能够降低管道流致振动的验证装置的制作方法

1.本发明涉及流体力学与振动力学技术领域，具体涉及一种能够降低管道流致振动的验证装置。


背景技术：

2.由流体流动而引发的管道振动称为流致振动，引发流致振动的机理主要有涡激振动、湍流抖振、流体弹性不稳定性和声共振四种(在此统称为流体流动的激发频率)。管道内流体流动的激发频率与管道的固有振动频率相等或相近时，引发管道共振，由于共振会将微小的振动放大，其危害性增大。管道的固有振动频率取决于管道材料的弹性模量和密度，而流体流动的激发频率随流体流动状态改变。
3.目前，国内外降低管道流致振动的方法主要有：采用解析法计算、实验研究确定避免引发管道共振的结构设计，或者通过增加或调整支撑、改变管道壁厚和材料来提高管道的固有振动频率以避开激发频率，或者降低进出口区域的流速、增加阻尼器的方法降低激发频率，从而避免引发共振。但上述方法存在缺陷，有必要提出新的能够管道流致振动的方法及相应的管道。
4.而针对能够管道流致振动的方法及相应的管道，现有技术缺乏有效的实验验证手段。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的上述不足，提供一种能够降低管道流致振动的验证装置，用于验证能够管道流致振动的方法及相应的管道降低流致振动的效果。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种能够降低管道流致振动的验证装置，包括：可更换试验段、测量系统和流体输送机构；
8.所述可更换试验段为内壁加载了超疏水表面的一段管道，所述可更换试验段连接所述流体输送机构；
9.所述流体输送机构用于按照确定的流体流动工况条件向所述可更换试验段内输送流体；
10.所述测量系统用于测量流体流经所述可更换试验段时产生的流致振动参数。
11.优选地，所述测量系统包括：测量组件和信号处理设备；
12.所述测量组件设置在所述可更换试验段上，用于测量流体流经所述可更换试验段时的流致振动参数；
13.所述信号处理设备与所述测量组件电连接，用于接收所测量的流致振动参数，并记录测量结果。
14.优选地，所述流致振动参数包括：流体流量和振动强度；
15.所述测量组件包括：流量传感器和振动信号采集器；
16.所述流量传感器设置在所述可更换试验段内，用于测量通过所述可更换试验段的流体流量，以检验流经所述可更换试验段的流体流动工况；
17.所述振动信号采集器设置在所述可更换试验段的外壁上，用于采集流体流过所述可更换试验段时的振动信号，以获得流体流经所述可更换试验段时的振动强度。
18.优选地，所述流量传感器设置两个，在所述可更换试验段的两端各设置一个，以检验流经所述可更换试验段的流体流速是否达到恒定值；
19.所述振动信号采集器设置多个，在所述可更换试验段外壁的中部环绕设置，根据多个振动信号采集器测得的振动信号平均值获得所述可更换试验段的振动强度。
20.优选地，所述信号处理设备包括：信号适调仪、数据采集分析仪；
21.所述信号适调仪的输入端连接所述流量传感器和所述振动信号传感器，其输出端连接所述数据采集分析仪，用于对所述流量传感器的流体流量信号和所述振动信号采集器采集的振动信号进行适调后，发送给所述数据采集分析仪；
22.所述数据采集分析仪用于对适调后的流体流量信号和振动信号进行采集分析。
23.优选地，所述流体输送机构包括：流体输送管道和驱动引导组件；
24.所述流体输送管道与所述可更换试验段连接并构成循环管道供流体循环流动；
25.所述驱动引导组件设置在所述流体输送管道上，用于驱动和引导流体在所述循环管道内循环流动，且达到所述流体流动工况条件。
26.优选地，所述流体输送管道依次包括：第一连接段、驱动段、扩张段、导流段、收缩段、第二连接段；
27.所述可更换试验段为直管；
28.所述第一连接段采用带有90
°
弯的l形管，其一端连接所述可更换试验段的一端，另一端连接所述驱动段的一端；
29.所述驱动段采用带有90
°
弯的l形管，其另一端连接所述扩张段窄的一端；
30.所述扩张段为喇叭形管道，其宽的一端连接所述导流段；
31.所述导流段为两端呈90
°
弯的u形管，其另一端连接所述收缩段宽的一端；
32.所述收缩段呈漏斗形收缩，其窄的一端连接所述第二连接段；
33.所述第二连接段为直管，其另一端连接所述可更换试验段相对所述第一连接段的另一端。
34.优选地，所述扩张段的长度大于等于所述可更换试验段、所述第二连接段和所述收缩段长度之和；
