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환경과학

平衡スカウトホール内の振動パイプライン周辺の流れ場の可視化

Published: August 26, 2019
doi:
10.3791/59745
, , ,
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

このプロトコルの目的は、詳細な流れフィールドの可視化を可能にし、振動パイプラインによって誘導される平衡調査穴内の近境界せん断および通常の応力の決定を可能にすることです。

Abstract

本論文では、振動パイプラインによって誘導される平衡スカウト穴内の詳細な流れ場の可視化と、近境界せん断と正常応力の決定を容易にする実験的方法を紹介する。この方法は、直線フルーム、パイプライン変位追跡および流れ場測定のための時間分解粒子画像ベロシメトリー(PIV)システムにおけるパイプライン振動システムの実装を含む。振動パイプラインの変位時系列は、相互相関アルゴリズムを使用して取得されます。時間分解PIVを用いて得られた生粒子積み込み画像を処理する手順について説明する。異なる振動相での振動パイプラインの周りの詳細な瞬間流れフィールドは、速度勾配が大きい流れ領域の変位バイアス誤差を回避するために、複数回間隔の相互相関アルゴリズムを使用して計算されます。.ウェーブレット変換技術を適用することにより、同じ振動相を持つキャプチャされた画像は、位相平均速度フィールドが得られる前に正確にカタログ化されます。このホワイト ペーパーで説明するフロー測定手法の主な利点は、時間分解能と空間分解能が非常に高く、パイプラインダイナミクス、流れフィールド、および境界付近の流力応力を同時に得るために使用できることです。この手法を用いることで、振動パイプラインの周囲など、複雑な環境での2次元流れ場のより詳細な研究を行い、関連する高度なスカウトメカニズムをより深く理解することができる。

Introduction

海底パイプラインは、流体またはハイドロカーボン製品の搬送を目的として、オフショア環境で広く使用されています。パイプラインが浸食可能な海底に置かれると、パイプライン自体の波、電流または動的な動き(強制振動または渦誘発振動)1、2のためにパイプラインの周りのスカウト穴が形成される可能性があります。海底パイプラインの周りのスカウトメカニズムの理解を深めるためには、流流れの乱流フィールドの測定と、パイプライン流体海底相互作用領域内のベッドせん断と正常応力の推定が不可欠です。スカウト穴寸法1、2、3、4、5、6、7の測定値。流れ場が不安定で底辺が荒いため、ベッドせん断と通常の応力が非常に困難な環境では、瞬時に境界付近の応力を測定する(境界より約2mm上)可能性があります。彼らのサロゲート8、9として使用されます。過去数十年の間に、振動パイプラインの周りの精査は、スカウトホール3、4内のパイプラインの周りの洗練された流れフィールドの値を定量的に提示することなく研究され、公開されてきました。 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18.したがって、この方法論文の目的は、詳細な流れ場を可視化するための新しい実験プロトコルを提供し、強制振動パイプラインによって誘導される平衡スカウト穴内の近境界せん断および正常応力を決定することです。この研究におけるパイプライン流体海底相互作用プロセスは、単方向電流と波を持つものではなく、静止した水環境にあることに留意すべきである。

この実験方法は、(1)パイプライン(強制)振動のシミュレーションという2つの重要なコンポーネントで構成されています。(2) パイプライン周辺の流れフィールドの測定値。最初のコンポーネントでは、振動パイプラインは、サーボモータ、2つの接続スプリング、およびパイプライン支持フレームを有する振動システムを使用して実験用煙道でシミュレートされました。モータの速度と接続スプリングの位置を調整することで、異なる振動周波数と振幅をシミュレートできます。2番目の成分では、時間分解粒子画像ベロシメトリー(PIV)とウェーブレット変換技術を採用し、異なるパイプライン振動相で高時間分解能および空間分解能フローフィールドデータを取得しました。時間分解性PIVシステムは、連続波レーザー、高速カメラ、種分粒子、および相互相関アルゴリズムで構成されています。PIV技術は、安定した乱流フィールド19、20、21、22、23、24、25を得る上で広く使用されてきましたが、パイプライン流体と海底相互作用の場合など、複雑な不安定な流れ場条件のアプリケーションは、比較的限られた8、9、26、27 です。その理由は、PIV技術の従来の単一時間間隔相互相関アルゴリズムが、比較的高い速度勾配が存在する不安定な流れ場の流れ特徴を正確に捕捉できないため、おそらく9、 20.このホワイト ペーパーで説明する方法は、複数時間間隔の相互相関アルゴリズム9,28を使用してこの問題を解決できます。

Protocol

1. 実験室の安全チェック レーザーおよびフルームシステムの使用に関する安全規則を確認します。 実験室の安全訓練の条件が満たされていることを確認してください。注:この実験では、波長532nmの5W空冷連続波レーザーと、長さ11m、幅0.6m、深さ0.6mのガラス側直流フルーム(図1)を使用しています。これら 2 つの装置の基本的な安全に関する推奨事項は?…

Representative Results

パイプライン変位トラッキングと瞬間速度計算の生画像と処理された画像の比較の例を図 3に示します。図 3bに示すように、未加工画像のシードパーティクルとノイズは除外され、輝くパイプライン エッジが保持され、変位時系列が得られます。図 3cに示すように、シードパーティクル、パイプライン エッジ、および海?…

Discussion

本論文で提示されるプロトコルは、PIV技術を用いて平衡スカウト穴内の強制振動パイプラインの周りの2次元流れ場の可視化と近境界流力応力場の決定の方法について説明する。設計されたパイプラインモーションはy方向に沿って 1 次元であるため、この目的を達成するためにパイプライン モデルと振動システムを準備および調整することは、成功を収めるために重要な前提条件です?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、中国国立自然科学財団の若手科学者基金(51709082)と中央大学基礎研究基金(2018B13014)によって支援されました。

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
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Guan, D., Chiew, Y., Wei, M., Hsieh, S. 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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