本發(fā)明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)流固耦合振動特性的實驗裝置。

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。我國南海海域油氣儲量巨大，屬于世界四大海洋油氣資源富集區(qū)之一，有“第二個波斯灣”之稱。海洋儼然變成了我國油氣資源開發(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)用于向船或平臺傳送流體的基本裝置，海洋立管的功能可以簡單地劃分為：鉆井、完井、生產(chǎn)/注入、輸出。海洋立管是最重要的裝置，同時也是薄弱、易損的結(jié)構(gòu)之一。

流體通過海洋立管系統(tǒng)時，流體密度、壓力等參數(shù)隨時間變化，可能引起管道的參數(shù)共振和組合共振；同時隨著海洋石油裝備技術(shù)水平的發(fā)展，立管長度越來越長，撓度和柔性大，易于發(fā)生振動。管道振動會引起管道及相關(guān)設(shè)備的疲勞損傷，極易導致生產(chǎn)系統(tǒng)破壞，造成物料泄露，進而造成重大的經(jīng)濟損失，引起嚴重的環(huán)境污染和次生災害。在此，氣液兩相流管道的流固耦合作用是非常關(guān)鍵的一個因素，然而流固耦合作用機理非常復雜，很難理論化地描述，這使得流體誘發(fā)管道動力響應的特性很難預測，管道破壞的潛在危險難以排除。因此，開展海洋立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的研究，對海洋立管系統(tǒng)的疲勞損傷與壽命預測，支承防護，抑振、抗震設(shè)計及建造都具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對海洋油氣開采的過程中立管的振動響應特性，本發(fā)明提供了一種用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的實驗裝置。針對常見的海洋立管形式，本實驗裝置分別設(shè)計了垂直式立管、自由懸鏈式立管和S型立管。針對每種立管形式，分別進行單相流與立管耦合振動和兩相流與立管耦合振動的實驗，得到不同工況下立管段底部彎管段瞬態(tài)沖擊動力響應和豎直方向和水平方向的振動特性，為海洋立管的失效進行風險評估提供依據(jù)，實現(xiàn)海洋油氣的安全、高效開采。

為了實現(xiàn)上述功能，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的實驗裝置，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)用于對各管路上的動態(tài)數(shù)據(jù)信號進行采集，所述圖像攝制監(jiān)測系統(tǒng)用于對各管路上的流型流態(tài)進行監(jiān)測。

進一步地，所述供氣系統(tǒng)包括壓縮機和供氣管路，所述壓縮機通過供氣管路依次連接有第一氣體緩沖罐和氣體流量計以及第一壓力變送器；

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

所述供氣管路和供水管路通過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)置有多個壓力變送器和多個位移傳感器；所述立管系統(tǒng)頂部出口處設(shè)置有第二雙平行電導探針，且所述立管系統(tǒng)頂部通過供水管路連接有氣液分離器，所述氣液分離器再通過供水管路與儲水罐連通，進而構(gòu)成供水環(huán)路；所述第一雙平行電導探針和第二雙平行電導探針中每雙電導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、液體流量計、第一雙平行電導探針、第二雙平行電導探針、各個壓力變送器和各個位移傳感器通過線路連接，進而對相應管路上的流量信號、持液率信號、壓力信號和動力響應信號進行采集；

所述圖像攝制監(jiān)測系統(tǒng)包括高速攝像機，所述高速攝像機用于在實驗過程中對立管系統(tǒng)中流體流型流態(tài)進行觀察并記錄。

進一步地，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)由一個鉸支固定，所述垂直式立管系統(tǒng)包括彎管段和通過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。

進一步地，所述立管系統(tǒng)為自由懸鏈式立管系統(tǒng)，所述自由懸鏈式立管系統(tǒng)由一個鉸支固定，所述自由懸鏈式立管系統(tǒng)包括彎管段和通過彎管段與下傾管段連接的懸鏈式立管段，所述懸鏈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，所述懸鏈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立管段互相垂直設(shè)置，所述懸鏈式立管段靠近頂部位置設(shè)置有第五壓力變送器。