35.所述第二连接段与所述收缩段的连接处设置压力平衡缝，用于平衡流体循环流动时的压力。
36.优选地，所述驱动引导组件包括：驱动元件、导流叶片和蜂窝器；
37.所述驱动元件用于驱动流体循环流动；
38.所述导流叶片和所述蜂窝器用于引导和调节流向所述可更换试验段的流体的流动状态，以使得在驱动元件的驱动下，所述可更换试验段内流体流动的雷诺数为定值。
39.优选地，所述驱动元件包括叶轮；
40.所述叶轮设置在所述驱动段内，所述叶轮连接电机，所述电机驱动所述叶轮转动，
以使得所述叶轮驱动流体流动；
41.通过调节所述电机的输出功率控制所述叶轮的转速，从而调节流体流动的速度。
42.本发明提供的一种用于能够降低管道流致振动的验证装置，通过在可更换试验段设置测量系统，测量和分析流体流经所述可更换试验段时产生的流致振动参数，通过利用本装置测试加载了超疏水表面的管道对降低管道流致振动的影响，在管道设计前期获得能够有效降低流致振动的超疏水表面，并据此对管道进行预设计，从而获得能够有效降低管道流致振动的管道设计方案，使得管道工程更有效率和经济性。
附图说明
43.图1为本发明实施例相关的一种能够降低管道流致振动的方法的流程图；
44.图2为本发明实施例中涉及的具有规则微观结构的超疏水表面的示意图；
45.图3为采用数值模拟方法得到的气液比gf对流体在管道内壁面附近的流向速度的影响曲线图；
46.图4为采用数值模拟方法得到的气液比gf对管道内流体流动的湍流涡强度的影响曲线图；
47.图5为能够降低管道流致振动的验证装置的结构示意图；
48.图6为图5中装置的循环管路连接结构示意图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.本发明所要求保护的是一种能够降低管道流致振动的验证装置，为了便于理解，首先对一种能够降低管道流致振动的方法及相应的管道进行详细介绍。
54.本发明实施例要解决的技术问题是：验证避免管道内流体流动时引发管道共振的有效性，即验证降低管道流致振动的有效性。而要使管道不发生共振，即要使管道内流体流动的激发频率与管道的固有振动频率不相等、不相近。本发明实施例采取改变管道内流体流动状态以降低激发频率的措施，来实现使管道内流体流动的激发频率避开管道的固有振
动频率。
55.研究发现，超疏水表面可以影响湍流流动，湍流漩涡会引发管道振动，且湍流流量增大，管壁振动增大，因而，超疏水表面对管道流致振动产生影响。因此，存在通过在管道内壁加载超疏水表面以降低管道内流体流动引发管道振动的可能，进而能够减少管道振动带来的损害。而采取预先在管道内壁加载超疏水表面的设计方法，有利于降低工程造价成本、提高工程建设效率。
56.因此，本发明相关的能够降低管道流致振动的方法及管道的技术思路是：通过在管道内壁表面增加超疏水表面，利用超疏水表面能够提高管道内流体流动的稳定性，从而降低管道内流体流动的激发频率，管道内流体流动时其激发频率始终低于管道的固有振动频率，则可以有效地避免引发管道共振。为了验证该方法及管道的有效性，有必要提供对应的能够降低管道流致振动的验证装置，以验证内壁加载了超疏水表面的管道管道流致振动被降低。
57.首先，如图1所示，与本发明相关的一种能够降低管道流致振动的方法，包括如下步骤：
58.s1、确定管道的固有振动频率。
59.具体地，管道的固有振动频率由管道材料的弹性模量和密度决定，在本实施例1中，是针对确定的管道通过现场测量、通过相关规范使用经验公式进行计算、或者通过有限元软件进行数值模拟计算得到所述管道的固有振动频率。
60.s2、获取能够使得所述管道内流体流动的激发频率避开所述管道的固有振动频率对应的超疏水表面的特征参数的值。
61.具体地，所述超疏水表面的特征参数包括：气液比gf或有效滑移长度l。
62.具体地，超疏水表面的特征参数用以表征超疏水表面的超疏水性能，通常采用气液比gf(gas fraction)或有效滑移长度l来表示。此处采用如图2所示的具有规则微观结构的超疏水表面来说明其表面的特征参数-气液比gf，gf的定义为：gf＝(p-w)/p，其中p是规则的超疏水表面微观结构中形貌周期的长度，w是形貌周期内液体与固体的接触长度。
63.由现有研究可知，gf与l之间存在单调相关关系，并且具有等价性，所以，本发明的实施例可以选择使用气液比gf或有效滑移长度l任意一项作为超疏水表面的特征量，以研究其与管道流致振动的关系。在本说明书后续实施例的分析中，仅采用气液比gf来进行说明，但应该理解，所有使用气液比gf的地方也可以采用有效滑移长度l进行计算或表示，二者可以替换。
