Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Visualización del campo de flujo alrededor de una tubería vibratoria dentro de un agujero de barrido de equilibrio

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

El objetivo del protocolo es permitir la visualización de los campos de flujo detallados y la determinación de la cizalladura cercana al límite y las tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria.

Abstract

En este documento se presenta un método experimental para facilitar la visualización de los campos de flujo detallados y la determinación de la cizalladura casi límite y las tensiones normales dentro de un orificio de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria. Este método implica la implementación de un sistema de vibración de tuberías en un flujo recto, un sistema de velocimetría de imagen de partículas (PIV) resuelto en el tiempo para el seguimiento del desplazamiento de la tubería y mediciones de campos de flujo. Las series temporales de desplazamiento de la canalización vibratoria se obtienen mediante los algoritmos de correlación cruzada. Se describen los pasos para procesar imágenes con partículas crudas cargados obtenidos mediante el PIV resuelto en el tiempo. Los campos de flujo instantáneodetallados alrededor de la tubería vibratoria en diferentes fases vibratorias se calculan mediante el uso de un algoritmo de correlación cruzada de intervalo de tiempo múltiple para evitar el error de sesgo de desplazamiento en las regiones de flujo con un gradiente de velocidad grande . Al aplicar la técnica de transformación de la leta de onda, las imágenes capturadas que tienen la misma fase vibratoria se catalogan con precisión antes de obtener los campos de velocidad promediados por fase. Las principales ventajas de la técnica de medición de flujo descrita en este documento son que tiene una resolución temporal y espacial muy alta y se puede utilizar simultáneamente para obtener la dinámica de tubería, los campos de flujo y las tensiones de flujo casi límite. Mediante el uso de esta técnica, se pueden realizar estudios más detallados del campo de flujo de 2 dimensiones en un entorno complejo, como el que rodea una tubería vibratoria, para comprender mejor el sofisticado mecanismo de escariado asociado.

Introduction

Las tuberías submarinas se utilizan ampliamente en entornos offshore con el propósito de transportar productos fluidos o hidrocarbonos. Cuando se coloca una tubería en un fondo marino erosionable, es probable que se forme un agujero alrededor de la tubería debido a las ondas, corrientes o movimientos dinámicos de la propia tubería (vibración forzada o vibración inducida por vórtice)1,2. Para mejorar la comprensión del mecanismo de escudería alrededor de una tubería submarina, las mediciones de los campos de flujo turbulento y las estimaciones de la cizalla duradel lecho y las tensiones normales dentro de la región de interacción entre los fluidos y los fondos marinos son esenciales medidas del orificio de escarcha dimensión1,2,3 ,4,5,6,7. En un entorno donde la cizalladura del lecho y las tensiones normales son extremadamente difíciles de determinar porque el campo de flujo es inestable y el límite inferior es áspero, las tensiones instantáneas cercanas a las tensiones (aproximadamente 2 mm por encima del límite) podrían ser utilizado como su sustituto8,9. En las últimas décadas, se ha estudiado y publicado una tubería vibratoria sin presentar cuantitativamente los valoresde los sofisticados campos de flujo alrededor de la tubería dentro del agujero 3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Por lo tanto, el objetivo de este papel de método es proporcionar un protocolo experimental novedoso para visualizar los campos de flujo detallados y determinar la cizallacasiy casi límite y las tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria forzada. Cabe señalar que el proceso de interacción oleoducto-fluido-semillero en este estudio está en un ambiente de agua en reposo en lugar de aquellos con corrientes y ondas unidireccionales.

