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Visualisierung des Strömungsfeldes um eine vibrierende Pipeline innerhalb eines Gleichgewichts-Scour-Lochs

Published: August 26, 2019 doi: 10.3791/59745
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 4
1Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense, Ministry of Education, Hohai University, 2School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, 3Ocean College, Zhejiang University, 4AXESEA Information Technology Co. LTD

Summary

Ziel des Protokolls ist es, die Visualisierung der detaillierten Strömungsfelder und die Bestimmung der grenznahen Scherung und normaler Spannungen innerhalb eines durch eine vibrierende Rohrleitung induzierten Gleichgewichtsgeißees zu ermöglichen.

Abstract

In diesem Beitrag wird eine experimentelle Methode vorgestellt, um die Visualisierung der detaillierten Strömungsfelder und die Bestimmung der grenznahen Scherung und normaler Spannungen innerhalb eines durch eine vibrierende Rohrleitung induzierten Gleichgewichtsgeißees zu erleichtern. Diese Methode beinhaltet die Implementierung eines Pipeline-Vibrationssystems in einem geraden Flume, einem zeitaufgelösten Partikelbild-Velocimetrie-System (PIV) für Pipeline-Verschiebungsverfolgung und Flussfeldmessungen. Die Verschiebungszeitreihen der vibrierenden Rohrleitung werden mit Hilfe der Kreuzkorrelationsalgorithmen ermittelt. Die Schritte zur Verarbeitung von rohen Partikeln, die mit Hilfe der zeitaufgelösten PIV erhalten wurden, werden beschrieben. Die detaillierten momentanen Strömungsfelder um die vibrierende Rohrleitung in verschiedenen Vibrationsphasen werden mithilfe eines Kreuzkorrelationsalgorithmus mit mehreren Zeitintervallen berechnet, um Verschiebungsverzerrungsfehler in den Strömungsbereichen mit einem großen Geschwindigkeitsgradienten zu vermeiden. . Durch Anwendung der Wavelet-Transformationstechnik werden die aufgenommenen Bilder mit derselben Vibrationsphase genau katalogisiert, bevor die phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder ermittelt werden. Die wichtigsten Vorteile der in diesem Papier beschriebenen Strömungsmesstechnik sind, dass sie eine sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung hat und gleichzeitig verwendet werden kann, um die Rohrleitungsdynamik, Strömungsfelder und grenznahe Strömungsspannungen zu erhalten. Durch die Verwendung dieser Technik können eingehendere Untersuchungen des 2-dimensionalen Strömungsfeldes in einer komplexen Umgebung, wie z. B. der um eine vibrierende Pipeline, durchgeführt werden, um den damit verbundenen ausgeklügelten Scheuermechanismus besser zu verstehen.

Introduction

Unterwasser-Pipelines werden häufig in Offshore-Umgebungen für die Förderung von Flüssig- oder Kohlenwasserstoffprodukten eingesetzt. Wenn eine Pipeline auf einem erodierbaren Meeresboden platziert wird, wird sich aufgrund der Wellen, Ströme oder dynamischen Bewegungen der Pipeline selbst (Zwangsschwingung oder Wirbel-induzierte Schwingung) wahrscheinlich ein Scheuerloch um die Pipeline bilden1,2. Um das Verständnis des Scheuermechanismus um eine Unterwasser-Pipeline zu verbessern, sind neben der Messungen der Scheuerbohrung Dimension1,2,3,4,5,6,7. In einer Umgebung, in der die Bettscherung und normale Spannungen extrem schwer zu bestimmen sind, weil das Strömungsfeld unbeständig ist und die untere Grenze rau ist, könnten gemessene unmittelbare Grenzspannungen (bei ca. 2 mm über der Grenze) als Ersatzverwendet 8,9. In den letzten Jahrzehnten wurde die Suche nach einer vibrierenden Pipeline untersucht und veröffentlicht, ohne die Werte der anspruchsvollen Strömungsfelder um die Pipeline innerhalb des Scheuerlochs3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Daher besteht das Ziel dieses Methodenpapiers darin, ein neuartiges experimentelles Protokoll zur Visualisierung der detaillierten Strömungsfelder bereitzustellen und die grenznahe Scherung und die normalen Spannungen innerhalb eines Gleichgewichtsgeißlochs zu bestimmen, das durch eine erzwungene vibrierende Rohrleitung induziert wird. Es sollte beachtet werden, dass sich der Interaktionsprozess zwischen Pipeline und Fluid-Meeresboden in dieser Studie in einer stillen Wasserumgebung befindet und nicht in einer Umgebung mit unidirektionalen Strömungen und Wellen.