64.具体地，所述获取能够使得所述管道内流体流动的激发频率避开所述管道的固有振动频率对应的超疏水表面的特征参数的值之前，所述方法还包括：确定所述管道的结构参数以及所述管道内流体流动工况；在所述结构参数以及所述管道内流体流动工况下，获得所述超疏水表面的特征参数与所述管道内流体流动的激发频率之间的单调关系。
65.具体地，在经过步骤s1后，已经确定管道固有振动频率，要获取能够使得所述管道内流体流动的激发频率避开所述管道的固有振动频率对应的超疏水表面的特征参数的值，就需要知道超疏水表面的特征参数对流体流动的激发频率的影响，通过本发明实施例的研究发现，所述超疏水表面的特征参数与所述管道内流体流动的激发频率之间呈单调关系，根据该单调关系，可以选择合适的所述特征参数的值，使得流体流过具有该特征参数的值
的超疏水表面时，其激发频率始终低于管道的固有振动频率。
66.具体地，所述获得所述超疏水表面的特征参数与所述管道内流体流动的激发频率之间的单调关系，具体包括：采用有限体积法软件作为数值模拟工具，模拟具有所述结构参数的管道；设定多个不同的超疏水表面的特征参数的值；通过模拟流体在具有设定的特征参数的值的超疏水表面的管道内按照所述管道内流体流动工况流动，获得每个超疏水表面的特征参数的值的条件下，对应的管道内流体流动参数，获取超疏水表面的特征参数和管道内流体流动参数之间的单调关系；根据所述超疏水表面的特征参数和管道内流体流动参数之间的单调关系，以及已知的管道内流体流动参数与管道内流体流动的激发频率之间的单调关系，获得超疏水表面的特征参数与所述管道内流体流动的激发频率之间的单调关系。
67.具体地，通过使用直接数值模拟方法对管道内流体流动进行研究，根据模拟结果探究超疏水表面特性与管道流致振动之间的关系，直接数值模拟方法采用有限体积法软件作为数值模拟工具，直接对管道内流体流动进行仿真计算，可以较好地模拟管道内流体流动，且模拟结果高度精确。
68.具体地，所述数值模拟工具具体采用ansys fluent；所述管道结构参数包括：管道的直径、管道的长度；所述管道内流体流动工况包括：管道入口处的流体流量、管道运行压力、温度、流体密度、流体粘性系数；所述管道内流体流动参数包括：管道内壁面附近的流向速度、湍流涡强度；所述超疏水表面的特征参数和管道内流体流动参数之间的单调关系包括：所述超疏水表面的特征参数与所述管道内壁面附近的流向速度呈正相关关系，所述超疏水表面的特征参数与所述湍流涡强度呈反相关关系；所述管道内流体流动参数与管道内流体流动的激发频率之间的单调关系包括：所述管道内壁面附近的流向速度与所述管道内流体流动的激发频率呈反相关关系，所述湍流涡强度与所述管道内流体流动的激发频率呈正相关关系；所述超疏水表面的特征参数与所述管道内流体流动的激发频率之间的单调关系为：所述超疏水表面的特征参数与所述管道内流体流动的激发频率呈反相关关系。
69.具体地，有限体积法软件采用ansys fluent，在所述数值模拟工具中，模拟管道内流体流动，模拟流体流动的相关的数值根据核电厂等工程中的现场运行工况数据进行设置，即从工程现场获得管道结构参数和管道内流体流动工况，在所述数值模拟工具输入管道结构参数和管道内流体流动工况后进行仿真运算。
70.在实际管道应用中，管道结构参数以及管道内流体流动工况需满足管道输送流体的性能要求，二者会影响管道内流体流动状态，从而影响流体流动对管道产生激发的频率。在一个具体地应用实例中，所述管道为核电厂的冷却水管道，该管道的直径一般为150mm，运行时管内的流动速度约为10m/s，以此作为计算基础，在不加载超疏水表面的条件下，其内湍流涡强度为4000。
71.往所述数值模拟工具中输入对应的管道结构参数和管道内流体流动工况的相关数值后，设定不同超疏水表面的特征参数的值，假定将具有该特征参数的值的超疏水表面加载于所述管道内壁，在所述数值模拟工具内计算在不同的超疏水表面的特征参数的值下相应的管道内流体流动参数，来得到超疏水表面的特征参数和管道内流体流动参数之间的单调关系。在前述具体地应用实例中，所述超疏水表面特征参数选择气液比gf，其值分别取0.25,0.5,0.75，来计算超疏水表面气液比gf为上述数值下，对应的管道内壁面附近的流向
速度、湍流涡强度的变化，其部分结果如图3和4所示。