進一步地，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立管段互相垂直設(shè)置。

進一步地，在所述供氣系統(tǒng)的供氣管路上，所述壓縮機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之間管路上設(shè)置有第五閥門，所述流體流量計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。

進一步地，所述立管系統(tǒng)均采用透明有機玻璃管。

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

步驟一：選用垂直式立管系統(tǒng)進行實驗，初始時，整個實驗裝置的閥門都處于關(guān)閉狀態(tài)，且整個實驗裝置中充滿氣體；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、高速攝像機和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡監(jiān)測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、第一雙平行電導探針和第二雙平行電導探針的信號變化，高速攝像機監(jiān)測并記錄立管系統(tǒng)中流體的流型流態(tài)；

步驟二：進行單相流固耦合振動實驗時，調(diào)節(jié)離心泵頻率來改變液體流量的大小，在不同液相流量下，進行彎管沖擊試驗，監(jiān)測并記錄各個壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導探針的信號變化，待液體流量穩(wěn)定后，進行立管流固耦合振動實驗，記錄壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導探針的信號變化；

步驟三：進行氣液兩相流固耦合振動實驗時，首先依次打開第一閥門、第二閥門、第三閥門、壓縮機、第八閥門向?qū)嶒炑b置中供氣，此時立管系統(tǒng)中為氣液兩相流，通過第一雙平行電導探針監(jiān)測并記錄立管上游下傾管段的持液率變化，通過第二雙平行電導探針監(jiān)測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，第一位移傳感器監(jiān)測并記錄垂直式立管底部豎直方向上的動力響應，第二位移傳感器和第三位移傳感器監(jiān)測垂直式立管段中部垂直軸向的運動；

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

步驟五：將垂直式立管系統(tǒng)換成自由懸鏈式立管系統(tǒng)，此時懸鏈式立管段底部安裝的第一位移傳感器監(jiān)測并記錄豎直方向的動力響應信號，懸鏈式立管段中部安裝的第二位移傳感器和第三位移傳感器監(jiān)測并記錄垂直于懸鏈式立管段軸向的動力響應信號，第三壓力變送器、第四壓力變送器、第五壓力變送器監(jiān)測并記錄壓力信號；然后重復步驟一、二、三、四進行自由懸鏈式立管的單相流固耦合振動試驗和氣液兩相流固耦合振動試驗；

步驟六：將自由懸鏈式立管系統(tǒng)換成S型立管系統(tǒng)，此時S型立管段底部安裝的第一位移傳感器監(jiān)測并記錄豎直方向的動力響應信號，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)測并記錄垂直于S型立管段軸向的動力響應信號，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)測并記錄壓力信號；然后重復步驟一、二、三、四進行S型立管的單相流固耦合振動試驗和氣液兩相流固耦合振動試驗。

進一步地，整個實驗過程中對選用垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈式立管系統(tǒng)和S型立管系統(tǒng)進行實驗的先后循序可進行更換。

進一步地，整個實驗過程中采用的介質(zhì)為水和空氣。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的用于研究海洋立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的實驗裝置可用于立管系統(tǒng)中流體與立管耦合振動的研究，對海洋立管系統(tǒng)的疲勞損傷與壽命預測，支承防護，抑振、抗震設(shè)計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)進行研究，分別為:垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈式立管系統(tǒng)和S型立管系統(tǒng)。該實驗裝置可以進行單相耦合振動研究和氣液兩相流耦合振動研究。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探針用于測試持液率信號；在立管段的上中下部分別安裝壓力變送器用于測量壓力信號；在立管段底部彎管段安裝位移傳感器用于測量立管豎直方向的定力響應；在立管段中部安裝相對立管段互相垂直的2個位移傳感器用于測量立管在垂直于軸向的動力響應，其中S型立管設(shè)置有兩組；通過高速攝像機觀察并記錄整個立管段中流體的流動；立管段頂部設(shè)置鉸支，其中S型立管段設(shè)置兩個鉸支；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，同時得到立管段內(nèi)不同流型流態(tài)時立管的動力響應特性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的實驗裝置的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明垂直式立管系統(tǒng)的示意圖；

