Visualisierung des Strömungsfeldes um eine vibrierende Pipeline innerhalb eines Gleichgewichts-Scour-Lochs
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 120 | 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 |
Riferimenti
- Fredsøe, J. Pipeline-seabed interaction. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (6), 03116002 (2016).
- Larsen, B. E., Fuhrman, D. R., Sumer, B. M. Simulation of wave-plus-current scour beneath submarine pipelines. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (5), 04016003 (2016).
- Chiew, Y. Mechanics of local scour around submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 116 (4), 515-529 (1990).
- Chiew, Y. Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 117 (4), 452-466 (1991).
- Gao, F. -. P., Yang, B., Wu, Y. -. X., Yan, S. -. M. Steady current induced seabed scour around a vibrating pipeline. Applied Ocean Research. 28 (5), 291-298 (2006).
- Wu, Y., Chiew, Y. Mechanics of three-dimensional pipeline scour in unidirectional steady current. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice. 4 (1), 3-10 (2013).
- Zhu, Y., Xie, L., Su, T. -. C. Visualization tests on scour rates below pipelines in steady currents. Journal of Hydraulic Engineering. 145 (4), 04019005 (2019).
- Guan, D., Hsieh, S. -. C., Chiew, Y. -. M., Low, Y. M. Experimental study of scour around a forced vibrating pipeline in quiescent water. Coastal Engineering. 143, 1-11 (2019).
- Hsieh, S. -. C., Low, Y. M., Chiew, Y. -. M. Flow characteristics around a circular cylinder subjected to vortex-induced vibration near a plane boundary. Journal of Fluids and Structures. 65, 257-277 (2016).
- Sumer, B., Fredsøe, J. Scour below pipelines in waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 116 (3), 307-323 (1990).
- Sumer, B. M., Fredsøe, J., Gravesen, H., Bruschi, R. Response of marine pipelines in scour trenches. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 115 (4), 477-496 (1989).
- Çevik, E., Yüksel, Y. Scour under submarine pipelines in waves in shoaling conditions. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 125 (1), 9-19 (1999).
- Sumer, B. M., Truelsen, C., Sichmann, T., Fredsøe, J. Onset of scour below pipelines and self-burial. Coastal Engineering. 42 (4), 313-335 (2001).
- Li, F., Cheng, L. Prediction of lee-wake scouring of pipelines in currents. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 127 (2), 106-112 (2001).
- Yang, B., Gao, F. -. P., Jeng, D. -. S., Wu, Y. -. X. Experimental study of vortex-induced vibrations of a pipeline near an erodible sandy seabed. Ocean Engineering. 35 (3), 301-309 (2008).
- Zhao, M., Cheng, L. Numerical investigation of local scour below a vibrating pipeline under steady currents. Coastal Engineering. 57 (4), 397-406 (2010).
- Fu, S., Xu, Y., Chen, Y. Seabed effects on the hydrodynamics of a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration at high reynolds number. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 140 (3), 04014008 (2014).
- Guo, Z., Jeng, D. -. S., Zhao, H., Guo, W., Wang, L. Effect of seepage flow on sediment incipient motion around a free spanning pipeline. Coastal Engineering. 143, 50-62 (2019).
- Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. . Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).
- Piirto, M., Saarenrinne, P., Eloranta, H., Karvinen, R. Measuring turbulence energy with piv in a backward-facing step flow. Experiments in Fluids. 35 (3), 219-236 (2003).
- Guan, D., Chiew, Y. -. M., Wei, M., Hsieh, S. -. C. Characterization of horseshoe vortex in a developing scour hole at a cylindrical bridge pier. International Journal of Sediment Research. , (2018).
- Guan, D., Agarwal, P., Chiew, Y. -. M. Quadrant analysis of turbulence in a rectangular cavity with large aspect ratios. Journal of Hydraulic Engineering. 144 (7), 04018035 (2018).
- Kim, J. -. T., Kim, D., Liberzon, A., Chamorro, L. P. Three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications: Case of a jet flow. Journal of Visualized Experiments. (108), e53745 (2016).
- Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. (76), e50559 (2013).
- Lin, W. -. J., Lin, C., Hsieh, S. -. C., Dey, S. Flow characteristics around a circular cylinder placed horizontally above a plane boundary. Journal of Engineering Mechanics. 135 (7), 697-716 (2009).
- Hsieh, S. -. C., Low, Y. M., Chiew, Y. -. M. Flow characteristics around a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration in the initial branch. Ocean Engineering. 129, 265-278 (2017).
- Hsieh, S. -. C. Establishment of high time-resolved piv system with application to the characteristics of a near wake flow behind a circular cylinder. National Chung Hsing University. , (2008).
- Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 1-theory. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 409-416 (1994).
- Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 2-wavelet maps. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 417-425 (1994).
- Lin, C., Hsieh, S. -. C., Lin, W. -. J., Raikar, R. V. Characteristics of recirculation zone structure behind an impulsively started circular cylinder. Journal of Engineering Mechanics. 138 (2), 184-198 (2012).
- Sarpkaya, T. A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations. Journal of Fluids and Structures. 19 (4), 389-447 (2004).