Diese experimentelle Methode besteht aus zwei wichtigen Komponenten, nämlich (1) Simulation von Rohrleitungsschwingungen (zwangs) Schwingungen; und (2) Messungen der Strömungsfelder um die Rohrleitung herum. In der ersten Komponente wurde die vibrationsende Rohrleitung in einem experimentellen Flume mit einem Vibrationssystem simuliert, das über einen Servomotor, zwei Verbindungsfedern und Rohrleitungsstützrahmen verfügt. Verschiedene Schwingungsfrequenzen und Amplituden können simuliert werden, indem die Motordrehzahl und die Position der Verbindungsfedern eingestellt werden. In der zweiten Komponente wurden die zeitaufgelöste Partikelbild-Velocimetrie (PIV) und Die Wavelet-Transformationstechniken übernommen, um daten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in verschiedenen Pipeline-Schwingungsphasen zu erhalten. Das zeitaufgelöste PIV-System besteht aus einem kontinuierlichen Wellenlaser, einer Hochgeschwindigkeitskamera, Säpartikeln und Kreuzkorrelationsalgorithmen. Obwohl PIV-Techniken weit verbreitet sind, um stetige turbulente Strömungsfelder zu erhalten19,20,21,22,23,24,25, Anwendungen unter komplexen unbeständigen Strömungsfeldbedingungen, wie z. B. Bei Rohrleitungs-Fluid-Seeboden-Wechselwirkungen, sind relativ begrenzt8,9,26,27. Der Grund dafür ist wahrscheinlich, dass der herkömmliche Einzeitintervall-Kreuzkorrelationsalgorithmus von PIV-Techniken nicht in der Lage ist, die Strömungs-Features in unsicheren Strömungsfeldern, in denen ein relativ hoher Geschwindigkeitsgradient vorhanden ist, genau zu erfassen9, 20. Die in diesem Dokument beschriebene Methode kann dieses Problem mithilfe desKreuzkorrelationsalgorithmus 9,28mit mehreren Zeitintervallen lösen.

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Protocol

1. Laborsicherheitsprüfung

  1. Überprüfen Sie die Sicherheitsvorschriften für den Einsatz des Laser- und Flume-Systems.
  2. Stellen Sie sicher, dass die Sicherheitsanforderungen des Labors erfüllt sind.
    HINWEIS: In diesem Experiment wird ein Satz von 5W Luftkühlung kontinuierlichen Wellenlaser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einem glasseitigen geraden Flume (Abbildung 1) mit Abmessungen von 11 m Länge, 0,6 m Breite und 0,6 m Tiefe verwendet. Die grundlegenden Sicherheitsempfehlungen für diese beiden Geräte lauten wie folgt:
    1. Überprüfen Sie die potentiellen Reflexionsflächen in der Lasersichtlinie vor der Prüfung; Schutzbrille beim Betrieb des Lasergeräts tragen.
    2. Vermeiden Sie es, während der Experimente Augen auf der Ebene des Laserstrahls zu haben, und achten Sie beim Umgang mit optischen Elementen oder reflektierenden Werkzeugen auf reflektierte Laserlichter.
    3. Stellen Sie sicher, dass der Wasserschlauch nicht abfällt und immer kein Wasser aus dem Rauch überfließt.

2. Flume und Meeresboden Modell-Setup

  1. Bereiten Sie das erodierbare Meeresbodenmodell in der Mitte des Flusses vor.
    ANMERKUNG: Das in dieser Studie verwendete Sedimentmaterial war ein gleichmäßig verteilter mittlerer Sand mit einer mittleren Korngröße d50 = 0,45 mm, einer relativen untergetauchten Partikeldichte = 1,65 und einer geometrischen Standardabweichungvon g = 1,30.
  2. Kompakt und ebnen Sie den Meeresboden mit einem Sandnivellierer.
  3. Füllen Sie den Rauch langsam mit einem Wasserschlauch und stellen Sie sicher, dass eine flache Meeresbodenoberfläche während des Füllvorgangs intakt ist; beenden Sie die Füllung, wenn der Wasserstand eine Tiefe von 0,4 m über dem Meeresboden erreicht hat.
  4. Löschen Sie die Flausch-Top-Plattform und Glas für die Einrichtung des Rohrleitungsmodells und des PIV-Systems.