圖3是本發(fā)明自由懸鏈式立管系統(tǒng)示意圖；

圖4是本發(fā)明S型立管系統(tǒng)示意圖；

圖5是本發(fā)明雙平行電導探針截面示意圖；

圖6是本發(fā)明立管中部位移傳感器垂直軸向截面示意圖。

其中：1-壓縮機，2-第一閥門，3-第一氣體緩沖罐，4-第二閥門，5-氣體流量計，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，12-第五閥門，13-離心泵，14-第六閥門，15-儲水罐，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-第二雙平行電導探針，36-高速攝像機；

37-第三壓力變送器，38-第一位移傳感器，39-彎管段，40-懸鏈式立管段，41-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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的實驗裝置的原理示意圖；圖2是本發(fā)明垂直式立管系統(tǒng)的示意圖；圖3是本發(fā)明自由懸鏈式立管系統(tǒng)示意圖；圖4是本發(fā)明S型立管系統(tǒng)示意圖；圖5是本發(fā)明雙平行電導探針截面示意圖；圖6是本發(fā)明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)流固耦合振動特性的實驗裝置，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)用于對各管路上的動態(tài)數(shù)據(jù)信號進行采集，而圖像攝制監(jiān)測系統(tǒng)用于對各管路上的流型流態(tài)進行監(jiān)測。

進一步地，供氣系統(tǒng)包括壓縮機1和供氣管路，其中壓縮機1通過供氣管路依次連接有第一氣體緩沖罐3和氣體流量計5以及第一壓力變送器7；

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

供氣管路和供水管路通過氣液混合器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，從而增加了嚴重段塞流的發(fā)生范圍，為重點研究嚴重段塞流時立管系統(tǒng)流固耦合振動特性提供較寬廣的工況范圍；而立管系統(tǒng)上設(shè)置有多個壓力變送器和多個位移傳感器；立管系統(tǒng)頂部出口處設(shè)置有第二雙平行電導探針，且立管系統(tǒng)頂部通過供水管路連接有氣液分離器16，氣液分離器16再通過供水管路與儲水罐15連通，進而構(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行分離，并使水流回到儲水罐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5、液體流量計11、第一雙平行電導探針24、第二雙平行電導探針35、各個壓力變送器和各個位移傳感器通過線路連接，進而對相應管路上的流量信號、持液率信號、壓力信號和動力響應信號進行采集；

圖像攝制監(jiān)測系統(tǒng)包括高速攝像機36，其中高速攝像機36用于在實驗過程中對立管系統(tǒng)中流體的動態(tài)進行觀察并記錄。

進一步地，第一雙平行電導探針24和第二雙平行電導探針35每根電導探針相互平行且相距d為5mm。

進一步地，立管系統(tǒng)為垂直式立管系統(tǒng)，其中垂直式立管系統(tǒng)由一個鉸支34固定，其包括彎管段27和通過彎管段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。

進一步地，立管系統(tǒng)為自由懸鏈式立管系統(tǒng)，其中自由懸鏈式立管系統(tǒng)由一個鉸支45固定，其包括彎管段39和通過彎管段39與下傾管段20連接的懸鏈式立管段40，其中懸鏈式立管段40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，而懸鏈式立管段40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相對立管段互相垂直設(shè)置，而懸鏈式立管段40靠近頂部位置即鉸支45處設(shè)置有第五壓力變送器44。

進一步地，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相對立管段互相垂直設(shè)置。

進一步地，在供氣系統(tǒng)的供氣管路上，壓縮機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11之間管路上設(shè)置有第五閥門12，流體流量計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。

進一步地，整個測試部分即立管系統(tǒng)均采用透明有機玻璃管。

本發(fā)明提供的用于研究立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的實驗裝置，其實驗的具體操作如下：