Este método experimental consta de dos componentes importantes, a saber, (1) simulación de vibraciones de tubería (forzadas); y (2) mediciones de los campos de flujo alrededor de la tubería. En el primer componente, la tubería vibratoria se simuló en un flujo experimental mediante el uso de un sistema de vibración, que tiene un servomotor, dos muelles de conexión y marcos de soporte de tubería. Se pueden simular diferentes frecuencias y amplitudes de vibración ajustando la velocidad del motor y la ubicación de los muelles de conexión. En el segundo componente, se adoptaron las técnicas de transformación de la imagen de partícula (PIV) y de la onda resueltas en el tiempo para obtener datos de campo de flujo de resolución temporal y espacial elevados en diferentes fases de vibración de tubería. El sistema PIV resuelto en el tiempo consiste en un láser de onda continua, una cámara de alta velocidad, partículas de sembración y algoritmos de correlación cruzada. Aunque las técnicas PIV se han utilizado ampliamente en la obtención de campos de flujo turbulento constante19,20,21,22,23,24,25, aplicaciones en condiciones complejas de campo de flujo inestable, como casos de interacción de tuberías-fluidos-fondos marinos, son relativamente limitadas8,9,26,27. La razón es probablemente porque el algoritmo tradicional de correlación entre intervalos de tiempo único de las técnicas PIV es incapaz de capturar con precisión las entidades de flujo en campos de flujo inestable donde hay un gradiente de velocidad relativamente alta9, 20. El método descrito en este documento puede resolver este problema utilizando el algoritmo de correlación cruzada de intervalo múltiple9,28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Comprobación de seguridad de laboratorio

  1. Revise las normas de seguridad relativas al uso del sistema láser y de combustión.
  2. Asegurarse de que se han cumplido los requisitos de formación en seguridad del laboratorio.
    NOTA: En este experimento, se utiliza un conjunto de láser de onda continua de enfriamiento de aire de 5W con una longitud de onda de 532 nm y un flujo recto de lado de vidrio (Figura1) con dimensiones de 11 m de longitud, 0,6 m de ancho y 0,6 m de profundidad. Las recomendaciones básicas de seguridad para estos dos aparatos son las siguientes:
    1. Compruebe las superficies de reflexión potenciales en la línea de visión láser antes de la prueba; usar gafas de seguridad cuando utilice el dispositivo láser.
    2. Evite tener ojos a nivel del rayo láser durante los experimentos y tenga cuidado con las luces láser reflejadas al manipular los elementos ópticos o herramientas reflectantes.
    3. Asegúrese de que la manguera de agua no se caiga y de que siempre no haya agua desbordada del flujo.

2. Configuración del modelo de Flume y fondos marinos

  1. Prepare el modelo de lecho marino erosionable situado en el centro del flujo.
    NOTA: El material de sedimento utilizado en este estudio fue una arena media distribuida uniformemente con un tamaño medio de grano d50 x 0,45 mm, densidad de partículas sumergidas relativa s 1,65 y desviación estándar geométrica deg a 1,30.
  2. Compactar y nivelar el fondo marino utilizando un nivelador de arena.
  3. Llene lentamente el flujo con una manguera de agua y asegúrese de que una superficie plana del lecho marino esté intacta durante el proceso de llenado; dejar de llenar cuando el nivel del agua ha alcanzado una profundidad de 0,4 m por encima del fondo marino.
  4. Borre la plataforma superior y el vidrio para configurar el modelo de tubería y el sistema PIV.

3. Configuración del modelo de tubería y del sistema de vibración

  1. Utilice un modelo de tubería prefabricado en forma de cilindro de acrílico con un diámetro de 35 mm y una longitud de 0,56 m.
  2. Montar el modelo de tubería en un marco de soporte de aluminio, que, a su vez, está conectado por dos muelles a un poste movible en otro marco fijo que está bloqueado en los rieles superiores del flujo, como se ilustra en la Figura2. Fijar el marco de soporte dentro del marco fijo mediante el uso de cuatro rodamientos para asegurarse de que el marco de soporte podría vibrar libremente sólo a lo largo de la dirección vertical (Figura2).
  3. Utilice una biela para atar el poste movible a un servomotor montado en la parte superior del bastidor fijo. En este estudio, el peso del sistema vibratorio ensamblado, incluyendo el modelo de tubería y los marcos dealuminio, es de 1.445 kg, que tiene una relación de masa equivalente (m *) de 2.682; una frecuencia natural (fN) de 0,82 Hz; y la relaciónde amortiguación (-) de 0,124.
  4. Ajuste el polo movible y el bastidor de apoyo para obtener una cierta relación de separación entre la tubería y el fondo marino.  En este estudio, G/D n.o 1, donde G es la distancia vertical entre el fondo de la tubería y la superficie inicial del lecho marino; y D es el diámetro de la tubería.
  5. Encienda el servomotor para inducir una vibración forzada en la tubería; ajuste los bastidores de apoyo y cuatro rodamientos para asegurarse de que la vibración de la tubería está a lo largo de la dirección vertical. Apague el servomotor cuando se hayan completado los ajustes de los bastidores de soporte.
  6. Compactar y nivelar el fondo marino de nuevo antes de ejecutar el experimento si el modelo de fondo marino se ve perturbado en 3.5.