3. Rohrleitungsmodell und Vibrationssystem-Setup

  1. Verwenden Sie ein vorgefertigtes Rohrleitungsmodell in Form eines Acrylzylinders mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Länge von 0,56 m.
  2. Montieren Sie das Rohrleitungsmodell auf einem Aluminium-Stützrahmen, der wiederum durch zwei Federn mit einem beweglichen Pol an einem anderen festen Rahmen verbunden ist, der auf den oberen Schienen des Flumes verriegelt ist, wie in Abbildung 2dargestellt. Befestigen Sie den Stützrahmen innerhalb des festen Rahmens, indem Sie vier Lager verwenden, um sicherzustellen, dass der Stützrahmen nur entlang der vertikalen Richtung frei vibrieren konnte (Abbildung 2).
  3. Verwenden Sie eine Verbindungsstange, um den beweglichen Pol an einen Servomotor zu binden, der oben auf dem festen Rahmen montiert ist. In dieser Studie beträgt das Gewicht des montierten Vibrationssystems, einschließlich des Rohrleitungsmodells und der Aluminiumrahmen,1,445 kg, was ein äquivalentes Massenverhältnis (m *) von 2,682 aufweist; eine Natürliche Frequenz (fN) von 0,82 Hz; dämpfungsverhältnis (n) von 0,124.
  4. Passen Sie den beweglichen Pol und den Stützrahmen an, um ein bestimmtes Spaltverhältnis zwischen Rohrleitung und Meeresboden zu erhalten.  In dieser Studie, G/D =1, wobei G der vertikale Abstand zwischen dem Boden der Pipeline und der ursprünglichen Meeresbodenoberfläche ist; und D ist der Rohrleitungsdurchmesser.
  5. Schalten Sie den Servomotor ein, um eine erzwungene Vibration an der Rohrleitung auszulösen; stellen Sie die Stützrahmen und vier Lager ein, um sicherzustellen, dass sich die Schwingung der Rohrleitung in vertikaler Richtung befindet. Schalten Sie den Servomotor aus, wenn die Einstellungen der Stützrahmen abgeschlossen sind.
  6. Kompakt und ebnen Sie den Meeresboden wieder, bevor Sie das Experiment ausführen, wenn das Meeresbodenmodell in 3.5 gestört wird.

4. PIV-Einrichtung

  1. Legen Sie das Lasergerät auf die Oberseite des Flumes und installieren Sie die Laserblechformoptik.
  2. Schalten Sie das Lasergerät ein und passen Sie die Laserblechformoptik so an, dass sich ein beleuchtetes Flachblech im Interessenfeld bildet.
    HINWEIS: In dieser Studie ist die beleuchtete grüne Laserplatte 1,5 mm dick, parallel zu den Flauschglaswänden und wird entlang der Mittellinie des Rauchwassers nach unten ins Wasser geworfen. Das Interessengebiet dieser Studie bezieht sich auf den Interaktionsbereich des Pipeline-Fluid-Meeresbodens und ist auf die rechte Seite der Pipeline beschränkt. Der Schatten der Pipeline wird auf der linken Seite der Pipeline zu sehen sein.
  3. Richten Sie die Hochgeschwindigkeitskamera ein.
    HINWEIS: Für diese Studie wird eine Hochgeschwindigkeitskamera mit 12-Gigabyte-Speicher und einer maximalen Auflösung von 2,3 Mpx (1920 x 1200) verwendet (z. B. Phantom Miro LAB 320). Die detaillierten Arbeitsabläufe sind wie folgt:
    1. Montieren Sie das Objektiv mit entsprechender Brennweite an der Hochgeschwindigkeitskamera. Schrauben Sie die Hochgeschwindigkeitskamera auf ein höhenverstellbares Stativ; passen Sie die Kamera an die Ebene des Beobachtungsbereichs mit ihrer Achse senkrecht zum beleuchteten Laserblatt an.
      HINWEIS: Diese Studie verwendet ein 60-mm-Primobjektiv mit einer maximalen Blende von f/2.8.
    2. Schließen Sie die Kamera über ein Ethernet-Kabel an den Computer an und schalten Sie die Kamerasteuerungssoftware ein (z. B. Phantom PCC 2.6); schalten Sie die Kamera ein und schließen Sie sie an den Computer in der Software-Schnittstelle zur Kamerasteuerung an.
    3. Passen Sie das Stativ an, um sicherzustellen, dass das Sichtfeld der Kamera den Interaktionsbereich Pipeline-Fluid-Seeboden abdeckt; nivellieren Sie die Kamera mit der eingebauten Blasenebene auf dem Stativ; Den Fokusring auf die Linse einstellen, um sicherzustellen, dass das Laserblech auf der Brennebene klar ist.

5. Experimentelle Setup-Optimierung und Kalibrierung

  1. Fügen Sie PIV-Saatpartikel in den Testabschnitt des Flumes ein.
    ANMERKUNG: Bei den in dieser Studie verwendeten Säpartikeln handelte es sich um Aluminiumpulver mit einem Durchmesser von 10 m und einer spezifischen Dichte von 2,7.
  2. Verbessern Sie bei Bedarf die Lichtintensität des Laserblechs.
  3. Überprüfen Sie den Fokus der Kamera, indem Sie die beleuchteten Säpartikel auf dem Laserblatt durch eine Live-Kameraansicht auf dem Computer beobachten; Feinabstimmung des Fokusrings, falls erforderlich, um sicherzustellen, dass die Säpartikel scharf und fokussiert sind.
  4. Platzieren Sie ein Kalibrierlineal innerhalb des Sichtfelds auf der Ebene des Laserblatts, und erfassen Sie ein Kalibrierbild.
    HINWEIS: Die angenommene Auflösung des Bildes in dieser Studie betrug 1600 x 1200 Pixel.
  5. Wählen Sie eine ordnungsgemäße Abtastrate für die Datenerfassung aus.
    HINWEIS: Die gewählte Abtastrate sollte sicherstellen, dass die Saatpartikelverschiebung innerhalb eines Bildpaares weniger als 50 % der maximalen Verhörfensterlänge beträgt. In dieser Studie beträgt die maximale Verhörfenstergröße 32 x 32 Pixel und die angenommene Abtastrate 200 Bilder pro Sekunde.
  6. Schalten Sie den Laser und die Kamera aus, wenn die Schritte 5.1-5.5 abgeschlossen sind.

