涡激振动发电式立管加速度传感器设计研究
摘 要摘 要随着经济全球化的飞速发展，国际社会对于油气资源的需求量也迅速提高，而陆地油气资源的紧缺使得深海油气开采也变得更为急迫。海洋平台立管作为深海石油气开采工作的重要组成部分之一，是海面平台连接海底设备的主要通路。正因为其重要性所在，越来越多的研究人员都将目光聚焦在了海洋平台立管的涡激振动问题上，在研究如何监测及抑制立管涡激振动这种有害现象的同时，振动中所蕴含的能量逐渐被人们发现。如何合理利用这种能量已经成为了一个新的研究方向。在现有的用于监测立管的传感器中，传感器本身的供电主要有电池供电和电缆供电两种方法，但是电池寿命有限需要定期更换，而铺设电缆成本过高,两者在实际工作中都存在一定弊端。本文通过对海洋平台立管涡激振动的研究，意在设计一种加速度传感器，在完成监测工作的同时，将立管涡激振动所产生的机械量转化为用于自身工作的电能，以维持长期稳定工作，从而避免了更换电池的繁琐或铺设电缆造成人力财力的损失。关键词：海洋平台立管；涡激振动；振动式发电；加速度传感器； 目 录
第一章绪论 1
1.1 选题背景及研究意义 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 2
1.3本文的主要内容及创新点 4
第二章涡激振动发电理论基础 5
2.1涡激振动现象及基本原理 5
2.1.1旋涡的形成 5
2.1.2旋涡的脱落 6
2.1.3涡激振动的基本原理 9
2.2利用振动发电两种基本方式 11
2.2.1电磁式发电 11
2.2.2压电式发电 12
2.3 本章小结 12
第三章 立管涡激振动发电式加速度传感器的设计 13
3.1概述 13
3.2 发电装置的设计及整体布置 13
3.2.1设计流程及草图 13
3.2.2SolidWorks建模概述 13
3.2.3发电装置的建模 14
3.2.4整体布置建模及装配说明 17
3.2.5工作情况说明 20
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3.2 发电装置的设计及整体布置 13
3.2.1设计流程及草图 13
3.2.2SolidWorks建模概述 13
3.2.3发电装置的建模 14
3.2.4整体布置建模及装配说明 17
3.2.5工作情况说明 20
3.3 储电设备的选择 21
3.3.1几种常见蓄电池的介绍 21
3.3.2高能环保蓄电池优点及应用 22
3.4传感器的选择 22
3.4.1现阶段用于立管监测的传感器种类 23
3.4.2自容式传感器简介及优点 25
3.5本章小结 28
第四章 结语 29
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着世界经济的蓬勃发展，产业的现代化造就了人类对石油气资源的越来越强依赖性，而高速发展的经济也使得能源供给不足问题愈发严重。近几年来,陆地及近海等的石油气资源由于大量开采都到达几近枯竭的边缘。因此，石油气资源相对丰富的深海便成为了世界各国关注的焦点。
对于我国来说，经济的飞速发展除了导致能源的需求量更大以外，对我国的生态环境也造成了较大的损害，而相比于煤炭类能源，石油天然气有着更好的清洁性。在我国南海的广袤海域，更是拥有着位居世界前四的石油气储藏量，约有 230亿～300亿吨，占我国石油气总蕴藏量比重达30%以上，而现阶段我国开发的只有其中三成的近海石油气资源。因此，我国深海油气勘探与开采工作是势在必行的。
在深海石油生产系统中，海洋平台立管是关键组成部分之一，它是水面平台装置连接海底设备的主要通道。海洋平台立管在实际的开采工作中，通常会受到管外复杂海洋环境和管内流体的共同作用。其中，风、浪、流、冰以及地震荷载等都是立管承受的外载荷，其中作用最为明显的是波浪和海流。在实际的开采工作中，根据工作形式和生产需求的不同，各种平台及立管也按需选择，部分形式在图1-1中展示。
图1-1海洋平台及立管形式
在深海水域，海洋平台立管在海流的作用下，当雷诺数在适当范围内时，产生漩涡脱落，并且带动立管在海流来流方向及横向上产生振动，这种立管的周期振动现象就是涡激振动(Vortex-induced Vibration，简称VIV)，立管的涡激振动是造成立管疲劳甚至破坏的主要因素之一[1]。在实际的开采工作中，如果海洋平台立管发生破坏，在造成经济损失的同时，更会给海洋生态环境带来毁灭性打击，而因石油泄漏造成的次生灾害也同样不容小觑。因此，对于海洋立管的疲劳监测也成为了实际生产工作中的重要任务，对于经济效益、生产安全和环境保护都有着重要意义。
