Waiting
Login processing...

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

Environment

Visualisering af flow felt omkring en vibrerende rørledning inden for en ligevægt Scour hul

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

Målet med protokollen er at muliggøre visualisering af de detaljerede flowfelter og bestemmelse af den nær-grænse forskydning og normale belastninger i en ligevægt gennemsøge hul induceret af en vibrerende rørledning.

Abstract

En eksperimentel metode præsenteres i dette papir for at lette visualisering af de detaljerede flowfelter og bestemmelse af den nær-grænse forskydning og normale belastninger i en ligevægt gennemsøge hul induceret af en vibrerende rørledning. Denne metode indebærer gennemførelse af et pipeline vibrationssystem i en straight Flume, et tidsløst partikel billede velocimetry (PIV) system til sporing af rørlednings forskydning og flowfelter målinger. Forskydnings tiden-rækken af vibrerende rørledning opnås ved hjælp af kryds korrelations algoritmerne. Trinene til behandling af rå partikel belastede billeder opnået ved hjælp af tidsløst PIV er beskrevet. De detaljerede øjeblikkelige flowfelter omkring den vibrerende rørledning ved forskellige vibrerende faser beregnes ved hjælp af en kryds korrelations algoritme med flere tids intervaller for at undgå fejl i forskydnings bias i flow områderne med en stor hastigheds gradient . Ved at anvende Wavelet Transform teknik, de optagne billeder, der har den samme vibrerende fase er nøjagtigt katalogiseret før den fase-gennemsnitlige hastighed felter opnås. De vigtigste fordele ved flow målings teknikken, der er beskrevet i dette papir, er, at den har en meget høj tidsmæssig og rumlig opløsning og samtidig kan bruges til at opnå rørlednings dynamikken, flow felterne og de nær-grænse-flow belastninger. Ved at bruge denne teknik, mere dybtgående undersøgelser af den 2-dimensionelle flow felt i et komplekst miljø, såsom at omkring en vibrerende rørledning, kan udføres for bedre at forstå den tilhørende sofistikerede gennemsøge mekanisme.

Introduction

Undervandsrørledninger anvendes i vid udstrækning i offshore-miljøer med henblik på transport af flydende eller hydro kulstofprodukter. Når en rørledning er placeret på en nedbryde havbunden, en gennemsøge hul omkring rørledningen er tilbøjelige til at danne på grund af bølgerne, strømme eller dynamiske bevægelser af rørledningen selv (tvungen-vibration eller vortex-induceret-vibration)1,2. For at forbedre forståelsen af gennemsøge-mekanismen omkring en Subsea-rørledning er målinger af de turbulente flowfelter og skøn over senge forskydning og normale belastninger i rørlednings-væske-havbunds interaktions området afgørende ud over målinger af gennemsøge Hole dimension1,2,3,4,5,6,7. I et miljø, hvor senge forskydning og normale belastninger er ekstremt svære at fastlægges, fordi strømnings feltet er ustabilt, og den nederste grænse er ru, kan der måles øjeblikkelige nær-grænse belastninger (ca. 2 mm over grænsen) anvendes som deres surrogat8,9. I de sidste par årtier er gennemsøge omkring en vibrerende rørledning blevet undersøgt og offentliggjort uden kvantitativt at præsentere værdierne af de sofistikerede flowfelter omkring rørledningen inden for gennemsøge hullet3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Derfor er målet med denne metode papir at give en ny eksperimentel protokol til visualisering af de detaljerede flowfelter og til at bestemme den nær-grænse forskydning og normale belastninger i en ligevægt gennemsøge hul induceret af en tvungen vibrerende rørledning. Det skal bemærkes, at rørledningen-Fluid-havbunden interaktion proces i denne undersøgelse er i et lysende vandmiljø snarere end dem med ensrettede strømme og bølger.