6. Ausführen des Experiments und der Datenerfassung

  1. Legen Sie eine transparente Acrylplatte (20 mm dick) unter die Laserquelle und auf die Wasseroberfläche, um Wasseroberflächenschwankungen zu unterdrücken und einen ruhigen optischen Zugang für das Laserlicht zu gewährleisten.
  2. Schalten Sie den Servomotor ein, um erzwungene Vibrationen am Rohrleitungsmodell auszulösen.
    HINWEIS: In dieser Studie ist die induzierte Frequenz des Servomotors f0 = 0,3 Hz.
  3. Halten Sie das Vibrationssystem für (t =)1440 min am Laufen, um ein Quasi-Gleichgewichts-Scheuerloch unter der vibrierenden Rohrleitung zu erhalten.
  4. Schalten Sie den Laser ein und passen Sie die Ausgangsleistung an die optimierte Intensität an. Schalten Sie die Kamera- und Kamerasteuerungssoftware ein und wenden Sie die kalibrierten Einstellungen auf die Kamera an. Schalten Sie die Hintergrundbeleuchtung im Labor aus.
  5. Beginnen Sie mit der Aufzeichnung des partikelbeladenen Flussfeldbildes mit der in 5.6 ausgewählten Abtastrate, indem Sie in der Softwaresteuerungssoftware der Kamerasoftware auf Capture Bottom klicken.
    HINWEIS: Für jede einzelne Aufnahme in dieser Studie ermöglicht der Kameraspeicher die Aufnahme von 1.000 Bildern.
  6. Überprüfen Sie nach Abschluss der Datenerfassung die aufgezeichnete Bildqualität, und überprüfen Sie, ob die Partikeldichte pro Abfragefenster (32 x 32 Pixel) größer als 8 ist. Speichern Sie die aufgezeichnete Datei, wenn sie erfüllt ist, andernfalls wird die Saatdichte erhöht, indem langsam Sälösungen in den Beobachtungsbereich injiziert und die Schritte 6.3-6.5 wiederholt werden.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 6.3-6.5, um weitere Datensätze zu sammeln.
    HINWEIS: Für diese Studie wurden mehr als 20.000 Bilder aufgenommen, um sicherzustellen, dass genügend Rohdaten für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeiten, Wirbel, Turbulenzen und grenznahen Spannungen gewonnen werden.
  8. Schalten Sie das Lasergerät, die Kamera und den Servermotor aus, wenn alle Datensammlungen abgeschlossen sind. die Hintergrundbeleuchtung im Labor einschalten.