4. Configuración de PIV

  1. Coloque el dispositivo láser en la parte superior del flujo e instale la óptica de formación de láminas láser.
  2. Encienda el dispositivo láser y ajuste la óptica de formación de láminas láser para que se forme una hoja plana iluminada dentro del campo de interés.
    NOTA: En este estudio, la lámina láser verde iluminada es de 1,5 mm de espesor, paralela a las paredes de vidrio de combustión y se lanza hacia abajo en el agua a lo largo de la línea central del flujo. El campo de interés de este estudio se refiere a la región de interacción del fondo de gasoducto-fluido-mar y se limita a la mitad derecha del oleoducto. La sombra de la tubería se verá en la mitad izquierda de la tubería.
  3. Configure la cámara de alta velocidad.
    NOTA: Para este estudio, se utiliza una cámara de alta velocidad con almacenamiento de memoria de 12 gigabytes y una resolución máxima de 2,3 Mpx (1920-1200) (por ejemplo, Phantom Miro LAB 320). Los procedimientos de operación detallados son los siguientes:
    1. Monte la lente con la distancia focal adecuada en la cámara de alta velocidad. Atornille la cámara de alta velocidad en un trípode ajustable en altura; ajustar la cámara al nivel de la región de observación con su eje perpendicular a la hoja láser iluminada.
      NOTA: Este estudio utiliza una lente principal de 60 mm en su apertura máxima de f/2.8.
    2. Conecte la cámara al ordenador mediante un cable Ethernet y encienda el software de control de la cámara (por ejemplo, Phantom PCC 2.6); encienda la cámara y conéctela al ordenador en la interfaz del software de control de la cámara.
    3. Ajuste el trípode para asegurarse de que el campo de visión de la cámara cubre la región de interacción tubería-fluido-mar; nivelar la cámara utilizando el nivel de burbuja incorporado en el trípode; ajuste el anillo de enfoque en la lente para asegurarse de que la hoja láser está clara en el plano focal.

5. Optimización y calibración de la configuración experimental

  1. Agregue partículas de sembración de PIV a la sección de prueba del flujo.
    NOTA: Las partículas de sembrado utilizadas en este estudio fueron polvos de aluminio con un diámetro de 10 m y una densidad específica de 2,7.
  2. Mejorar la intensidad de la luz de la hoja láser si es necesario.
  3. Verifique el enfoque de la cámara observando las partículas de sembración iluminadas en la hoja láser a través de una vista de cámara en vivo en el ordenador; ajuste el anillo de enfoque, si es necesario, para asegurarse de que las partículas de sembración estén afiladas y enfocadas.
  4. Coloque una regla de calibración dentro del campo de visión en el plano de la hoja láser y capture una imagen de calibración.
    NOTA: La resolución adoptada de la imagen en este estudio fue de 1600 x 1200 píxeles.
  5. Seleccione una frecuencia de muestreo adecuada para la recopilación de datos.
    NOTA: La frecuencia de muestreo elegida debe garantizar que el desplazamiento de partículas de sembrado dentro de un par de imágenes sea inferior al 50% de la longitud máxima de la ventana de interrogación. En este estudio, el tamaño máximo de la ventana de interrogación es de 32 x 32 píxeles y la frecuencia de muestreo adoptada es de 200 fotogramas por segundo.
  6. Apague el láser y la cámara cuando se completen los pasos 5.1-5.5.