72.具体地，在图3中：横轴表示管道的长度x，纵轴表示管道内壁面附近的流向速度平均值从图3中可以观察到，随着气液比gf的增大，内壁面附近的流向速度增大。而根据流体力学理论，流体流动从运动方向上分为纵向流和横向流，纵向流沿轴线方向(即流动方向)，横向流垂直于轴线方向，即使在流速不大时，横向流也会引发管道的振动，而流向速度(纵向流的流速)增大，则意味着横向流减小，管道内流体流动的激发频率降低，从而降低管道流致振动。
73.具体地，在图4中：横轴表示气液比gf，纵轴表示湍流涡强度(vorticity magnitude)，从图4中可以观察到，管道内湍流涡强度随着气液比gf增加而减小，具体地，气液比0.25时湍流涡强度3500，气液比0.5时湍流涡强度2650，气液比0.75时湍流涡强度2010，而湍流涡强度是湍流抖振的主要引发因素，故而，其减小意味着管道内流体流动的激发频率降低，从而降低管道流致振动。
74.从上述分析可知，管道内壁面附近的流向速度、湍流涡强度值等流体流动参数对流致振动的影响，均会随着气液比gf增加而减小，可见，超疏水表面的特征参数与管道内流体流动的激发频率呈单调关系，与管道流致振动仍呈单调关系，所述超疏水表面的气液比gf或有效滑移长度l与需要避开的所述管道的固有振动频率也呈单调关系，具体为管道的固有振动频率越低时，需要设置的超疏水表面应具有更大的气液比gf或有效滑移长度l，可以通过建立超疏水表面的特征参数gf与需要避开的管道的固有振动频率之间的关系表或曲线图，来获取能够使得所述管道内流体流动的激发频率避开所述管道的固有振动频率对应的超疏水表面的特征参数的值。
75.具体地，根据前述分析可知，超疏水表面的加入改变了管道内流体流动的状态，降低了湍流流动对管道的影响，使得管道内的流体流动趋于平稳状态，从而能够降低激发频率，一定流动工况及管道自身状况条件下，选择具有合适的特征参数的超疏水表面，以避开管道的固有振动频率，使管道内流体流动的激发频率始终低于管道的固有振动频率，从而避免了二者发生共振，而同等条件下，由于超疏水表面的特征参数与管道流致振动之间呈单调关系，虽然可以选择尽可能大的超疏水表面的特征参数，但考虑加工成本等实际因素，尽量根据管道的固有振动频率选择合适的特征参数的值。
76.s3、将具有所述特征参数的值的超疏水表面加载于所述管道内壁表面，以使得所述管道内流体流动时不会引发所述管道共振。
77.具体地，所述将具有所述特征参数的值的超疏水表面加载于所述管道内壁表面，包括：在所述管道内壁表面蚀刻以形成具有所述特征参数的值的超疏水表面；或者，在所述管道内壁表面贴附或喷涂超疏水材料以形成具有所述特征参数的值的超疏水表面。
78.具体地加载方法可以是，在所述管道内壁表面蚀刻以形成所述超疏水表面，如采用激光、电蚀等工艺直接在管道内壁加工形成具有所述特征参数的值的超疏水表面；或者，在所述管道内壁表面贴附或喷涂超疏水材料以形成所述超疏水表面，所述超疏水材料采用具有所述特征参数的值的材料，即具有确定的气液比gf或有效滑移长度l的值。
79.具体地，所述将具有所述特征参数的值的超疏水表面加载于所述管道内壁表面，以使得所述管道内流体流动时不会引发所述管道共振之后，所述方法还包括：将加载了所述超疏水表面的管道连接入能够降低管道流致振动的验证装置，所述验证装置包括测量系
统，所述测量系统用于测量所述管道的流致振动参数；向所述管道内输送流体，并控制所述流体在所述管道内按照确定的流体流动工况流动；通过所述测量系统记录所述管道的流致振动参数，以验证所述加载了所述超疏水表面的管道能够降低所述管道的流致振动。
80.具体地，所述能够降低管道流致振动的验证装置如图5和图6所示，首先如图5所示，加载了所述超疏水表面的管道作为可更换试验段1，并在其上连接测量系统2，然后将其连接在流体输送机构3中组成如图6所示的循环管路，流体输送机构3向可更换试验段1内输送流体，并控制流体在可更换试验段1内流动时符合测试要求的流体流动工况条件，当可更换试验段1内的流体流动工况条件达到测试要求后，测量系统2记录相应的流致振动参数，具体可直接测量可更换试验段1的振动强度，根据振动强度的大小判断所述加载了所述超疏水表面的管道是否能够降低所述管道的流致振动。
81.在一个具体地应用实例中，如前所述，所述管道为核电厂的冷却水管道，该管道的直径为150mm，通过流体输送机构3控制流体在可更换试验段1内流动，达到管道内流体流动的雷诺数为8e 05或其它值，且满足流速为10m/s的条件，记录振动信号。