7. Datenverarbeitung

  1. Öffnen Sie die Software; Klicken Sie auf die Schaltfläche Ordner Datei auf der Symbolleiste, und laden Sie das Inschritt 5.4 aufgenommene Kalibrierungsbild.
    HINWEIS: Verwenden Sie das Datenverarbeitungsprogramm für die Pipelineverschiebungsverfolgungs- und Durchflussfeldberechnungssoftware (z. B. PISIOU).
  2. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf die Schaltfläche Setup skalieren. messen Sie einen bekannten Abstand auf dem Kalibrierbild, um den Maßstab des Bildes zu berechnen.
    HINWEIS: Die berechnete Bildskala betrug 0,1694 mm/Pixel.
  3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ursprung auf der Symbolleiste. legen Sie den Ursprung der Koordinaten für jedes Bild fest.
  4. Extrahieren Sie die Verschiebungszeitreihen der vibrierenden Pipeline aus den aufgezeichneten Bildern.
    1. Laden Sie die rohen Bilder, die in Schritt 6 aufgenommen wurden. Klicken Sie dann auf das Parameter-Bedienfeld, geben Sie die Anzahl der Datendateien und die Abtastrate ein.
    2. Wenden Sie den Tiefpassfilter im Menü Bildfilter an.
      HINWEIS: Mit diesem Vorgang kann der Rand der Pipeline (Ziel verfolgt) auf den verarbeiteten Bildern leicht erkannt werden (siehe Abbildung 3a).
    3. Klicken Sie in der Symbolleiste auf das PTV-Modul. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Ablaufverfolgungspunkt, und wählen Sie den Mittelpunkt der Pipeline aus. Wechseln Sie zu PTV-Tools, passen Sie Gamma, Light Gate und Median Filter an, um die Pipeline-Umrisslinie im Bild herauszufiltern. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf die Schaltfläche Objektverfolgung. wählen Sie den Zielbereich (d. h. die Pipeline) auf dem verarbeiteten Bild aus, und verfolgen Sie die Verschiebung der vibrierenden Pipeline aus aufeinanderfolgenden verarbeiteten Bildern; erfassen Sie die Verschiebungszeitreihen , (t), der vibrierenden Rohrleitung für nachfolgende Strömungsfelddatenprozesse (siehe Abbildung 4).
    4. Exportieren und speichern Sie die Pipelineverschiebungsdaten für weitere Berechnungen.
  5. Bestimmen Sie die Momentangeschwindigkeitsfelder aus den aufgezeichneten Bildern.
    1. Wechseln Sie zu PTV-Tools, klicken Sie auf Standardtaste, um das Rohbild für die nachfolgende PIV-Analyse fortzusetzen. Deaktivieren Sie das PTV-Modul, indem Sie auf das PTV-Modulklicken. Öffnen Sie das Parameterbedienfeld auf der Symbolleiste. geben Sie den Berechnungsparameter für Geschwindigkeitsvektoren an.
      ANMERKUNG: In dieser Studie wird ein Multi-Pass-Iterationsprozess als Abfragefenster übernommen, die von 32 x 32 Pixeln ausgingen, dann mit 16 x 16 Pixeln übergeben und mit 8 x 8 Pixeln endeten; Alle Durchläufe verwenden eine 50%ige Überlappung zwischen benachbarten Unterfenstern.
    2. Wenden Sie die Laplacian-Filterfunktion im Bildfiltermenü auf die Rohbilder an, um die Säpartikel hervorzuheben und unerwünschtes Streulicht herauszufiltern (siehe Abbildung 3c).
    3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Begrenzung auf der Symbolleiste, und legen Sie die geometrische Maske auf den Bildern fest, um den Meeresbodenbereich für die weitere Berechnung auszuschließen. Klicken Sie auf Die Schaltfläche Grenzspeichern, um die Begrenzungsdaten zu speichern.
    4. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf die Schaltfläche Ausführen, um die Momentangeschwindigkeitsfelder für verschiedene Vibrationsphasen mithilfe der Kreuzkorrelationsmethode zu berechnen.
      ANMERKUNG: In dieser Studie wird ein Mehrzeitintervallalgorithmus verwendet, um den Verzerrungsfehler aufgrund eines hohen Geschwindigkeitsgradienten im Strömungsfeld zu reduzieren (siehe Abbildung 5). Die angenommenen Mehrzeitintervalle für Kreuzkorrelationsberechnungen betragent, t,t , 9t und 21t (t = 5 ms). Das zufriedenstellende Korrelationskriterium liegt bei über 70 %.
    5. Exportieren und speichern Sie die Daten der Instant-Geschwindigkeitsfelder für die weitere Analyse.
  6. Bestimmen Sie die phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder aus den berechneten Momentgeschwindigkeitsfeldern mit dem Algorithmus, wie in Newland 199429,30 und Hsieh 200828beschrieben.
    HINWEIS: Die Berechnungsverfahren für diesen Schritt werden wie folgt beschrieben:
    1. Wenden Sie die Wavelet-Transformationsfunktion auf die Verschiebungszeitreihe (t) der vibrierenden Rohrleitung an, um die momentane Phase für jedes Momentane-Geschwindigkeitsfeld zu erhalten. Die Wavelet-Transformationsfunktion ist definiert als:
      Equation 1(1)
      wobei w-Wert der Wellen-Koeffizient ist; die Maßstabs- bzw. Übersetzungsparameter sind; die Funktion ist die Morlet-Funktion Equation 2 und wird als berechnet; das Hochgestellte "*" bezeichnet das komplexe Konjugat. Die momentanen Phasen der vibrierenden Rohrleitung, die den verschiedenen Rohrleitungsverschiebungen entsprechen, können berechnet werden aus:
      Equation 3(2)
    2. Durchschnitten Sie die Momentangeschwindigkeitsfelder mit derselben Phase, um die phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder zu erhalten.
    3. Bestimmen Sie die Strömungsvortizität,2, in den berechneten phasengemittelten Geschwindigkeitsfeldern aus:
      Equation 4(3)
      wobei Equation 5 Equation v und sind phasengemittelte Geschwindigkeiten entlang x- und y-Richtungen.
  7. Laden Sie die berechneten phasengemittelten Geschwindigkeits- und Wirbeldaten zur Visualisierung in die Tecplot-Software.
  8. Bestimmen Sie die Grenznahspannung und die Normalspannungen aus den berechneten Momentgeschwindigkeitsfeldern mit dem Algorithmus, wie in Hsieh et al. 2016 9beschrieben. Die Berechnungsverfahren für diesen Schritt werden wie folgt beschrieben:
    1. Extrahieren Sie die Grenzgeschwindigkeitsdaten (0-5 mm über dem Meeresboden) aus den berechneten phasengemittelten Geschwindigkeitsflussfeldern.
    2. Berechnen Sie die grenznahen Scherspannungen, ts und normalspannungen, tn, entlang des Scheuerprofils (ca. 2 mm über der Scheuerlochgrenze) für verschiedene Phasen innerhalb eines Vibrationszyklus. Anmerkung: Die Berechnungsgleichungen lauten wie folgt:
      Equation 7, Equation 8 (4)
      wobei , n = dynamische Viskosität der Flüssigkeit (hier in der Als 1-10-3 Pas) aufgenommen; up = Grenzgeschwindigkeit parallel zum Bett; un = Grenzgeschwindigkeit senkrecht zum Bett; n = normaler Abstand vom Bett.
  9. Laden Sie die berechneten Grenznahrist- und Normalspannungendaten in eine Software (z.B. Tecplot) zur Visualisierung.