6. Ejecución del experimento y recopilación de datos

  1. Coloque una placa de acrílico transparente (20 mm de espesor) por debajo de la fuente láser y sobre la superficie del agua, para suprimir las fluctuaciones de la superficie del agua y garantizar un acceso óptico tranquilo para la luz láser.
  2. Encienda el servomotor para inducir vibraciones forzadas en el modelo de tubería.
    NOTA: En este estudio, la frecuencia inducida del servomotor es f0 a 0,3 Hz.
  3. Mantenga el sistema de vibración funcionando durante (t) 1440 min para obtener un agujero de estropajo de cuasi-equilibrio debajo de la tubería vibratoria.
  4. Encienda el láser y ajuste la potencia de salida a la intensidad optimizada. Encienda el software de control de la cámara y la cámara y aplique los ajustes calibrados a la cámara. Apague las luces de fondo en el laboratorio.
  5. Comience a grabar la imagen de campo de flujo cargado de partículas de sembración con la frecuencia de muestreo seleccionada en 5.6 haciendo clic en Capturar fondo en el software de control de software de la cámara.
    NOTA: Por cada grabación de este estudio, el almacenamiento de la cámara permite capturar 1.000 imágenes.
  6. Una vez completada la recopilación de datos, revise la calidad de la imagen registrada y compruebe si la densidad de partículas de sembración por ventana de interrogación (32 x 32 píxeles) es mayor que 8. Guarde el archivo grabado si se satisface, de lo contrario, la densidad de sembración aumenta inyectando lentamente soluciones de solución en la región de observación, y repita los pasos 6.3-6.5.
  7. Repita los pasos 6.3-6.5 para recopilar más conjuntos de datos.
    NOTA: Para este estudio, se tomaron más de 20.000 imágenes para garantizar que se obtuvieran suficientes datos sin procesar para calcular las velocidades de flujo, las vorticidades, las turbulencias y las tensiones casi límites.
  8. Apague el dispositivo láser, la cámara y el motor del servidor cuando se completen todas las colecciones de datos; encienda las luces de fondo en el laboratorio.