82.在本发明相关的降低管道流致振动的方法，通过将超疏水表面特性与流致振动问题联系起来，将结构振动问题转化为流体流动问题，通过在管道内壁表面增加超疏水表面来降低管道流致振动，随着超疏水表面超疏水性的增强，湍流涡强度降低，从源头上降低了激励强度，通过改变流体流动的边界条件减少管道内流体流动导致的结构振动，在预先知道管道固有频率情况下，通过调整管道内壁的超疏水表面的特征参数来调整管道的激发频率避开管道的固有频率，进而减少由于共振导致的强烈的流致振动，提供了一种相比于现有技术更易于实现、更具效率与经济性的管道工程设计方法。
83.更具体地来说，本发明相关的方法，相比于现有技术具备的有益效果包括：
84.1)相比于解析法计算，本方法直接对管道内湍流流动进行仿真计算，因而可以更真实和准确地描述管道流动；
85.2)相比于实验研究方法，本方法避免了在实验过程中可能引入的泵噪声、管道屈曲和管道支吊架等误差来源；
86.3)相比于增加或调整支撑的方法，本发明不需要改变工程中管道的现有设计，无需增加或改变支撑，因而具有减少工程成本与时间的特点，从而更具有经济性和便捷性；
87.4)相比于改变管道壁厚和材料的方法，本发明无需更替管道材料或者重新施工，只需要在施工前对管道内壁表面进行处理，因而更加节省时间和施工成本；
88.5)相比于降低进出口区域的流速的方法，可以减少工程前期与后期的设计与计算成本；
89.6)相比于增加阻尼器，本发明无需大幅度增大系统的重量，同时使用不受外部温度限制。
90.第二，与本发明相关的一种能够降低流致振动的管道，包括管道本体和超疏水表面；
91.所述超疏水表面加载于所述管道内壁表面，且所述超疏水表面具有能够使得所述管道内流体流动的激发频率避开所述管道的固有振动频率对应的特征参数的值，以使所述管道内流体流动时不会引发所述管道共振。
92.可选地，所述特征参数包括：气液比gf或有效滑移长度l。
93.具体地，超疏水表面的微观结构分为规则与不规则两种，在本实施例中，所述超疏水表面可以为规则或不规则的微观结构，但均需具有确定的气液比gf的值或确定的有效滑移长度l的值，工业上为了降低制造成本，其微观结构一般为不规则的，对于表面为不规则微观结构的超疏水表面，其特征参数亦可以用气液比gf或有效滑移长度l来表示。
94.可选地，所述超疏水表面加载于所述管道内壁表面，包括：在所述管道内壁表面蚀刻以形成具有所述特征参数的值的超疏水表面；或者，在所述管道内壁表面贴附或喷涂超疏水材料以形成具有所述特征参数的值的超疏水表面。
95.在一个具体实施例中，所述超疏水表面加载于所述管道内壁表面包括两种加载方法：在所述管道内壁表面蚀刻以形成所述超疏水表面，如采用激光、电蚀等工艺直接在管道内壁加工形成具有所述特征参数的值的超疏水表面；在另一个具体实施例中，在所述管道内壁表面贴附或喷涂超疏水材料以形成所述超疏水表面；所述超疏水材料采用具有所述特征参数的值的材料。
96.可选地，所述超疏水表面的特征参数的值参考前述能够降低管道流致振动的方法确定。
97.可选地，所述管道还连接入能够降低管道流致振动的验证装置，所述验证装置包括测量系统，所述测量系统用于测量所述管道的流致振动参数；向所述管道内输送流体，并控制所述流体在所述管道内按照确定的流体流动工况流动；通过所述测量系统记录所述管道的流致振动参数，以验证所述所述管道能够降低流致振动。
98.在本发明相关的能够降低流致振动的管道，通过在管道内壁表面增加超疏水表面来降低管道流致振动，超疏水表面具备能够使得管道内流体流动的激发频率避开管道固有振动频率对应的特征参数的值，从而减少管道内流体流动导致的结构振动，采用本发明相关的管道可以对管道进行预设计，使得工程具有更高的效率性和经济性。
99.实施例1：
100.如图5和6所示，本发明实施例1提供一种能够降低管道流致振动的验证装置，包括：可更换试验段1、测量系统2和流体输送机构3；
101.所述可更换试验段1为内壁加载了超疏水表面的一段管道，所述可更换试验段1连接所述流体输送机构3；
102.所述流体输送机构3用于按照确定的流体流动工况条件向所述可更换试验段1内输送流体；
103.所述测量系统2用于测量流体流经所述可更换试验段1时产生的流致振动参数。
104.具体地，所述可更换试验段1为如上所述一种能够降低管道流致振动的方法获得的一段管道或者如上所述一种能够降低流致振动的管道的一段，该验证装置用于验证如上所获得的管道能够降低管道流致振动，选取如上所获得的管道作为可更换试验段1进行验证测试，通过流致振动参数直接反映了管道内流体流动时管道的振动强度，该振动强度降低则实现了降低管道流致振动的效果。
105.可选地，所述测量系统2包括：测量组件21和信号处理设备22；