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Representative Results

Ein Beispiel für den Vergleich zwischen dem Rohbild und dem verarbeiteten Bild der Pipelineverschiebungsverfolgung und der sofortigen Geschwindigkeitsberechnung ist in Abbildung 3dargestellt. Wie in Abbildung 3bdargestellt, werden die Säpartikel und das Rauschen im Rohbild herausgefiltert und die glänzende Rohrleitungskante beibehalten, um die Verschiebungszeitreihen zu erhalten. Wie in den Abbildungen 3cdargestellt, werden Lichtstreuungen/Reflexionen um die Säpartikel, die Rohrleitungskante und die Meeresbodenoberfläche durch den Laplacian-Filter herausgefiltert. Ein Beispiel für die Verschiebungszeitreihen der vibrierenden Rohrleitung ist in Abbildung 4dargestellt. Die Schwingung der Rohrleitung ist fast sinusförmig, und die Vibrationsfrequenz und Amplitude sind 0,3 Hz bzw. 50 mm.

Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für das Bild des Quasi-Gleichgewichts-Scheuerprofils und der vibrationsschwingenden Rohrleitung bei t = 1440 min, in dem der Ursprung der Koordinate (x-O-y) dieser Studie am Schnittpunkt der originale Meeresbodenoberfläche und die vertikale Mittellinie der Rohrleitung. Wie in Abbildung 6dargestellt, können neben den Säpartikeln nur sehr wenige Schwebesedimentpartikel im Fluss beobachtet werden; Daher wurde die Rohbildqualität nicht beeinträchtigt. Dies deutet auch darauf hin, dass eine Quasi-Gleichgewichtsphase für den Pipeline-Scour-Prozess erreicht wurde.

Beispiele für das visualisierte phasengemittelte Geschwindigkeitsfeld und die Wirbeldynamik sind in Abbildung 7dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Bereich auf der linken Seite der Pipeline aufgrund des Schattens der Pipeline während der PIV-Messungen keine Daten enthält (siehe Unterplots in Abbildung 7). Wie in Abbildung 7dargestellt, werden neun diskrete Phasen des Strömungsfeldes innerhalb eines Schwingungszyklus dargestellt. Während der Leitungsfallphasen (0 t0/T & lt; 0,5, wobei T die Schwingungsperiode und t0 die Zeit von 0 bis Tvariiert), wird aus der Schere ein Wirbelpaar mit symmetrischen Mustern erzeugt. Schichten auf beiden Seiten der vibrierenden Rohrleitung. Unmittelbar nachdem die Pipeline den Scheuergrabenboden erreicht hat (t0/T = 4/8), wird der Wirbel gegen den Uhrzeigersinn verzerrt und in den Scheuergraben gesaugt, wenn die Pipeline aus dem Meeresboden steigt. Für den Zeitraum der aufsteigenden Phasen der Rohrleitung (0,5 x t0/T < 1) wird ein weiteres Wirbelpaar mit entgegengesetzten Drehrichtungen zu denen in der absteigenden Phase symmetrisch um den oberen Rand der Rohrleitung erzeugt. Zur besseren Beobachtung der Strömungsdynamik in Abbildung 7wird ein entsprechendes Video (Video 1) aus 72 Phasen (Rahmen) von Strömungsfeldern für einen Zyklus von Rohrleitungsschwingungen zur Verfügung gestellt.

Ein Beispiel für die grenznahen Scherspannungen, Ts und normalspannungen, Tn Evolution entlang des Scheuerprofils innerhalb eines Vibrationszyklus ist in Abbildung 8dargestellt. Da das Strömungsfeld um die y-Achse symmetrisch ist, sind die in dieser Studie dargestellten Grenzscherspannungen und Normalspannungen auf die rechte Hälfte des Scheuerprofils (0 < x < 5) beschränkt. Wie in Abbildung 8dargestellt, werden diese beiden Spannungen durch den Wert der kritischen Bettscherspannung T c (aus der Schildkurve als 0,243 Pa) der Sandpartikel auf einem Ebenenbettzustand normalisiert. Die absoluten Werte von Ts und Tn innerhalb des Scheuergrabens und unter der vibrierenden Rohrleitung nehmen deutlich zu, wenn die Pipeline auf das Bett fällt oder vom Bett aufsteigt. Die Bereiche, in denen Ts und Tn die Maximal- und Minimalwerte aufweisen, stimmen mit der Entwicklung der Strömungsfelder zwischen der vibrierenden Rohrleitung und der Scheuergrenze überein, wie in Abbildung 7dargestellt.

