合器之間管路上設(shè)置有第四閥門；所述第二氣體緩沖罐與下傾管段之間的支管路上設(shè)置有第八閥門，且所述第二氣體緩沖罐還設(shè)置有與大氣連通的第九閥門；所述氣液分離器上設(shè)置有與大氣連通的第七閥門和安全閥。

進(jìn)一步地，所述立管系統(tǒng)均采用透明有機(jī)玻璃管。

一種用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一：選用垂直式立管系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，初始時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的閥門都處于關(guān)閉狀態(tài)，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中充滿氣體；首先依次開啟第四閥門、第五閥門、第六閥門、第七閥門、離心泵、高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡監(jiān)測(cè)并記錄第二壓力變送器、第三壓力變送器、第四壓力變送器、第五壓力變送器、第一位移傳感器、第二位移傳感器、第三位移傳感器、第一雙平行電導(dǎo)探針和第二雙平行電導(dǎo)探針的信號(hào)變化，高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)并記錄立管系統(tǒng)中流體的流型流態(tài)；

步驟二：進(jìn)行單相流固耦合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)離心泵頻率來(lái)改變液體流量的大小，在不同液相流量下，進(jìn)行彎管沖擊試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)并記錄各個(gè)壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導(dǎo)探針的信號(hào)變化，待液體流量穩(wěn)定后，進(jìn)行立管流固耦合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，記錄壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導(dǎo)探針的信號(hào)變化；

步驟三：進(jìn)行氣液兩相流固耦合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先依次打開第一閥門、第二閥門、第三閥門、壓縮機(jī)、第八閥門向?qū)嶒?yàn)裝置中供氣，此時(shí)立管系統(tǒng)中為氣液兩相流，通過(guò)第一雙平行電導(dǎo)探針監(jiān)測(cè)并記錄立管上游下傾管段的持液率變化，通過(guò)第二雙平行電導(dǎo)探針監(jiān)測(cè)并記錄立管頂部出口處持液率變化，第二壓力變送器、第三壓力變送器、第四壓力變送器、第五壓力變送器分別記錄下傾管段靠近垂直式立管底部彎管段、垂直式立管段下部、垂直式立管段中部和垂直式立管段頂部的壓力信號(hào)，第一位移傳感器監(jiān)測(cè)并記錄垂直式立管底部豎直方向上的動(dòng)力響應(yīng)，第二位移傳感器和第三位移傳感器監(jiān)測(cè)垂直式立管段中部垂直軸向的運(yùn)動(dòng)；

步驟四：改變氣液流量得到不同工況時(shí)，垂直式立管段底部彎管段的沖擊響應(yīng)特性，等到垂直式立管段系統(tǒng)中流型較固定后進(jìn)行立管流固耦合實(shí)驗(yàn)，并記錄壓力、持液率、動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)氣液流量得到不同流型時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡記錄壓力信號(hào)、持液率信號(hào)和動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)；

步驟五：將垂直式立管系統(tǒng)換成自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)，此時(shí)懸鏈?zhǔn)搅⒐芏蔚撞堪惭b的第一位移傳感器監(jiān)測(cè)并記錄豎直方向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，懸鏈?zhǔn)搅⒐芏沃胁堪惭b的第二位移傳感器和第三位移傳感器監(jiān)測(cè)并記錄垂直于懸鏈?zhǔn)搅⒐芏屋S向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，第三壓力變送器、第四壓力變送器、第五壓力變送器監(jiān)測(cè)并記錄壓力信號(hào)；然后重復(fù)步驟一、二、三、四進(jìn)行自由懸鏈?zhǔn)搅⒐艿膯蜗嗔鞴恬詈险駝?dòng)試驗(yàn)和氣液兩相流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)；

步驟六：將自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)換成S型立管系統(tǒng)，此時(shí)S型立管段底部安裝的第一位移傳感器監(jiān)測(cè)并記錄豎直方向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，S型立管段中部安裝的第二位移傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器和第五位移傳感器監(jiān)測(cè)并記錄垂直于S型立管段軸向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，第三壓力變送器、第四壓力變送器、第五壓力變送器、第六壓力變送器和第七壓力變送器監(jiān)測(cè)并記錄壓力信號(hào)；然后重復(fù)步驟一、二、三、四進(jìn)行S型立管的單相流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)和氣液兩相流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)。