7. Procesamiento de datos

  1. Abra el software; haga clic en el botón Carpeta de archivos en la barra de herramientas y cargue la imagen de calibración tomada en el paso 5.4.
    NOTA: Utilice el programa de procesamiento de datos para el seguimiento de desplazamiento de tuberías y el software de cálculo de campos de flujo (por ejemplo, PISIOU).
  2. Haga clic en el botón Configuración de escala de la barra de herramientas; medir una distancia conocida en la imagen de calibración para calcular la escala de la imagen.
    NOTA: La escala de imagen calculada fue de 0,1694 mm/píxel.
  3. Haga clic en el botón Origen de la barra de herramientas; establecer el origen de las coordenadas en cada imagen.
  4. Extraiga la serie temporal de desplazamiento de la tubería vibratoria de las imágenes grabadas.
    1. Cargue las imágenes sin procesar tomadas en el paso 6. A continuación, haga clic en el panel Parámetro, introduzca el número de archivos de datos y la frecuencia de muestreo.
    2. Aplique el filtro Paso bajo en el menú Filtro de imagen.
      NOTA: Esta operación permitirá que el borde de la canalización (se va a rastrear el objetivo) se reconozca fácilmente en las imágenes procesadas (consulte la figura 3a).
    3. En la barra de herramientas, haga clic en el módulo PTV. A continuación, haga clic en el botón Punto de seguimiento, seleccione el punto central de la canalización. Vaya a Herramientas DeP,ajuste Gamma, Puerta de luz y Filtro mediano para seleccionar el contorno de la canalización en la imagen. Haga clic en el botón Seguimiento de objetos de la barra de herramientas; seleccionar la región de destino (es decir, la canalización) en la imagen procesada y realizar un seguimiento del desplazamiento de la canalización vibratoria de imágenes procesadas consecutivas; registrar las series temporales de desplazamiento,s (t), de la tubería vibratoria para los procesos de datos de campo de flujo posteriores (consulte la figura 4).
    4. Exporte y guarde los datos de la serie temporal de desplazamiento de tubería para obtener más cálculos.
  5. Determine los campos de velocidad instantáneos a partir de las imágenes grabadas.
    1. Vaya a Herramientas de PTV, haga clic en el botón Predeterminado para reanudar la imagen sin procesar para el análisis PIV posterior. Desactive el módulo PTV haciendo clic en el módulo PTV. Abra el panel Parámetro en la barra de herramientas; especificar el parámetro de cálculo del vector de velocidad.
      NOTA: En este estudio, se adopta un proceso de iteración de varias pasadas como las ventanas de interrogación, que comenzaron a partir de 32 x 32 píxeles, luego pasaron con 16 x 16 píxeles, y terminaron con 8 x 8 píxeles; todas las pasadas utilizan una superposición del 50% entre las subventanas adyacentes.
    2. Aplique la función de filtro Laplacian en el menú Filtro de imagen a las imágenes sin procesar para resaltar las partículas de sembración y filtrar la luz de dispersión indeseable (consulte la figura 3c).
    3. Haga clic en el botón Límite de la barra de herramientas, establezca la máscara geométrica en las imágenes para excluir la región del fondo marino para su cálculo posterior. Haga clic en el botón Guardar límite para guardar los datos de contorno.
    4. Haga clic en el botón Ejecutar de la barra de herramientas para calcular los campos de velocidad instantánea para diferentes fases vibratorias mediante el método de correlación cruzada.
      NOTA: En este estudio, se adopta un algoritmo de intervalo de tiempo múltiple para reducir el error de sesgo debido al gradiente de alta velocidad en el campo de flujo (consulte la figura 5). Los intervalos de tiempo múltiple adoptados para los cálculos de correlación cruzada sont, 3t, 9t y 21t (t a 5 ms). El criterio de correlación satisfactoria es superior al 70%.
    5. Exporte y guarde los datos de campos de velocidad instantáneos para su posterior análisis.
  6. Determine los campos de velocidad promediados por fases a partir de los campos de velocidad instantánea calculados con el algoritmo descrito en Newland 199429,30 y Hsieh 200828.
    NOTA: Los procedimientos de cálculo para este paso se describen de la siguiente manera:
    1. Aplique la función de transformación de wavelet a la serie temporal de desplazamiento, s(t), de la tubería vibratoria para obtener la fase instantánea para cada campo de velocidad instantánea. La función de transformación de wavelet se define como:
      Equation 1(1)
      donde Wes coeficiente de onda; Los parámetros de escala y traducción, respectivamente; la función á es la función Equation 2 Morlet y se calcula como ; el superíndice "*" denota el complejo conjugado. Las fases instantáneas, s, de la tubería vibratoria que corresponden a los diferentes desplazamientos de tubería se pueden calcular a partir de:
      Equation 3(2)
    2. Promedio de los campos de velocidad instantánea con la misma fase para obtener los campos de velocidad promediados por fase.
    3. Determine la vorticidad del flujo,2, en los campos de velocidad promediados por fase calculados a partir de:
      Equation 4(3)
      donde Equation 5 Equation v y son velocidades promediadas por fases a lo largo de las direcciones x e y.
  7. Cargue los datos calculados de velocidad y vorticidad de fase en el software Tecplot para su visualización.
  8. Determine la cizalladura cercana al límite y las tensiones normales a partir de los campos de velocidad instantánea calculados con el algoritmo descrito en Hsieh et al. 2016 9. Los procedimientos de cálculo para este paso se describen de la siguiente manera:
    1. Extraiga los datos de velocidad casi límite (0-5 mm por encima del lecho marino) de los campos de flujo de velocidad promediados por fase calculados.
    2. Calcular las tensiones de cizallamiento casi límites, ts y tensiones normales, tn, a lo largo del perfil de escarcha (aproximadamente 2 mm por encima del límite del agujero de escarcha) para diferentes fases dentro de un ciclo de vibración. Nota: Las ecuaciones de cálculo son las siguientes:
      Equation 7, Equation 8 (4)
      donde, - viscosidad dinámica del líquido (en lo sucesivo, tomada como 1 x 10-3 Pa's); up - velocidad cercana al límite paralela a la cama; un - velocidad cercana al límite perpendicular a la cama; n A una distancia normal de la cama.
  9. Cargue los datos calculados de cizallamiento casi límite y tensiones normales en un software (por ejemplo, Tecplot) para su visualización.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En la Figura 3se muestra un ejemplo de la comparación entre la imagen sin procesar y la imagen procesada del seguimiento de desplazamientos de tuberías y el cálculo instantáneo de la velocidad. Como se muestra en la Figura 3b, las partículas de sembrado y el ruido de la imagen sin procesar se filtran y se conserva el borde de tubería brillante para obtener la serie temporal de desplazamiento. Como se muestra en las figuras 3c,las dispersaciones/reflejos de luz alrededor de las partículas de sembrado, el borde de la tubería y la superficie del lecho marino se filtran mediante el filtro Laplacian. En la Figura 4se muestra un ejemplo de la serie temporal de desplazamiento de la tubería vibratoria. La vibración de la tubería es casi sinusoidal, y la frecuencia y amplitud vibratorias son de 0,3 Hz y 50 mm, respectivamente.