106.所述测量组件21设置在所述可更换试验段1上，用于测量流体流经所述可更换试验段1时的流致振动参数；
107.所述信号处理设备22与所述测量组件21电连接，用于接收所测量的流致振动参
数，并记录测量结果。
108.具体地，测量系统通过测量组件21测量管道的流致振动参数，并通过信号处理设备22接收和记录测量结果，通过测量数据记录的丰富与完善，可以获得更为准确的超疏水表面的特征参数与管道流致振动之间的关系，为管道工程设计提供有效的经验数据。
109.可选地，所述流致振动参数包括：流体流量和振动强度；
110.所述测量组件21包括：流量传感器211和振动信号采集器212；
111.所述流量传感器211设置在所述可更换试验段1内，用于测量通过所述可更换试验段1的流体流量，以检验流经所述可更换试验段1的流体流动工况；
112.所述振动信号采集器212设置在所述可更换试验段1的外壁上，用于采集流体流过所述可更换试验段1时的振动信号，以获得流体流经所述可更换试验段1时的振动强度。
113.具体地，通过流量传感器211检验流经可更换试验段1的流体流动工况达到测试要求的条件后，振动信号采集器212采集可更换试验段1的振动强度，并将此振动强度发送给信号处理设备22。
114.可选地，所述流量传感器211设置两个，在所述可更换试验段1的两端各设置一个，以检验流经所述可更换试验段1的流体流速是否达到恒定值；
115.所述振动信号采集器212设置多个，在所述可更换试验段1外壁的中部环绕设置，根据多个振动信号采集器212测得的振动信号平均值获得所述可更换试验段1的振动强度。
116.具体地，首先分别根据两个所述流量传感器211测得所述可更换试验段进出口位置的流体流量，并根据所述流体流量计算流体流经所述可更换试验段1前后的流速，直至前后流速一致且达到恒定值才开始采集振动信号，振动信号采集器212可以采用加速度传感器，环绕在管道中部，通过计算平均值获得管道的振动强度。
117.可选地，所述信号处理设备22包括：信号适调仪221、数据采集分析仪222；
118.所述信号适调仪221的输入端连接所述流量传感器211和所述振动信号传感器212，其输出端连接所述数据采集分析仪222，用于对所述流量传感器211的流体流量信号和所述振动信号采集器212采集的振动信号进行适调后，发送给所述数据采集分析仪222；
119.所述数据采集分析仪222用于对适调后的流体流量信号和振动信号进行采集分析。
120.具体地，信号处理设备22还包括计算机223，计算机223连接数据采集分析仪222，数据采集分析仪222将模拟信号转化为数字信号后发送给计算机223，计算机223对接收到的信号结合对应的超疏水表面的特征参数的值，给出可更换试验段1的流致振动测量分析结果，通过采用具有不同所述特征参数的值的管道作为可更换试验段1进行多次测试，可以给出可更换试验段1的流致振动与超疏水表面特征参数的测量分析结果。
121.可选地，所述流体输送机构3包括：流体输送管道31和驱动引导组件32；
122.所述流体输送管道31与所述可更换试验段1连接并构成循环管道供流体循环流动；
123.所述驱动引导组件32设置在所述流体输送管道31上，用于驱动和引导流体在所述循环管道内循环流动，且达到所述流体流动工况条件。
124.具体地，流体流动工况条件包括根据管道的实际直径进行确定管道内的流体流动速度，以及管道内流体流动的雷诺数，要求水流达到可更换试验段1时的速度是恒定的，雷
诺数为8e 05或其它值，由于本发明的目的是测量可更换试验段1的管道本身的振动参数，本发明只需要控制流经可更换试验段1的流动工况即可实现本发明目的，故流体是否循环流动不是本发明的必要条件，只是循环流动的设计方案有利于进行持续的测量。
125.可选地，所述流体输送管道31依次包括：第一连接段311、驱动段312、扩张段313、导流段314、收缩段315、第二连接段316；
126.所述可更换试验段1为直管；
127.所述第一连接段311采用带有90
°
弯的l形管，其一端连接所述可更换试验段1的一端，另一端连接所述驱动段312的一端；
128.所述驱动段312采用带有90
°
弯的l形管，其另一端连接所述扩张段313窄的一端；
129.所述扩张段313为喇叭形管道，其宽的一端连接所述导流段314；
130.所述导流段314为两端呈90
°
弯的u形管，其另一端连接所述收缩段315宽的一端；
131.所述收缩段315呈漏斗形收缩，其窄的一端连接所述第二连接段316；