進(jìn)一步地，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)選用垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)和S型立管系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的先后循序可進(jìn)行更換。

進(jìn)一步地，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的介質(zhì)為水和空氣。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型提供的用于研究海洋立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置可用于立管系統(tǒng)中流體與立管耦合振動(dòng)的研究，對(duì)海洋立管系統(tǒng)的疲勞損傷與壽命預(yù)測(cè)，支承防護(hù)，抑振、抗震設(shè)計(jì)及建造都具有重要意義。根據(jù)常見的立管形式，選擇了 3種立管系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別為:垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)和S型立管系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)裝置可以進(jìn)行單相耦合振動(dòng)研究和氣液兩相流耦合振動(dòng)研究。在立管段底部的下傾管段和立管段頂部出口處分別安裝雙平行電導(dǎo)探針用于測(cè)試持液率信號(hào)；在立管段的上中下部分別安裝壓力變送器用于測(cè)量壓力信號(hào)；在立管段底部彎管段安裝位移傳感器用于測(cè)量立管豎直方向的定力響應(yīng)；在立管段中部安裝相對(duì)立管段互相垂直的2個(gè)位移傳感器用于測(cè)量立管在垂直于軸向的動(dòng)力響應(yīng)，其中S型立管設(shè)置有兩組；通過(guò)高速攝像機(jī)觀察并記錄整個(gè)立管段中流體的流動(dòng)；立管段頂部設(shè)置鉸支，其中S型立管段設(shè)置兩個(gè)鉸支；調(diào)節(jié)氣液流量可以得到不同工況下的立管段底部彎管段的瞬態(tài)沖擊，同時(shí)得到立管段內(nèi)不同流型流態(tài)時(shí)立管的動(dòng)力響應(yīng)特性。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的原理示意圖；

圖2是本實(shí)用新型垂直式立管系統(tǒng)的示意圖；

圖3是本實(shí)用新型自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型S型立管系統(tǒng)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型雙平行電導(dǎo)探針截面示意圖；

圖6是本實(shí)用新型立管中部位移傳感器垂直軸向截面示意圖。

其中：1-壓縮機(jī)，2-第一閥門，3-第一氣體緩沖罐，4-第二閥門，5-氣體流量計(jì)，6-第三閥門，7-第一壓力變送器，8-水平管段，9-氣液混合器，10-第四閥門，11-液體流量計(jì)， 12-第五閥門，13-離心泵，14-第六閥門，15-儲(chǔ)水罐，16-氣液分離器，17-第七閥門，18- 安全閥，19-數(shù)據(jù)采集卡，20-下傾管段，21-第八閥門，22-第二氣體緩沖罐，23-第九閥門， 24-第一雙平行電導(dǎo)探針，25-第二壓力變送器；

26-第一位移傳感器，27-彎管段，28-第三壓力變送器，29-垂直式立管段，30-第二位移傳感器，31-第四壓力變送器，32-第三位移傳感器，33-第五壓力變送器，34-鉸支，35-第二雙平行電導(dǎo)探針，36-高速攝像機(jī)；

37-第三壓力變送器，38-第一位移傳感器，39-彎管段，40-懸鏈?zhǔn)搅⒐芏危?1-第二位移傳感器，42-第三位移傳感器，43-第四壓力變送器，44-第五壓力變送器，45-鉸支；

46-第一位移傳感器，47-第三壓力變送器，48-S型立管段，49-第四壓力變送器，50-第二位移傳感器，51-第三位移傳感器，52-第五壓力變送器，53-第一鉸支，54-第六壓力變送器，55-第四位移傳感器，56-第五位移傳感器，57-第七壓力變送器，58-第二鉸支，59-彎管段。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置的原理示意圖；圖2 是本實(shí)用新型垂直式立管系統(tǒng)的示意圖；圖3是本實(shí)用新型自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)示意圖；圖 4是本實(shí)用新型S型立管系統(tǒng)示意圖；圖5是本實(shí)用新型雙平行電導(dǎo)探針截面示意圖；圖6是本實(shí)用新型立管中部位移傳感器垂直軸向截面示意圖。