La Figura 6 muestra un ejemplo de la imagen del perfil de barrido cuasi-equilibrio y la tubería vibratoria en t a 1440 min, en la que el origen de la coordenada (x-O-y) de este estudio se establece en el punto de intersección de la superficie original del fondo marino y la línea central vertical de la tubería. Como se muestra en la Figura6, además de las partículas de sembración, se pueden observar muy pocas partículas de sedimento suspendidas en el flujo; por lo tanto, la calidad de imagen en bruto no se vio comprometida. Esto también indica que se alcanzó una etapa de cuasi-equilibrio para el proceso de barrido de tuberías.

En la Figura 7se muestran ejemplos del campo de velocidad promediado por fase visualizado y la dinámica de vorticidad. Cabe señalar que debido a la sombra de la tubería durante las mediciones del PIV, la región en el lado izquierdo de la canalización no tiene datos (consulte las subgráficas en la Figura 7). Como se ve en la Figura7, se presentan nueve fases discretas del campo de flujo dentro de un ciclo de vibración. Durante las fases de caída de la tubería (0 a t0/T < 0,5, donde T es el período de vibración y t0 es el tiempo varía de 0 a T), un par de vórtices con patrones simétricos se genera a partir de la cizalladura capas a ambos lados de la tubería vibratoria. Inmediatamente después de que el oleoducto haya alcanzado el fondo de la zanja de escurridor (t0/T á 4/8), el vórtice en sentido contrario a las agujas del reloj se distorsiona y se aspira en la zanja de escudería a medida que el oleoducto se eleva desde el fondo del mar. Para el período de las fases ascendentes de la tubería (0,5 á t0/T < 1), otro par de vórtices con direcciones giratorias opuestas a las de la fase descendente se genera simétricamente alrededor del borde superior de la tubería. Para una mejor observación de la dinámica de flujo en la Figura 7, se proporciona un vídeo correspondiente ( Video1) de 72 fases (fotogramas) de campos de flujo para un ciclo de vibración de tubería.

Un ejemplo de las tensiones de cizallamiento casi límite, Ts y tensiones normales, Tn evolución a lo largo del perfil de escudería dentro de un ciclo de vibración se presenta en la Figura 8. Dado que el campo de flujo es simétrico sobre el eje y, las tensiones de cizallamiento cercanas al límite y las tensiones normales presentadas en este estudio se limitan a la mitad derecha del perfil de barrido (0 < x < 5). Como se muestra en la Figura 8, estas dos tensiones se normalizan por el valor de la tensión de cizallamiento crítico del lecho, T c (obtenida de la curva de Shields como 0.243 Pa) de las partículas de arena en una condición de lecho plano. Los valores absolutos de Ts y Tn dentro de la zanja de escurrimiento y debajo de la tubería vibratoria aumentan significativamente cuando la tubería está cayendo al lecho o ascendiendo desde la cama. Las regiones donde Ts y Tn exhiben los valores máximo y mínimo son coherentes con la evolución de los campos de flujo entre la tubería vibratoria y el límite de barrido, como se muestra en la Figura7.