Figure 1
Abbildung 1 : Schemat des experimentellen Flumes. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2 : Schematic des Rohrleitungsmodells und des Aufbaus des Vibrationssystems. (a) Schnittansicht, (b) Seitenansicht. Diese Zahl wurde von8geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3 : Beispiel für den Vergleich zwischen rohen und verarbeiteten Bildern. (a) das Rohbild, (b) das verarbeitete Bild für die Pipelineverschiebungsverfolgung und (c) das verarbeitete Bild für die sofortige Geschwindigkeitsberechnung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4 : Beispiel für die Verschiebungszeitreihen der vibrierenden Rohrleitung bei t = 1440 min . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5 : Vergleich zwischen Einzeit- und Mehrzeitintervall-Kreuzkorrelationsalgorithmus. Diese Zahl wird von9reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6 : Beispielbild des Quasi-Gleichgewichts-Scheuerprofils bei t = 1440 min. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7 : Beispiele für visualisiertephasengemittelte Geschwindigkeitsfeld- und Wirbeldynamik. Diese Zahl wird von8reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8 : Beispiel für Die Entwicklung von ts und tn entlang des Scheuerprofils innerhalb eines Vibrationszyklus. Die Touchdown- und Liftoff-Zeiten beziehen sich auf die Zeiten, in denen der Boden der Pipeline nur berührt und aus der Scheuerlochgrenze aufsteigt. Diese Zahl wird von8reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Video 1
Video 1: Flussfeldentwicklung um die vibrierende Rohrleitung innerhalb des Gleichgewichts-Scheuerlochs. Das Video besteht aus 72 Phasen (Frames) von Strömungsfeldern für einen Zyklus von Rohrleitungsschwingungen. Dieses Video wird von8reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzuzeigen. (Rechtsklick zum Download.)

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Discussion

Das in diesem Beitrag vorgestellte Protokoll beschreibt eine Methode zur Visualisierung der zweidimensionalen Strömungsfelder und zur Bestimmung der grenznahen Strömungsspannungsfelder um eine erzwungene vibrierende Rohrleitung in einem Gleichgewichtsgeißel mit den PIV-Techniken. Da die entworfene Rohrleitungsbewegung entlang der y-Richtung eindimensional ist, sind die Vorbereitung und Anpassung des Rohrleitungsmodells und des Schwingungssystems zur Erfüllung dieses Ziels entscheidende Voraussetzungen für ein erfolgreiches Ergebnis. Unerwünschte Bewegungen der Rohrleitung entlang der x-Richtung können asymmetrische Strömungsfelder induzieren und die Lochbildung um die vibrierende Rohrleitung herum durchkämmen. Neben den Apparatureffekten ist die Auswahl der Schwingungsfrequenz und Amplitude der Rohrleitung für die Experimente auch wichtig, um ein symmetrisches Strömungsfeld um die Rohrleitung herum zu induzieren. Tatsächlich zeigten Lin et al.31 in einem stillen Wasserzustand, dass die Struktur der Strömungsrückführung hinter einem impulsiv gestarteten Kreiszylinder seine Symmetrie beibehalten kann, wenn die nichtdimensionale Zeit TD = tDU D/D < 5, wobei tD = Zylinderbewegungszeit; und UD = Zylinderdrehzahl. Für den Zustand, wenn TD > 5, kann die schräge Wirbelvergießung um den Zylinder auftreten. In dieser Studie kann die maximale Rohrleitungsgeschwindigkeit als 2 x • A0geschätzt werden, und die Zylinderbewegungszeit kann als 1/2 , so dass die maximale nicht-dimensionale Zeit TD = A0/D = 4,48.

Während der PIV-Einrichtung sind die Laserblech- und Kameraeinstellungen sowie die Saatpartikelauswahl die entscheidenden Protokollschritte, um qualitativ hochwertige Durchflussfelddaten zu erhalten. Die Aufnahmerichtung der Kamera muss senkrecht zum Laserblatt sein, sonst werden in den aufgenommenen Bildern perspektivische Verzerrungen angezeigt. Da diese Methode darauf abzielt, die grenznahen Strömungsspannungen in einem unbeständigen Strömungsfeld zu erhalten, sollten die Intensität des Lasers und die Position des Sichtfeldes richtig eingestellt werden, um eine starke Lichtreflexion der Grenze zu vermeiden. Die gewählten Säpartikel müssen das leuchtende Laserblech effektiv streuen und in der Lage sein, die Strömungsstromlinien ohne übermäßige Ansiedlung zu verfolgen20. Basierend auf dieser Überlegung handelte es sich bei den in dieser Studie verwendeten Säpartikeln um Aluminiumpulver, deren Setzgeschwindigkeit auf 92,6 mm/s nach Stokes Gesetz geschätzt wurde. Diese Sollgeschwindigkeit ist im Vergleich zu den Strömungsgeschwindigkeiten (0,1-0,2 m/s) in der Nähe der vibrierenden Rohrleitung vernachlässigbar. Zur Optimierung des Versuchsaufbaus sind die Überprüfung des Fokus der Kamera und die Bestimmung der Abtastrate der Kamera ebenfalls entscheidende Schritte für zuverlässige Messungen.