如圖1-6所示，一種用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，包括供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、立管系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像攝制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；其中供氣系統(tǒng)和供水系統(tǒng)均與氣液混合器9相連，氣液混合器9之后依次通過(guò)水平管段8和下傾管段20與立管系統(tǒng)相連，立管系統(tǒng)頂部設(shè)置有與供水系統(tǒng)連通的供水管路，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)各管路上的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集，而圖像攝制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)各管路上的流型流態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

進(jìn)一步地，供氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)1和供氣管路，其中壓縮機(jī)1通過(guò)供氣管路依次連接有第一氣體緩沖罐3和氣體流量計(jì)5以及第一壓力變送器7；

供水系統(tǒng)包括儲(chǔ)水罐15和供水管路，其中儲(chǔ)水罐15通過(guò)供水管路依次連接有離心泵13 和流體流量計(jì)11；

供氣管路和供水管路通過(guò)氣液混合器9匯合成氣液混合管路，其中氣液混合管包括水平管段8和連接水平管段8之后的下傾管段20，而下傾管段20上依次設(shè)置有第二氣體緩沖罐 22、第一雙平行電導(dǎo)探針24和第二壓力變送器25，之后下傾管段20與立管系統(tǒng)連接，在此，第二氣體緩沖罐22的設(shè)置增加了氣體空間，從而增加了嚴(yán)重段塞流的發(fā)生范圍，為重點(diǎn)研究嚴(yán)重段塞流時(shí)立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性提供較寬廣的工況范圍；而立管系統(tǒng)上設(shè)置有多個(gè)壓力變送器和多個(gè)位移傳感器；立管系統(tǒng)頂部出口處設(shè)置有第二雙平行電導(dǎo)探針，且立管系統(tǒng)頂部通過(guò)供水管路連接有氣液分離器16，氣液分離器16再通過(guò)供水管路與儲(chǔ)水罐15連通，進(jìn)而構(gòu)成供水環(huán)路，其中氣液分離器16用于將從立管系統(tǒng)中攜帶出的水氣混合物進(jìn)行分離，并使水流回到儲(chǔ)水罐15中循環(huán)利用；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡19，其中數(shù)據(jù)采集卡19分別與氣體流量計(jì)5、液體流量計(jì) 11、第一雙平行電導(dǎo)探針24、第二雙平行電導(dǎo)探針35、各個(gè)壓力變送器和各個(gè)位移傳感器通過(guò)線路連接，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)管路上的流量信號(hào)、持液率信號(hào)、壓力信號(hào)和動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集；

圖像攝制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)36，其中高速攝像機(jī)36用于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)立管系統(tǒng)中流體的動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀察并記錄。

進(jìn)一步地，第一雙平行電導(dǎo)探針24和第二雙平行電導(dǎo)探針35每根電導(dǎo)探針相互平行且相距d為5mm。

進(jìn)一步地，立管系統(tǒng)為垂直式立管系統(tǒng)，其中垂直式立管系統(tǒng)由一個(gè)鉸支34固定，其包括彎管段27和通過(guò)彎管段27與下傾管段20連接的垂直式立管段29，其中垂直式立管段29 靠近底部位置即彎管段27處設(shè)置有第一位移傳感器26和第三壓力變送器28，而垂直式立管段29靠近中間位置設(shè)置有第二位移傳感器30和第三位移傳感器32以及第四壓力變送器31，在此第二位移傳感器30和第三位移傳感器32相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置，而垂直式立管段29 靠近頂部位置即鉸支34處設(shè)置有第五壓力變送器33。

進(jìn)一步地，立管系統(tǒng)為自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)，其中自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)由一個(gè)鉸支45固定，其包括彎管段39和通過(guò)彎管段39與下傾管段20連接的懸鏈?zhǔn)搅⒐芏?0，其中懸鏈?zhǔn)搅⒐芏?0靠近底部位置即彎管段39處設(shè)置有第一位移傳感器38和第三壓力變送器37，而懸鏈?zhǔn)搅⒐芏?0靠近中間位置設(shè)置有第二位移傳感器41和第三位移傳感器42以及第四壓力變送器43，在此第二位移傳感器41和第三位移傳感器42相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置，而懸鏈?zhǔn)搅⒐芏?0靠近頂部位置即鉸支45處設(shè)置有第五壓力變送器44。

