تصور حقل التدفق حول خط أنابيب تهتز داخل ثقب التوازن
Summary
والهدف من البروتوكول هو تمكين تصور حقول التدفق التفصيلية وتحديد القص القريب من الحدود والضغوط العادية داخل حفرة التوازن التي يسببها خط أنابيب تهتز.
Abstract
وترد طريقة تجريبية في هذه الورقة لتسهيل تصور حقول التدفق التفصيلية وتحديد القص القريب من الحدود والضغوط العادية داخل حفرة توازن ية ناجمة عن خط أنابيب تهتز. وتنطوي هذه الطريقة على تنفيذ نظام اهتزاز خط أنابيب في فلوم مستقيم، وهو نظام قياس الجسيمات الفيلوسيمترية (PIV) الذي تم حله على مر الزمن لتتبع إزاحة خطوط الأنابيب وقياسات حقول التدفق. يتم الحصول على سلسلة وقت الإزاحة من خط أنابيب الاهتزاز باستخدام خوارزميات الارتباط المتبادل. ويرد وصف للخطوات اللازمة لمعالجة الصور المحملة بالجسيمات الخام التي تم الحصول عليها باستخدام PIV التي تم حلها على مر الزمن. يتم حساب حقول التدفق الفوري التفصيلية حول خط الأنابيب الهزاز في مراحل الاهتزاز المختلفة باستخدام خوارزمية ارتباط عبر فترات متعددة لتجنب خطأ انحياز الإزاحة في مناطق التدفق ذات تدرج سرعة كبير . من خلال تطبيق تقنية تحويل الموجي، يتم فهرسة الصور التي تم التقاطها التي لها نفس مرحلة الاهتزاز بدقة قبل الحصول على حقول السرعة المتوسطة المرحلة. وتتمثل المزايا الرئيسية لتقنية قياس التدفق الموصوفة في هذه الورقة في أن لها استبانة زمنية ومكانية عالية جداً ويمكن استخدامها في نفس الوقت للحصول على ديناميات خط الأنابيب وحقول التدفق وضغوط التدفق القريبة من الحدود. باستخدام هذه التقنية، يمكن إجراء دراسات أكثر تعمقاً لحقل التدفق ثنائي الأبعاد في بيئة معقدة، مثل تلك التي تدور حول خط أنابيب تهتز، لفهم أفضل لآلية التمشيط المتطورة المرتبطة بها.
Introduction
وتستخدم خطوط الأنابيب تحت سطح البحر على نطاق واسع في البيئات البحرية لغرض نقل المنتجات السائلة أو الكربونية المائية. عندما يتم وضع خط أنابيب على قاع البحر القابلة للتآكل، من المرجح أن تشكل حفرة حول خط الأنابيب بسبب الأمواج أوالتيارات أو الحركات الديناميكية لخط الأنابيب نفسه (الاهتزاز القسري أو الاهتزاز الناجم عن الدوامة) 1،2. ولتحسين فهم آلية التمشيط حول خط أنابيب تحت سطح البحر، فإن قياسات حقول التدفق المضطربة وتقديرات القص في السرير والضغوط العادية داخل منطقة التفاعل بين خط الأنابيب والسوائل وقاع البحار ضرورية بالإضافة إلى قياسات البعد ثقبالتمشيط 1،2،3،4،5،6،7. في بيئة حيث القص السرير والضغوط العادية من الصعب للغاية تحديد لأن حقل التدفق غير مستقر والحدود السفلى الخام، وقياس الضغوط الفورية بالقرب من الحدود (في حوالي 2 ملم فوق الحدود) يمكن أن يكون تستخدم كبديل لها8،9. في العقود القليلة الماضية، تم دراسة ودراسة التمشيط حول خط أنابيب تهتز ونشرها دون عرض كمي لقيم حقول التدفق المتطورة حول خط الأنابيب داخل حفرة التمشيط3،4، 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. ولذلك، فإن الهدف من هذه الورقة الأسلوب هو توفير بروتوكول تجريبي جديد لتصور حقول التدفق التفصيلية وتحديد القص القريب من الحدود والضغوط العادية داخل حفرة التوازن التي يسببها خط أنابيب تهتز القسري. وتجدر الإشارة إلى أن عملية التفاعل بين خطوط الأنابيب والسوائل في قاع البحار في هذه الدراسة هي في بيئة مائية هادئة وليس في بيئة ذات تيارات وموجات أحادية الاتجاه.
وتتألف هذه الطريقة التجريبية من عنصرين هامين هما (1) محاكاة الاهتزازات (القسرية) لخطوط الأنابيب؛ (2) محاكاة الاهتزازات في خط الأنابيب (القسري)؛ (2) محاكاة الاهتزازات (القسرية)؛ (2) محاكاة الاهتزازات في خط الأنابيب (القسري)؛ (2) محاكاة الاهتزازات (القسرية)؛ (3) و(2) قياسات حقول التدفق حول خط الأنابيب. في المكون الأول، تم محاكاة خط الأنابيب تهتز في فلوم التجريبية باستخدام نظام تهتز، الذي يحتوي على محرك سيرفو، اثنين من الينابيع المتصلة، وخطوط الأنابيب دعم الإطارات. يمكن محاكاة ترددات الاهتزاز المختلفة والسعة عن طريق ضبط سرعة المحرك وموقع الينابيع المتصلة. وفي العنصر الثاني، اعتُمدت تقنيات قياس الفيلوسيمترية وتحوّل الموجات الاستبانة الزمنية للحصول على بيانات ميدانية عالية النطاق الزمني والمكاني لتدفق الاستبانة في مراحل اهتزاز ية مختلفة. يتكون نظام PIV المحدد بالوقت من ليزر موجة مستمر، وكاميرا عالية السرعة، وجزيئات البذر، وخوارزميات الارتباط المتبادل. على الرغم من أن تقنيات PIV قد استخدمت على نطاق واسع في الحصول على حقول تدفق المضطربة ثابتة19،20،21،22،23،24،25، التطبيقات في الظروف المعقدة غير المستقرة لمجال التدفق، مثل حالات التفاعل بين خطوط الأنابيب والسوائل وقاع البحار، محدودة نسبيا8و9و26و27. والسبب على الأرجح هو أن خوارزمية الارتباط المتبادل التقليدية لفترات زمنية واحدة من تقنيات PIV غير قادرة على التقاط ميزات التدفق بدقة في حقول التدفق غير المستقرة حيث يوجد تدرج سرعة عالية نسبياً9، 20. الطريقة الموضحة في هذه الورقة يمكن حل هذه المشكلة باستخدام خوارزمية الارتباط عبر الفاصل الزمني المتعدد9،28.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف البروتوكول المعروض في هذه الورقة طريقة لتصور حقول التدفق ثنائية الأبعاد وتحديد حقول الإجهاد التدفق القريبة من الحدود حول خط أنابيب تهتز القسري في حفرة فحص التوازن باستخدام تقنيات PIV. وبما أن حركة خط الأنابيب المصممة أحادية الأبعاد على طول اتجاه y، فإن إعداد وتعديل نموذج خط الأناب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل صندوق العلماء الشباب التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (51709082) وصناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية (2018B13014).
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 |
References
- 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).