步驟一：選用垂直式立管系統(tǒng)進行實驗，初始時，整個實驗裝置的閥門都處于關(guān)閉狀態(tài)，且整個實驗裝置中充滿氣體；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36和數(shù)據(jù)采集卡19，數(shù)據(jù)采集卡19監(jiān)測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、第一雙平行電導探針24和第二雙平行電導探針35的信號變化，高速攝像機36監(jiān)測并記錄立管系統(tǒng)中流體的流型流態(tài)；

步驟二：進行單相流固耦合振動實驗時，調(diào)節(jié)離心泵13頻率來改變液體流量的大小，在不同液相流量下，進行彎管沖擊試驗，監(jiān)測并記錄各個壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導探針的信號變化，待液體流量穩(wěn)定后，進行立管流固耦合振動實驗，記錄壓力變送器、位移傳感器和雙平行電導探針的信號變化；

步驟三：進行氣液兩相流固耦合振動實驗時，首先依次打開第一閥門2、第二閥門4、第三閥門6、壓縮機1、第八閥門21向?qū)嶒炑b置中供氣，此時立管系統(tǒng)中為氣液兩相流，通過第一雙平行電導探針24監(jiān)測并記錄立管上游下傾管段的持液率變化，通過第二雙平行電導探針35監(jiān)測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，第一位移傳感器26監(jiān)測并記錄垂直式立管底部豎直方向上的動力響應，第二位移傳感器30和第三位移傳感器32監(jiān)測垂直式立管段中部垂直軸向的運動；

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

步驟五：將垂直式立管系統(tǒng)換成自由懸鏈式立管系統(tǒng)，此時懸鏈式立管段40底部安裝的第一位移傳感器38監(jiān)測并記錄豎直方向的動力響應信號，懸鏈式立管段40中部安裝的第二位移傳感器41和第三位移傳感器42監(jiān)測并記錄垂直于懸鏈式立管段軸向的動力響應信號，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)測并記錄壓力信號；然后重復步驟一、二、三、四進行自由懸鏈式立管的單相流固耦合振動試驗和氣液兩相流固耦合振動試驗。

步驟六：將自由懸鏈式立管系統(tǒng)換成S型立管系統(tǒng)，此時S型立管段48底部安裝的第一位移傳感器46監(jiān)測并記錄豎直方向的動力響應信號，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)測并記錄垂直于S型立管段48軸向的動力響應信號，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)測并記錄壓力信號；然后重復步驟一、二、三、四進行S型立管的單相流固耦合振動試驗和氣液兩相流固耦合振動試驗。

進一步地，整個實驗過程中對選用垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈式立管系統(tǒng)和S型立管系統(tǒng)進行實驗的先后循序可進行更換。

進一步地，整個實驗過程中采用的介質(zhì)為水和空氣。

本發(fā)明提供的用于研究海洋立管系統(tǒng)流固耦合振動特性的實驗裝置可用于立管系統(tǒng)中流體與立管耦合振動的研究，對海洋立管系統(tǒng)的疲勞損傷與壽命預測，支承防護，抑振、抗震設(shè)計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)進行研究，分別為:垂直式立管系統(tǒng)、自由懸鏈式立管系統(tǒng)和S型立管系統(tǒng)。該實驗裝置可以進行單相耦合振動研究和氣液兩相流耦合振動研究。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探針用于測試持液率信號；在立管段的上中下部分別安裝壓力變送器用于測量壓力信號；在立管段底部彎管段安裝位移傳感器用于測量立管豎直方向的定力響應；在立管段中部安裝相對立管段互相垂直的2個位移傳感器用于測量立管在垂直于軸向的動力響應，其中S型立管設(shè)置有兩組；通過高速攝像機觀察并記錄整個立管段中流體的流動；立管段頂部設(shè)置鉸支，其中S型立管段設(shè)置兩個鉸支；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，同時得到立管段內(nèi)不同流型流態(tài)時立管的動力響應特性。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“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發(fā)明和簡化描述，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，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。