Denne eksperimentelle metode består af to vigtige komponenter, nemlig (1) simulering af rørledning (tvungen) vibrationer; og (2) målinger af strømnings felterne omkring rørledningen. I den første komponent blev den vibrerende rørledning simuleret i en eksperimentel Flume ved hjælp af et vibrerende system, som har en servomotor, to forbindelses fjedre og rørlednings bærende rammer. Forskellige vibrations frekvenser og amplituder kan simuleres ved at justere motorhastigheden og placeringen af de tilsluttende fjedre. I den anden komponent blev den tid-løste partikel billede velocimetry (PIV) og Wavelet Transform teknikker vedtaget for at opnå høj tidsmæssig og rumlig opløsning flow feltdata i forskellige pipeline vibrationer faser. Det tidsløse PIV-system består af en kontinuerlig bølge laser, en højhastighedskamera, såning partikler, og Cross-korrelations algoritmer. Selv om PIV teknikker har været meget anvendt i at opnå stabile turbulente flowfelter19,20,21,22,23,24,25, anvendelser i komplekse ustabilt flow feltbetingelser, såsom tilfælde af pipeline-væsker-havbunds interaktion, er relativt begrænset8,9,26,27. Årsagen er sandsynligvis, fordi traditionelle single-time-interval Cross-korrelations algoritme af PIV-teknikker er ude af stand til præcist at fange flow funktioner i ustabilt flowfelter, hvor en relativt høj hastighed gradient er til stede9, 20. Den metode, der er beskrevet i dette dokument, kan løse dette problem ved hjælp af kryds korrelations algoritmen på flere tids intervaller9,28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. kontrol af laboratorie sikkerhed

  1. Gennemgå sikkerhedsreglerne for brug af laser-og Flume-systemet.
  2. Sikre, at laboratoriets krav til sikkerhedsuddannelse er opfyldt.
    Bemærk: i dette eksperiment, et sæt af 5W luft-køling kontinuerlig bølge laser med en bølgelængde på 532 nm og en glas-sidet straight Flume (figur 1) med dimensioner af 11 m længde, 0,6 m bredde, og 0,6 m dybde anvendes. De grundlæggende sikkerhedsanbefalinger for disse to apparater er følgende:
    1. Kontroller de potentielle refleksions flader i laser line-of-Sight før testning; Bær beskyttelsesbriller, når du betjener laser enheden.
    2. Undgå at have øjne på Laserstrålens niveau under eksperimenterne, og vær forsigtig med reflekterede laserlys, når du håndterer de optiske elementer eller reflekterende værktøjer.
    3. Sørg for, at vandslangen ikke falder af, og at der altid ikke er vand overstrømmende fra Flume.

2. opsætning af Flume og havbunds model

  1. Forbered den nedbryde havbunden model placeret i midten af Flume.
    Bemærk: det sediment materiale, der anvendes i dette studie, var et ensartet fordelt medium sand med en median kornstørrelse d50 = 0,45 mm, relativ nedsænket partikel tæthed Δ = 1,65 og geometrisk standardafvigelse σg = 1,30.
  2. Kompakt og niveau havbunden ved hjælp af en sand leveler.
  3. Fyld langsomt Flume med en vand slange og sørg for, at en flad havbunds overflade er intakt under påfyldningsprocessen; Stop påfyldning, når vandstanden har nået en dybde på 0,4 m over havbunden.
  4. Ryd Flume top platformen og glas til opsætning af pipeline-modellen og PIV-systemet.

3. opsætning af rørlednings model og vibrationssystem

  1. Brug en præfabrikeret rørlednings model i form af en akryl cylinder med en diameter på 35 mm og en længde på 0,56 m.
  2. Monter rørlednings modellen på en aluminiums understøtnings ramme, som igen er forbundet med to fjedre til en flytbar stang på en anden fast ramme, der er låst på fluens øverste skinner, som illustreret i figur 2. Fastgør den bærende ramme inden i den faste ramme ved at bruge fire kuglelejer til at sikre, at den bærende ramme frit kan vibrere kun langs den lodrette retning (figur 2).
  3. Brug en forbindende stang til at binde den bevægelige stang til en servomotor monteret på toppen af den faste ramme. I denne undersøgelse er vægten af det samlede vibrerende system, herunder rørlednings modellen og aluminiums rammerne, 1,445 kg, som har et tilsvarende masse forhold (m*) på 2,682; en naturlig frekvens (fN) på 0,82 Hz og dæmpnings ratio (ζ) på 0,124.
  4. Juster den bevægelige stang og den bærende ramme for at opnå et vist mellemrums forhold mellem rørledningen og havbunden.  I denne undersøgelse er g/D = 1, hvor g er den lodrette afstand mellem bunden af rørledningen og den oprindelige havbunds overflade. og D er rørlednings diameteren.
  5. Tænd servomotoren til at inducere en tvungen vibration på rørledningen; Juster de bærende rammer og fire kuglelejer for at sikre, at rørlednings vibrationerne er langs den lodrette retning. Sluk for servomotoren, når justeringerne af de understøttende rammer er fuldført.
  6. Komprimer og niveau havbunden igen, før du kører eksperimentet, hvis havbunds modellen forstyrres i 3,5.