Figure 1
Figura 1 : Esquema del flujo experimental. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Esquema del modelo de tubería y configuración del sistema de vibración. (a ) Vista de sección, (b) Vista lateral. Esta cifra se ha modificado a partir de8. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Ejemplo de comparación entre imágenes crudas y procesadas. (a ) la imagen sin procesar, (b) la imagen procesada para el seguimiento de desplazamientos de tubería y (c) la imagen procesada para el cálculo instantáneo de la velocidad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 : Ejemplo de la serie temporal de desplazamiento de la tubería vibratoria a 1440 min . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5 : Comparación entre el algoritmo de correlación cruzada de intervalo único y multitiempo. Esta cifra se reproduce a partir de9. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6 : Ejemplo de imagen del perfil de barrido cuasi-equilibrio en t a 1440 min. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7 : Ejemplos de campo de velocidad promediado por fase visualizado y dinámica de vorticidad. Esta cifra se reproduce a partir de8. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8 : Ejemplo de evoluciones de ts y tn a lo largo del perfil de barrido dentrode un ciclo vibratorio. Los tiempos de touchdown y liftoff se refieren a los tiempos en que la parte inferior de la tubería solo toca y se eleva desde el límite del agujero de escariado, respectivamente. Esta cifra se reproduce a partir de8. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Video 1
Vídeo 1: Evolución del campo de flujo alrededor de la tubería vibratoria dentro del agujero de barrido de equilibrio. El vídeo está hecho de 72 fases (fotogramas) de campos de flujo para un ciclo de vibración de tubería. Este video se reproduce a partir de8. Por favor, haga clic aquí para ver este video. (Haga clic con el botón derecho para descargar.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

El protocolo presentado en este documento describe un método para la visualización de los campos de flujo bidimensionales y la determinación de los campos de tensión de flujo cercano según la frontera alrededor de una tubería vibratoria forzada en un agujero de barrido de equilibrio mediante el uso de las técnicas PIV. Dado que el movimiento de tubería diseñado es unidimensional a lo largo de la dirección y, preparar y ajustar el modelo de tubería y el sistema de vibración para cumplir este objetivo son requisitos previos críticos para un resultado exitoso. Cualquier movimiento indeseable de la tubería a lo largo de la dirección x puede inducir campos de flujo asimétricos y escarcha la formación de agujeros alrededor de la tubería vibratoria. Además de los efectos del aparato, la selección de la frecuencia de vibración y la amplitud de la tubería para los experimentos también es importante para inducir un campo de flujo simétrico alrededor de la tubería. De hecho, en una condición de agua en reposo, Lin et al.31 demostraron que la estructura de la recirculación de flujo detrás de un cilindro circular iniciado impulsivamente puede mantener su simetría cuando el tiempo no dimensional TD - tDU D/D < 5, donde tD - tiempo de movimiento del cilindro; y UD - velocidad del cilindro. Para la condición cuando TD > 5, el desprendimiento de vórtice oblicuo puede ocurrir alrededor del cilindro. En este estudio, la velocidad máxima de la tubería se puede estimar como 2s á • A0, y el tiempo de movimiento del cilindro se puede tomar como 1/2o, por lo tanto, el tiempo máximo no dimensional TD á A0/D a 4.48.

Durante la etapa de configuración del PIV, los ajustes de la hoja láser y la cámara y la selección de partículas de sembrado son los pasos críticos del protocolo para obtener datos de campo de flujo de alta calidad. La dirección de disparo de la cámara debe ser perpendicular a la hoja láser, de lo contrario, las distorsiones de perspectiva se mostrarán en las imágenes capturadas. Dado que este método tiene como objetivo obtener las tensiones de flujo casi límite en un campo de flujo inestable, la intensidad del láser y la posición del campo de visión deben establecerse correctamente para evitar una fuerte reflexión de la luz del límite. Las partículas de sembración elegidas necesitan dispersar eficazmente la lámina láser iluminadora y ser capaces de seguir el flujo se agiliza sin un asentamiento excesivo20. Basándose en esta consideración, las partículas de sembrado utilizadas en este estudio fueron polvos de aluminio, cuya velocidad de sedimentación se estimó en 92,6 mm/s utilizando la ley de Stoke. Esta velocidad de sedimentación es insignificante en comparación con las velocidades de flujo (0,1-0,2 m/s) cerca de la tubería vibratoria. Para optimizar la configuración experimental, verificar el enfoque de la cámara y determinar la frecuencia de muestreo de la cámara también son pasos cruciales para mediciones confiables.