進(jìn)一步地，立管系統(tǒng)為S型立管系統(tǒng)，其中S型立管系統(tǒng)由2個(gè)鉸支即第一鉸支53和第二鉸支58固定，其包括彎管段59和通過(guò)彎管段59與下傾管段20連接的S型立管段48，其中S型立管段48靠近底部位置即彎管段59處設(shè)置有第一位移傳感器46和第三壓力變送器 47，S型立管段48靠近第一鉸支53處設(shè)置有第五壓力變送器52，S型立管段48靠近頂部位置即第二鉸支58處設(shè)置有第七壓力變送器57，其中S型立管段48的底部至第一鉸支53之間的管段上設(shè)置有第二位移傳感器50和第三位移傳感器51以及第四壓力變送器49，在此第二位移傳感器50和第三位移傳感器51相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置，而S型立管段48的第一鉸支53至第二鉸支58之間的管段上還設(shè)置有第四位移傳感器55和第五位移傳感器56以及第六壓力變送器54，在此第四位移傳感器55和第五位移傳感器56相對(duì)立管段互相垂直設(shè)置。

進(jìn)一步地，在供氣系統(tǒng)的供氣管路上，壓縮機(jī)1與第一氣體緩沖罐3之間管路上設(shè)置有第一閥門2，第一氣體緩沖罐3和氣體流量計(jì)5之間管路上設(shè)置有第二閥門4，第一壓力變送器7和氣液混合器9之間管路上設(shè)置有第三閥門6；而在供水系統(tǒng)的供水管路上，儲(chǔ)水罐15 與離心泵13之間管路上設(shè)置有第六閥門14，離心泵13和流體流量計(jì)11之間管路上設(shè)置有第五閥門12，流體流量計(jì)11和氣液混合器9之間管路上設(shè)置有第四閥門10；而第二氣體緩沖罐22與下傾管段20之間的支管路上設(shè)置有第八閥門21，且第二氣體緩沖罐22還設(shè)置有與大氣連通的第九閥門23；氣液分離器16上設(shè)置有與大氣連通的第七閥門17和安全閥18。

進(jìn)一步地，整個(gè)測(cè)試部分即立管系統(tǒng)均采用透明有機(jī)玻璃管。

本實(shí)用新型提供的用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置，其實(shí)驗(yàn)的具體操作如下：

步驟一：選用垂直式立管系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，初始時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的閥門都處于關(guān)閉狀態(tài)，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中充滿氣體；首先依次開啟第四閥門10、第五閥門12、第六閥門14、第七閥門17、離心泵13、高速攝像機(jī)36和數(shù)據(jù)采集卡19，數(shù)據(jù)采集卡19監(jiān)測(cè)并記錄第二壓力變送器25、第三壓力變送器28、第四壓力變送器31、第五壓力變送器33、第一位移傳感器 26、第二位移傳感器30、第三位移傳感器32、第一雙平行電導(dǎo)探針24和第二雙平行電導(dǎo)探針35的信號(hào)變化，高速攝像機(jī)36監(jiān)測(cè)并記錄立管系統(tǒng)中流體的流型流態(tài)；

步驟二：進(jìn)行單相流固耦合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)離心泵13頻率來(lái)改變液體流量的大小，在不同液相流量下，進(jìn)行彎管沖擊試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)并記錄各個(gè)壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導(dǎo)探針的信號(hào)變化，待液體流量穩(wěn)定后，進(jìn)行立管流固耦合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，記錄壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導(dǎo)探針的信號(hào)變化；

步驟三：進(jìn)行氣液兩相流固耦合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先依次打開第一閥門2、第二閥門4、第三閥門6、壓縮機(jī)1、第八閥門21向?qū)嶒?yàn)裝置中供氣，此時(shí)立管系統(tǒng)中為氣液兩相流，通過(guò)第一雙平行電導(dǎo)探針24監(jiān)測(cè)并記錄立管上游下傾管段的持液率變化，通過(guò)第二雙平行電導(dǎo)探針35監(jiān)測(cè)并記錄立管頂部出口處持液率變化，第二壓力變送器25、第三壓力變送器28、第四壓力變送器31、第五壓力變送器33分別記錄下傾管段20靠近垂直式立管底部彎管段、垂直式立管段下部、垂直式立管段中部和垂直式立管段頂部的壓力信號(hào)，第一位移傳感器26監(jiān)測(cè)并記錄垂直式立管底部豎直方向上的動(dòng)力響應(yīng)，第二位移傳感器30和第三位移傳感器32 監(jiān)測(cè)垂直式立管段中部垂直軸向的運(yùn)動(dòng)；