132.所述第二连接段316为直管，其另一端连接所述可更换试验段1相对所述第一连接段311的另一端。
133.可选地，所述扩张段313的长度大于等于所述可更换试验段1、所述第二连接段316和所述收缩段315长度之和；
134.所述第二连接段316与所述收缩段315的连接处设置压力平衡缝317，用于平衡流体循环流动时的压力。
135.具体地，扩张段313与可更换试验段1、第二连接段316和收缩段315相对安装，其长度大于等于三者长度之和，所有管道的90
°
弯处均设置为圆弧形弯。
136.可选地，所述驱动引导组件32包括：驱动元件321、导流叶片322和蜂窝器323；
137.所述驱动元件321用于驱动流体循环流动；
138.所述导流叶片322和所述蜂窝器323用于引导和调节流向所述可更换试验段1的流体的流动状态，以使得在驱动元件321的驱动下，所述可更换试验段1内流体流动的雷诺数为定值。
139.可选地，所述驱动元件321包括叶轮3211；
140.所述叶轮3211设置在所述驱动段312内，所述叶轮3211连接电机3212，所述电机3212驱动所述叶轮3211转动，以使得所述叶轮3211驱动流体流动；
141.通过调节所述电机3212的输出功率控制所述叶轮3211的转速，从而调节流体流动的速度。
142.具体地，叶轮3211设置在驱动段312与第一连接段311连接的一端，电机3212设置在驱动段312管道外部，并与叶轮3211连接驱动叶轮3211转动，导流叶片322包括两组，两组导流叶片322分别设置在导流段314的两处90
°
弯位置，用于引导经过扩张段313扩张减速后的流体平稳通过导流段的两个90
°
弯处，每组导流叶片322包括若干向内弯折的弧型叶片，且沿导流段314的90
°
弯处的外角向内角分布，蜂窝器323设置在收缩段315宽的一端。
143.本验证装置的使用方法为：首先，选择要验证的加载了所述超疏水表面的管道，将其作为可更换试验段1连接流体输送机构3形成循环管道，并连接测量系统2，启动电机3212驱动叶轮3211转动，带动循环管道内的流体按照确定的流体流动工况流动循环流动，流量传感器211测量可更换试验段1两端的流体流量，并将数据传输给信号处理设备22，当流速
恒定后，振动传感器212测量可更换试验段1的管道振动，通过记录振动传感器212测量得到的管道的流致振动参数，验证所述加载了所述超疏水表面的管道能够降低所述管道的流致振动，并最终将数据传输给信号处理设备22的计算机223进行存储和记录。
144.本发明实施例1提供了一种能够降低管道流致振动的验证装置，通过在可更换试验段1设置测量系统，测量和分析流体流经所述可更换试验段1时产生的流致振动参数，提供了一种简单、方便、经济、可靠的实验验证装置，通过实验测量结果获得管道流致振动参数以测试管道性能。
145.本实验装置所需的测量设备较为普遍，且价格低廉，是一般的流体力学实验室中都具备的，而且可以比较、重复、验证，确保其正确性与准确性；利用本验证装置可以测试增加超疏水表面的管道对降低管道流致振动的影响，从而为在管道的前期设计出有效减少管道流致振动的超疏水表面提供依据，进而可以把此超疏水表面应用到管道内壁表面，进行预设计，避免现有的工程实际中，需要在管道设计并施工后通过现场反馈进行修改调整减少流致振动的一般做法，大大减少了施工成本和后期修改成本，节约了时间，使得工程更有效率和经济性。
146.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，包括：可更换试验段、测量系统和流体输送机构；所述可更换试验段为内壁加载了超疏水表面的一段管道，所述可更换试验段连接所述流体输送机构；所述流体输送机构用于按照确定的流体流动工况条件向所述可更换试验段内输送流体；所述测量系统用于测量流体流经所述可更换试验段时产生的流致振动参数。2.根据权利要求1所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述测量系统包括：测量组件和信号处理设备；所述测量组件设置在所述可更换试验段上，用于测量流体流经所述可更换试验段时的流致振动参数；所述信号处理设备与所述测量组件电连接，用于接收所测量的流致振动参数，并记录测量结果。3.