Para la etapa de proceso de datos, hay dos desafíos para obtener campos de flujo promediados por fase de alta calidad y tensiones de flujo casi límite: (1) calcular con precisión los campos de flujo instantáneos y evitar el error de sesgo de desplazamiento en las regiones de flujo con un gradiente de velocidad grande; y (2) catalogar con precisión las imágenes capturadas que tienen la misma fase vibratoria. Para calcular los campos de flujo instantáneos, el método tradicional de correlación cruzada PIV 19 determina el vector de velocidad entre dos imágenes consecutivas con un intervalo de tiempo fijo ( consulte la figura 5a). Este método tradicional puede no ser adecuado para este estudio porque el campo de flujo calculado puede tener errores de sesgo de desplazamiento significativos cerca de la tubería vibratoria y los límites de los fondos marinos. Para superar este problema, se adopta un algoritmo de intervalo de tiempo múltiple en este estudio (consulte la figura 5b).  Mediante el uso de este método, los interrogaciones de imagen se ejecutan de forma reiterativa en diferentes pares de imágenes para diferentes intervalos seleccionados. El vector de velocidad en cada punto de la cuadrícula se determina en función de las estimaciones del intervalo de tiempo adecuado9,27,28. Cabe señalar que cuando se utiliza este método, los datasets de imagen sin procesar deben ser adquiridos por un PIV resuelto en el tiempo con una cámara de alta frecuencia de muestreo y láser de onda continua. Para superar el segundo desafío, este documento proporciona una técnica de transformación de wavelet. Al aplicar la función de transformación wavelet a la serie temporal de desplazamiento de la canalización, la fase instantánea de cada imagen capturada se puede calcular con precisión. Este método también se puede aplicar para investigar procesos de vibración inducida por vórtice, como la vibración de la tubería inducida por el desprendimiento de vórtice de asimetría15,27,32.

Las ventajas clave de la técnica de medición de flujo descrita en este documento son la alta resolución temporal y espacial y la capacidad de obtener simultáneamente la dinámica de tubería, los campos de flujo y las tensiones de flujo casi límite. Mediante el uso de esta técnica, se pueden llevar a cabo estudios más detallados sobre la escudería de tuberías en entornos complejos y se podría entender mejor el complejo mecanismo de escarcha alrededor de la tubería vibratoria.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por el Fondo de Jóvenes Científicos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51709082) y los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales (2018B13014).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fredsøe, J. Pipeline-seabed interaction. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (6), 03116002 (2016).
  2. 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).
  3. Chiew, Y. Mechanics of local scour around submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 116 (4), 515-529 (1990).
  4. Chiew, Y. Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 117 (4), 452-466 (1991).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Sumer, B., Fredsøe, J. Scour below pipelines in waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 116 (3), 307-323 (1990).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Sumer, B. M., Truelsen, C., Sichmann, T., Fredsøe, J. Onset of scour below pipelines and self-burial. Coastal Engineering. 42 (4), 313-335 (2001).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Zhao, M., Cheng, L. Numerical investigation of local scour below a vibrating pipeline under steady currents. Coastal Engineering. 57 (4), 397-406 (2010).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  20. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. Berlin Heidelberg. (2007).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. (76), e50559 (2013).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 1-theory. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 409-416 (1994).
  30. Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 2-wavelet maps. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 417-425 (1994).
  31. 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).
  32. Sarpkaya, T. A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations. Journal of Fluids and Structures. 19 (4), 389-447 (2004).

Tags

Ciencias Ambientales Número 150 Transporte de sedimentos escariado local mediciones de flujo interacción tubería-fluido-cama velocimetría de imagen de partículas intervalo de tiempo múltiple vibración forzada transformación de ondas
Visualización del campo de flujo alrededor de una tubería vibratoria dentro de un agujero de barrido de equilibrio
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guan, D., Chiew, Y. M., Wei, M.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter