Bir Denge Scour Hole Içinde Titreşimli Boru Hattı Etrafında Akış Alanı Görselleştirme
Summary
Protokolün amacı, titreşen bir boru hattı tarafından indüklenen bir denge ovma deliği içinde ayrıntılı akış alanlarının görüntülenmesi ve yakın sınır makası ve normal gerilmelerin belirlenmesini sağlamaktır.
Abstract
Bu yazıda, titreşen bir boru hattı tarafından indüklenen bir denge ovma deliği içinde ayrıntılı akış alanlarının görselleştirilmesini ve sınıra yakın kesme ve normal gerilmelerin belirlenmesini kolaylaştırmak için deneysel bir yöntem sunulmuştur. Bu yöntem, düz bir baca, boru hattı deplasman izleme ve akış alanları ölçümleri için zaman çözülmüş parçacık görüntü velocimetry (PIV) sistemi bir boru hattı titreşim sisteminin uygulanmasını içerir. Titreşimli boru hattının yer değiştirme zaman serisi çapraz korelasyon algoritmaları kullanılarak elde edilir. Zaman çözülmüş PIV kullanılarak elde edilen ham parçacık yüklü görüntüleri işlemek için adımlar açıklanmıştır. Farklı titreşimli fazlarda titreşimli boru hattının etrafındaki ayrıntılı anlık akış alanları, büyük hız gradyanlı akış bölgelerinde yer değiştirme yanlısı hatasını önlemek için çoklu zaman aralığı çapraz korelasyon algoritması kullanılarak hesaplanır. . Dalgalet dönüştürme tekniği uygulanarak, faz ortalaması olan hız alanları elde edilmeden önce aynı titreşim fazına sahip yakalanan görüntüler doğru bir şekilde kataloglanır. Bu yazıda açıklanan akış ölçüm tekniğinin temel avantajları, çok yüksek bir zamansal ve mekansal çözünürlüğe sahip olması ve aynı anda boru hattı dinamiklerini, akış alanlarını ve sınıra yakın akış gerilimlerini elde etmek için kullanılabilmesidir. Bu teknik kullanılarak, karmaşık bir ortamda 2 boyutlu akış alanının daha derinlemesine çalışmaları, örneğin titreşen bir boru hattı etrafında, daha iyi ilişkili sofistike ovma mekanizması anlamak için yapılabilir.
Introduction
Deniz altı boru hatları, açık deniz ortamlarında sıvı veya hidro-karbon ürünlerinin taşınması amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir boru hattı aşınabilir bir deniz tabanı üzerine yerleştirildiğinde, boru hattının kendisi dalgalar, akımlar veya dinamik hareketler (zorunlu titreşim veya girdap kaynaklı-titreşim)1,2nedeniyle boru hattı etrafında bir ovma deliği oluşması muhtemeldir . Bir denizaltı boru hattı etrafındaki ovma mekanizmasının anlaşılmasını sağlamak için, türbülanslı akış alanlarının ölçümleri ve yatak makası tahminleri ve boru hattı-akışkan-deniz dibi etkileşim bölgesi içindeki normal gerilmeler, ovma deliği boyut1,2,3,4,5,6,7ölçümleri . Akış alanı kararsız ve alt sınır pürüzlü olduğu için yatak makası ve normal gerilmelerin belirlenmesinin son derece zor olduğu bir ortamda, anlık olarak ölçülen sınıra yakın gerilimler (sınırın yaklaşık 2 mm üzerinde) onların vekil8,9olarak kullanılır. Son birkaç on yıl içinde, titreşen bir boru hattı etrafında ovmak incelenmiş ve kantitatif ovmadelikiçinde boru hattı etrafında sofistike akış alanlarının değerlerini sunmadan yayınlanmıştır,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18yaşında. Bu nedenle, bu yöntem ödevinin amacı, ayrıntılı akış alanlarını görselleştirmek için yeni bir deneysel protokol sağlamak ve zorlanmış bir titreşen boru hattı tarafından indüklenen bir denge ovma deliği içinde yakın sınır kesme ve normal gerilmeleri belirlemektir. Bu çalışmada boru hattı-sıvı-deniz dibi etkileşim sürecinin tek yönlü akımları ve dalgaları yerine kuskan bir su ortamında olduğu unutulmamalıdır.
Bu deneysel yöntem iki önemli bileşenden oluşur, yani, (1) boru hattı (zorla) titreşimsimülasyonu; ve (2) boru hattı çevresindeki akış alanlarının ölçümleri. İlk bileşende, titreşimli boru hattı, servo motora, iki bağlantı kaynağına ve boru hattı destek çerçevelerine sahip bir titreşimli sistem kullanılarak deneysel bir bacada simüle edilmiştir. Bağlantı yaylarının motor hızı ve konumu ayarlayarak farklı titreşim frekansları ve genlikleri simüle edilebilir. İkinci bileşende, zaman içinde çözülmüş parçacık görüntü velocimetry (PIV) ve dalgacık dönüştürme teknikleri farklı boru hattı titreşim aşamalarında yüksek zamansal ve mekansal çözünürlük akış alanı verileri elde etmek için kabul edilmiştir. Zaman çözülmüş PIV sistemi sürekli dalga lazer, yüksek hızlı kamera, tohumlama parçacıkları ve çapraz korelasyon algoritmaları oluşur. PIV teknikleri yaygın olarak sürekli türbülanslı akış alanları elde etmek için kullanılan olmasına rağmen19,20,21,22,23,24,25, boru hattı-sıvı-deniz tabanı etkileşimi gibi karmaşık kararsız akış alanı koşullarında uygulamalar, nispeten sınırlıdır8,9,26,27. PIV tekniklerigeleneksel tek zaman aralığı çapraz korelasyon algoritması doğru nispeten yüksek hız gradyan mevcut kararsız akış alanlarında akış özelliklerini yakalamak mümkün değildir çünkü nedeni muhtemelen9, 20. yıl. Bu yazıda açıklanan yöntem çoklu zaman aralığı çapraz korelasyon algoritması9,28kullanarak bu sorunu çözebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda sunulan protokol, iki boyutlu akış alanlarının görselleştirilmesi ve PIV tekniklerini kullanarak bir denge deliğinde zorlanmış bir titreşimli boru hattı etrafında sınıra yakın akış gerilimi alanlarının belirlenmesi için bir yöntem açıklanmaktadır. Tasarlanan boru hattı hareketi y yönü boyunca tek boyutlu olduğundan, bu amaca ulaşmak için boru hattı modeli nin ve titreşim sisteminin hazırlanması ve ayarlanması başarılı bir sonuç için kritik ön koşullardır. <em…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (51709082) Genç Bilim Adamları Fonu ve Merkez Üniversiteler Için Temel Araştırma Fonları (2018B13014) tarafından desteklenmiştir.
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).