Für die Datenprozessphase gibt es zwei Herausforderungen für die Erzielung hochwertiger phasengemittelter Strömungsfelder und grenznaher Strömungsspannungen: (1) genaue Berechnung der Momentflussfelder und Vermeidung des Verschiebungsverzerrungsfehlers in den Strömungsbereichen mit einem großer Geschwindigkeitsgradient; und (2) die aufgenommenen Bilder mit der gleichen Vibrationsphase genau katalogisieren. Für die Berechnung der momentanen Durchflussfelder bestimmt die traditionelle PIV-Kreuzkorrelationsmethode 19 den Geschwindigkeitsvektor zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern mit einem festen Zeitintervallvon t (siehe Abbildung 5a). Diese herkömmliche Methode ist für diese Studie möglicherweise nicht geeignet, da das berechnete Strömungsfeld signifikante Verschiebungsverzerrungsfehler in der Nähe der vibrierenden Pipeline und der Meeresbodengrenzen aufweisen kann. Um dieses Problem zu lösen, wird in dieser Studie ein Algorithmus mit mehreren Zeitintervallen übernommen (siehe Abbildung 5b).  Mit dieser Methode werden Bildverhörs eisern auf verschiedenen Bildpaaren für unterschiedliche ausgewählte Intervalle wiederholt ausgeführt. Der Geschwindigkeitsvektor an jedem Rasterpunkt wird anhand der Schätzungen des geeigneten Zeitintervalls9,27,28bestimmt. Es sollte beachtet werden, dass bei der Verwendung dieser Methode die Rohbild-Datasets von einer zeitaufgelösten PIV mit einer Kamera mit hoher Abtastrate und kontinuierlichem Wellenlaser erfasst werden sollten. Um die zweite Herausforderung zu meistern, bietet dieses Papier eine Wavelet-Transformationstechnik. Durch Anwenden der Wavelet-Transformationsfunktion auf die Verschiebungszeitreihen der Pipeline kann die momentane Phase jedes erfassten Bildes genau berechnet werden. Diese Methode kann auch angewendet werden, um Wirbel-induzierte Schwingungsprozesse zu untersuchen, wie Pipeline-Vibrationen, die durch Asymmetriewirbel verursacht werden15,27,32.

Die wichtigsten Vorteile der in diesem Papier beschriebenen Strömungsmesstechnik sind eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung und die Fähigkeit, gleichzeitig die Pipelinedynamik, Strömungsfelder und grenznahe Durchflussspannungen zu erhalten. Durch den Einsatz dieser Technik können eingehendere Studien über Pipeline-Geißeln in komplexen Umgebungen durchgeführt werden, und der komplexe Mechanismus der Scheuer um die vibrierende Pipeline könnte besser verstanden werden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde vom Young Scientists Fund der National Natural Science Foundation of China (51709082) und den Fundamental Research Funds for the Central Universities (2018B13014) unterstützt.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Camera control software Vision Research Phantom PCC 2.6 Camera control, image data acquisition and processing
Camera lens Nikon Chiyoda Nikor  60mm, f=2.8 prime lens
Continuous wave laser  Beijing Laserwave optoelectronics technology co. ltd. PIV Laser source; Nd:YAG laser, 532 nm; air-cooling
High-speed camera Vision Research Phantom Miro LAB 320 Image data recording
Laser sheet forming optics  Thorlabs Inc Transform the point laser to a thin laser sheet
Pipeline model ZONCEPZ SOLUTIONS Acrylic cylinder with a diameter of 35 mm
Pipeline vibration system ZONCEPZ SOLUTIONS Consists of a sever motor, two connecting springs and pipeline supporting frames.
PIV calcuation software AXESEA Engineering Technology Limited Co. PISIOU Image data processing for obtaining flow fields and pipeline displacements
PIV seeding materials Shimakyu Aluminum powder with a diameter of 10um
Recirculating flume  SZU ENGINEERING PTE LTD Glass-sided, 11 m long, 0.6 m wide, and 0.6 m deep
Tri-pod MANFROTTO SKU MT190GOC4US 410 Camara supporting

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Umweltwissenschaften Ausgabe 150 Sedimenttransport lokale Geißel Durchflussmessungen Pipeline-Fluid-Seabed-Interaktion Partikelbild-Velocimetrie Mehrzeitintervall erzwungene Vibration Wellenwirbeltransformation
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Guan, D., Chiew, Y. M., Wei, M., Hsieh, S. C. Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole. J. Vis. Exp. (150), e59745, doi:10.3791/59745 (2019).

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