长期以来，立管的涡激振动这种有害现象一直被学者和工程师们研究和预防。由于立管在工作中必定会长期受涡激振动影响，立管的强度及工作寿命都很大程度上减小，因此对涡激振动相关课题的研究都聚焦在怎样合理降低海洋平台立管的涡激振动响应，减少因振动造成的疲劳或破坏。但是，在研究如何抑制涡激振动的同时，研究人员意外的发现了在流速不高时，流体的动能也可以很大程度的被振动体吸收，从而使振动体可以产生很大的振幅并形成稳定的周期性振荡运动。M.M.Bernitsas 教授将这一现象应用到潮流能转换装置中[2]。通过人为的施加和增强涡激振动，使流体的动能转换为振动体机械能，从而实现能量的高效转换。美国密歇根大学最先提出了一种 Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy(VIVACE)装置[3]。它是一种利用涡激振动原理将流体动能转换电能的装置，它的工作过程就是将流体水平流动的动能通过涡激振动转化为其运动部件的横向振动，然后在机械传动的带动下，使发电机发电。
从以上的科研背景中我们可以看出，利用涡激振动实现能量转换的可行性已经被充分证明，同理在海洋平台立管在生产工作中的所受的涡激振动同样也可以运用到能量转化过程中。
因此，如果我们能设计出一种利用立管的涡激振动发电维持自身工作并对立管的涡激振动进行监测反馈的加速度传感器，就能很大程度上的解决实际海洋平台开采工作中对立管振动的监测及对安全隐患的预防问题，对深海石油开采工作的经济效益和生产安全都有着重要意义。
1.2 国内外研究现状及存在的问题
在涡激振动的科研领域, 经过长期的不懈努力，虽然学者们尚未完全掌握涡激振动的机理，不过已经取得了诸多阶段性的成果，成为了当代涡激振动研究领域的理论基石。
现在对于涡激振动的问题，主要有两种研究途径：一种是数值模拟法，另一种是实验研究法，二者各有优点和缺点。其中，物理模型实验研究的优点在于可以简洁明了的表现载荷对立管的作用，并如实展示立管的运动情况，正因为这种方法的一目了然，使它成为了涡激振动研究的重要基石，但其缺点在于实验费用昂贵且周期长；而数值模拟方法的虽然费用较低，可以重复修改各种参数条件，但数值模型需要用实验的数据结果来不断调整, 因此它也必须以实验为基础，才能如实的进行模拟，否则不可以作为其他实验的理论指导。
美国密歇根大学的Michael Bernitsas教授是目前已知的最有影响力和成就的涡激振动发电专家，通过他自己的研究，发现了涡激振动在流体流速较低的时候也能将自己的动能转到其他振动体上以引起稳定、大振幅的周期性振荡运动。从而他得出结论：涡激振动发电装置在低速水流下仍能有效产生电能。这种发电方法不仅性价比高，成本小，而且有非常良好的发展空间。Michael Bernitsas 研究团
第一章绪论 1
1.1 选题背景及研究意义 1
1.2 国内外研究现状及存在的问题 2
1.3本文的主要内容及创新点 4
第二章涡激振动发电理论基础 5
2.1涡激振动现象及基本原理 5
2.1.1旋涡的形成 5
2.1.2旋涡的脱落 6
2.1.3涡激振动的基本原理 9
2.2利用振动发电两种基本方式 11
2.2.1电磁式发电 11
2.2.2压电式发电 12
2.3 本章小结 12
第三章 立管涡激振动发电式加速度传感器的设计 13
3.1概述 13
3.2 发电装置的设计及整体布置 13
3.2.1设计流程及草图 13
3.2.2SolidWorks建模概述 13
3.2.3发电装置的建模 14
3.2.4整体布置建模及装配说明 17
3.2.5工作情况说明 20
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 3.1概述 13
3.2 发电装置的设计及整体布置 13
3.2.1设计流程及草图 13
3.2.2SolidWorks建模概述 13
3.2.3发电装置的建模 14
3.2.4整体布置建模及装配说明 17
3.2.5工作情况说明 20
3.3 储电设备的选择 21
3.3.1几种常见蓄电池的介绍 21
3.3.2高能环保蓄电池优点及应用 22
3.4传感器的选择 22
3.4.1现阶段用于立管监测的传感器种类 23
3.4.2自容式传感器简介及优点 25
3.5本章小结 28
第四章 结语 29
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着世界经济的蓬勃发展，产业的现代化造就了人类对石油气资源的越来越强依赖性，而高速发展的经济也使得能源供给不足问题愈发严重。近几年来,陆地及近海等的石油气资源由于大量开采都到达几近枯竭的边缘。因此，石油气资源相对丰富的深海便成为了世界各国关注的焦点。
对于我国来说，经济的飞速发展除了导致能源的需求量更大以外，对我国的生态环境也造成了较大的损害，而相比于煤炭类能源，石油天然气有着更好的清洁性。在我国南海的广袤海域，更是拥有着位居世界前四的石油气储藏量，约有 230亿～300亿吨，占我国石油气总蕴藏量比重达30%以上，而现阶段我国开发的只有其中三成的近海石油气资源。因此，我国深海油气勘探与开采工作是势在必行的。
在深海石油生产系统中，海洋平台立管是关键组成部分之一，它是水面平台装置连接海底设备的主要通道。海洋平台立管在实际的开采工作中，通常会受到管外复杂海洋环境和管内流体的共同作用。其中，风、浪、流、冰以及地震荷载等都是立管承受的外载荷，其中作用最为明显的是波浪和海流。在实际的开采工作中，根据工作形式和生产需求的不同，各种平台及立管也按需选择，部分形式在图1-1中展示。
图1-1海洋平台及立管形式
在深海水域，海洋平台立管在海流的作用下，当雷诺数在适当范围内时，产生漩涡脱落，并且带动立管在海流来流方向及横向上产生振动，这种立管的周期振动现象就是涡激振动(Vortex-induced Vibration，简称VIV)，立管的涡激振动是造成立管疲劳甚至破坏的主要因素之一[1]。在实际的开采工作中，如果海洋平台立管发生破坏，在造成经济损失的同时，更会给海洋生态环境带来毁灭性打击，而因石油泄漏造成的次生灾害也同样不容小觑。因此，对于海洋立管的疲劳监测也成为了实际生产工作中的重要任务，对于经济效益、生产安全和环境保护都有着重要意义。
长期以来，立管的涡激振动这种有害现象一直被学者和工程师们研究和预防。由于立管在工作中必定会长期受涡激振动影响，立管的强度及工作寿命都很大程度上减小，因此对涡激振动相关课题的研究都聚焦在怎样合理降低海洋平台立管的涡激振动响应，减少因振动造成的疲劳或破坏。但是，在研究如何抑制涡激振动的同时，研究人员意外的发现了在流速不高时，流体的动能也可以很大程度的被振动体吸收，从而使振动体可以产生很大的振幅并形成稳定的周期性振荡运动。M.M.Bernitsas 教授将这一现象应用到潮流能转换装置中[2]。通过人为的施加和增强涡激振动，使流体的动能转换为振动体机械能，从而实现能量的高效转换。美国密歇根大学最先提出了一种 Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy(VIVACE)装置[3]。它是一种利用涡激振动原理将流体动能转换电能的装置，它的工作过程就是将流体水平流动的动能通过涡激振动转化为其运动部件的横向振动，然后在机械传动的带动下，使发电机发电。
从以上的科研背景中我们可以看出，利用涡激振动实现能量转换的可行性已经被充分证明，同理在海洋平台立管在生产工作中的所受的涡激振动同样也可以运用到能量转化过程中。
因此，如果我们能设计出一种利用立管的涡激振动发电维持自身工作并对立管的涡激振动进行监测反馈的加速度传感器，就能很大程度上的解决实际海洋平台开采工作中对立管振动的监测及对安全隐患的预防问题，对深海石油开采工作的经济效益和生产安全都有着重要意义。
1.2 国内外研究现状及存在的问题
在涡激振动的科研领域, 经过长期的不懈努力，虽然学者们尚未完全掌握涡激振动的机理，不过已经取得了诸多阶段性的成果，成为了当代涡激振动研究领域的理论基石。
现在对于涡激振动的问题，主要有两种研究途径：一种是数值模拟法，另一种是实验研究法，二者各有优点和缺点。其中，物理模型实验研究的优点在于可以简洁明了的表现载荷对立管的作用，并如实展示立管的运动情况，正因为这种方法的一目了然，使它成为了涡激振动研究的重要基石，但其缺点在于实验费用昂贵且周期长；而数值模拟方法的虽然费用较低，可以重复修改各种参数条件，但数值模型需要用实验的数据结果来不断调整, 因此它也必须以实验为基础，才能如实的进行模拟，否则不可以作为其他实验的理论指导。
美国密歇根大学的Michael Bernitsas教授是目前已知的最有影响力和成就的涡激振动发电专家，通过他自己的研究，发现了涡激振动在流体流速较低的时候也能将自己的动能转到其他振动体上以引起稳定、大振幅的周期性振荡运动。从而他得出结论：涡激振动发电装置在低速水流下仍能有效产生电能。这种发电方法不仅性价比高，成本小，而且有非常良好的发展空间。Michael Bernitsas 研究团
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