步驟四：改變氣液流量可以得到不同工況時(shí)，垂直式立管段底部彎管段的沖擊響應(yīng)特性，等到垂直式立管段系統(tǒng)中流型較固定后進(jìn)行立管流固耦合實(shí)驗(yàn)，并記錄壓力、持液率、動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)；當(dāng)調(diào)節(jié)氣液流量得到不同流型時(shí)，尤其是嚴(yán)重段塞流時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡19記錄壓力信號(hào)、持液率信號(hào)和動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)；

步驟五：將垂直式立管系統(tǒng)換成自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)，此時(shí)懸鏈?zhǔn)搅⒐芏?0底部安裝的第一位移傳感器38監(jiān)測(cè)并記錄豎直方向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，懸鏈?zhǔn)搅⒐芏?0中部安裝的第二位移傳感器41和第三位移傳感器42監(jiān)測(cè)并記錄垂直于懸鏈?zhǔn)搅⒐芏屋S向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，第三壓力變送器37、第四壓力變送器43、第五壓力變送器44監(jiān)測(cè)并記錄壓力信號(hào)；然后重復(fù)步驟一、二、三、四進(jìn)行自由懸鏈?zhǔn)搅⒐艿膯蜗嗔鞴恬詈险駝?dòng)試驗(yàn)和氣液兩相流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)。

步驟六：將自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)換成S型立管系統(tǒng)，此時(shí)S型立管段48底部安裝的第一位移傳感器46監(jiān)測(cè)并記錄豎直方向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，S型立管段48中部安裝的第二位移傳感器50、第三位移傳感器51、第四位移傳感器55和第五位移傳感器56監(jiān)測(cè)并記錄垂直于S 型立管段48軸向的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)，第三壓力變送器47、第四壓力變送器49、第五壓力變送器52、第六壓力變送器54和第七壓力變送器57監(jiān)測(cè)并記錄壓力信號(hào)；然后重復(fù)步驟一、二、三、四進(jìn)行S型立管的單相流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)和氣液兩相流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)。

進(jìn)一步地，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)選用垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)和S型立管系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的先后循序可進(jìn)行更換。

進(jìn)一步地，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的介質(zhì)為水和空氣。

本實(shí)用新型提供的用于研究海洋立管系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置可用于立管系統(tǒng)中流體與立管耦合振動(dòng)的研究，對(duì)海洋立管系統(tǒng)的疲勞損傷與壽命預(yù)測(cè)，支承防護(hù)，抑振、抗震設(shè)計(jì)及建造都具有重要意義。根據(jù)常見的立管形式，選擇了3種立管系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別為:垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈?zhǔn)搅⒐芟到y(tǒng)和S型立管系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)裝置可以進(jìn)行單相耦合振動(dòng)研究和氣液兩相流耦合振動(dòng)研究。在立管段底部的下傾管段和立管段頂部出口處分別安裝雙平行電導(dǎo)探針用于測(cè)試持液率信號(hào)；在立管段的上中下部分別安裝壓力變送器用于測(cè)量壓力信號(hào)；在立管段底部彎管段安裝位移傳感器用于測(cè)量立管豎直方向的定力響應(yīng)；在立管段中部安裝相對(duì)立管段互相垂直的2個(gè)位移傳感器用于測(cè)量立管在垂直于軸向的動(dòng)力響應(yīng)，其中S型立管設(shè)置有兩組；通過(guò)高速攝像機(jī)觀察并記錄整個(gè)立管段中流體的流動(dòng)；立管段頂部設(shè)置鉸支，其中S型立管段設(shè)置兩個(gè)鉸支；調(diào)節(jié)氣液流量可以得到不同工況下的立管段底部彎管段的瞬態(tài)沖擊，同時(shí)得到立管段內(nèi)不同流型流態(tài)時(shí)立管的動(dòng)力響應(yīng)特性。

在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“上”、“下”、“中”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。