根据权利要求2所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述流致振动参数包括：流体流量和振动强度；所述测量组件包括：流量传感器和振动信号采集器；所述流量传感器设置在所述可更换试验段内，用于测量通过所述可更换试验段的流体流量，以检验流经所述可更换试验段的流体流动工况；所述振动信号采集器设置在所述可更换试验段的外壁上，用于采集流体流过所述可更换试验段时的振动信号，以获得流体流经所述可更换试验段时的振动强度。4.根据权利要求3所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述流量传感器设置两个，在所述可更换试验段的两端各设置一个，以检验流经所述可更换试验段的流体流速是否达到恒定值；所述振动信号采集器设置多个，在所述可更换试验段外壁的中部环绕设置，根据多个振动信号采集器测得的振动信号平均值获得所述可更换试验段的振动强度。5.根据权利要求3所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述信号处理设备包括：信号适调仪、数据采集分析仪；所述信号适调仪的输入端连接所述流量传感器和所述振动信号传感器，其输出端连接所述数据采集分析仪，用于对所述流量传感器的流体流量信号和所述振动信号采集器采集的振动信号进行适调后，发送给所述数据采集分析仪；所述数据采集分析仪用于对适调后的流体流量信号和振动信号进行采集分析。6.根据权利要求1-5任意一项所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述流体输送机构包括：流体输送管道和驱动引导组件；所述流体输送管道与所述可更换试验段连接并构成循环管道供流体循环流动；所述驱动引导组件设置在所述流体输送管道上，用于驱动和引导流体在所述循环管道内循环流动，且达到所述流体流动工况条件。7.根据权利要求6所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述流体输送管道依次包括：第一连接段、驱动段、扩张段、导流段、收缩段、第二连接段；所述可更换试验段为直管；
所述第一连接段采用带有90
°
弯的l形管，其一端连接所述可更换试验段的一端，另一端连接所述驱动段的一端；所述驱动段采用带有90
°
弯的l形管，其另一端连接所述扩张段窄的一端；所述扩张段为喇叭形管道，其宽的一端连接所述导流段；所述导流段为两端呈90
°
弯的u形管，其另一端连接所述收缩段宽的一端；所述收缩段呈漏斗形收缩，其窄的一端连接所述第二连接段；所述第二连接段为直管，其另一端连接所述可更换试验段相对所述第一连接段的另一端。8.根据权利要求7所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述扩张段的长度大于等于所述可更换试验段、所述第二连接段和所述收缩段长度之和；所述第二连接段与所述收缩段的连接处设置压力平衡缝，用于平衡流体循环流动时的压力。9.根据权利要求8所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述驱动引导组件包括：驱动元件、导流叶片和蜂窝器；所述驱动元件用于驱动流体循环流动；所述导流叶片和所述蜂窝器用于引导和调节流向所述可更换试验段的流体的流动状态，以使得在驱动元件的驱动下所述可更换试验段内流体流动的雷诺数为定值。10.根据权利要求9所述的能够降低管道流致振动的验证装置，其特征在于，所述驱动元件包括叶轮；所述叶轮设置在所述驱动段内，所述叶轮连接电机，所述电机驱动所述叶轮转动，以使得所述叶轮驱动流体流动；通过调节所述电机的输出功率控制所述叶轮的转速，从而调节流体流动的速度。

技术总结
本发明公开一种能够降低管道流致振动的验证装置，包括：可更换试验段、测量系统和流体输送机构；所述可更换试验段为内壁加载了超疏水表面的一段管道，所述可更换试验段连接所述流体输送机构；所述流体输送机构用于按照确定的流体流动工况条件向所述可更换试验段内输送流体；所述测量系统用于测量流体流经所述可更换试验段时产生的流致振动参数。通过利用本装置测试加载了超疏水表面的管道对降低管道流致振动的影响，在管道设计前期获得能够有效降低流致振动的超疏水表面，并据此对管道进行预设计，从而获得能够有效降低管道流致振动的管道设计方案，使得管道工程更有效率和经济性。性。性。


技术研发人员：任茜 王春明
受保护的技术使用者：中国核电工程有限公司
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2022/5/25