婁 敏，錢 剛

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

0 引 言

為應(yīng)對即將到來的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后出臺了“復(fù)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(fù)合型人才尤為重要。大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃是教育部實施高校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新性思維，自主設(shè)計和進(jìn)行實驗，充分調(diào)動學(xué)生參與的主動性和積極性［5-6］。通過創(chuàng)新性實驗，學(xué)生學(xué)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(xué)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(xué)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握船舶流體力學(xué)的基本知識、原理和計算方法，不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。渦激振動是該課程教學(xué)的一個重點內(nèi)容，對平臺的設(shè)計而言具有重要作用，是平臺設(shè)計的必要且關(guān)鍵環(huán)節(jié)；同時該內(nèi)容也是該課程的難點內(nèi)容，比較抽象不容易理解。為了讓學(xué)生獲取直觀清晰的學(xué)習(xí)認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生對渦激振動的學(xué)習(xí)興趣，同時也圍繞著對船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)，本文設(shè)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(fēng)、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(dāng)波浪和海流流過立管表面時，可在立管后方兩側(cè)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(gòu)件流固耦合現(xiàn)象的具體體現(xiàn)。當(dāng)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(shè)計

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

（1）通過單立管渦激振動實驗，掌握渦激振動的基本原理，學(xué)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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)變的變化來研究立管的渦激振動響應(yīng)，實驗器材選擇用動態(tài)電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)處理軟件來進(jìn)行信號采集和處理。應(yīng)變片與動態(tài)電阻應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變片，其中與水流平行的2個應(yīng)變片即1＃和3＃應(yīng)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(yīng)變片即2＃和4＃應(yīng)變片組成一個半橋，測量立管橫向振動，應(yīng)變片布置如圖4所示。

圖4 應(yīng)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(jìn)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(yīng)。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(fù)雜［7-10］。在單根立管基礎(chǔ)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(shè)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(yīng)，實驗結(jié)果如圖8所示。由圖可知，上游1＃、2＃立管的振動幅值達(dá)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物的破壞已成為國內(nèi)外學(xué)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(jié)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(dāng)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(xué)生根據(jù)流體力學(xué)基本理論設(shè)計新型的渦激振動抑制裝置。

5 結(jié) 語

通過海洋立管渦激振動實驗，學(xué)生掌握了渦激振動的基本原理，學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實踐能力。在該實驗基礎(chǔ)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(shè)計新型的渦激振動抑制裝置，發(fā)表十余篇學(xué)術(shù)論文，授權(quán)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(xué)生的創(chuàng)新能力。