4. opsætning af PIV

  1. Placer laser enheden på toppen af Flume og installere laser Sheet danner optik.
  2. Tænd for laser enheden og Juster laser arket danner optik, så en belyst flad ark inde i feltet-of-Interest er dannet.
    Bemærk: i denne undersøgelse, den oplyste grønne laser ark er 1,5 mm tyk, parallelt med Flume glasvægge og er kastet nedad i vandet langs midterlinjen af Flume. Interesseområdet for denne undersøgelse refererer til interaktions området af rørledningen-Fluid-havbunden og er begrænset til højre halvdel af rørledningen. Skyggen af rørledningen vil blive set på venstre halvdel af rørledningen.
  3. Opsætning af højhastigheds kameraet.
    Bemærk: til denne undersøgelse anvendes et højhastighedskamera med 12-Gigabyte-hukommelseslager og en maksimal opløsning på 2,3 MPX (1920 × 1200) (f. eks. Phantom Miro LAB 320). De detaljerede operationsprocedurer er som følger:
    1. Monter objektivet med passende brændvidde på højhastigheds kameraet. Skru højhastigheds kameraet på et stativ, der justeres i højden. Justér kameraet til observationsområdets niveau med aksen vinkelret på det oplyste laser ark.
      Bemærk: denne undersøgelse bruger en 60 mm prime linse ved sin maksimale blænde på f/2.8.
    2. kameraet til computeren ved hjælp af et Ethernet-kabel, og tænd kamera styringssoftwaren (f. eks. fantom PCC 2,6); Tænd for kameraet, og det til computeren i kamera kontrol-softwaregrænsefladen.
    3. Juster stativet for at sikre, at kameraets synsfelt dækker rørledningen-Fluid-havbunden interaktion region; niveau kameraet ved hjælp af den indbyggede boble niveau på stativet; Indstil fokusringen på objektivet for at sikre, at laser arket er klart på brændplanet.

5. eksperimentel opsætning optimering og kalibrering

  1. Tilsæt PIV-sånings partikler til test delen af Flume.
    Bemærk: de såning partikler, der anvendes i denne undersøgelse, var aluminiumspulver med en diameter på 10 μm og en specifik tæthed på 2,7.
  2. Forøg lysintensiteten af laser arket, hvis det er nødvendigt.
  3. Kontroller kameraets fokus ved at observere de oplyste såpartikler på laser arket gennem en Live kamera visning på computeren; Finjuster fokusringen, hvis det er nødvendigt, for at sikre, at såning partiklerne er skarpe og i fokus.
  4. Placer en kalibrerings lineal inden for synsfeltet på laser arkets plan, og Optag et kalibrerings billede.
    Bemærk: den vedtagne opløsning af billedet i denne undersøgelse var 1600 × 1200 pixels.
  5. Vælg en korrekt samplingsfrekvens for dataindsamlingen.
    Bemærk: den valgte samplingfrekvens skal sikre, at partikel forskydningen ved såning i et par billeder er mindre end 50% af den maksimale forhør vindues længde. I dette studie er den maksimale forhørs vinduesstørrelse 32 × 32 pixels, og den vedtagne samplingfrekvens er 200 billeder pr. sekund.
  6. Sluk for laseren og kameraet, når trin 5.1-5.5 er fuldført.

6. kørsel af eksperimentet og dataindsamlingen

  1. Placer en transparent akrylplade (20 mm tyk) under laserkilden og på vandoverfladen for at undertrykke udsving i vandoverfladen og sikre en rolig optisk adgang til laserlys.
  2. Tænd servomotoren for at fremkalde tvungne vibrationer på rørlednings modellen.
    Bemærk: i dette studie er den inducerede frekvens af servomotoren f0 = 0,3 Hz.
  3. Hold vibrations systemet kørende for (t =) 1440 min for at opnå en kvasi-ligevægt gennemsøge hul under vibrerende rørledning.
  4. Tænd for laseren og Juster udgangs effekten til den optimerede intensitet. Tænd kamera-og kamera styringssoftwaren, og Anvend de kalibrerede indstillinger på kameraet. Sluk baggrunds lysene i laboratoriet.
  5. Begynd at optage billedet med såning af partikel belastet flow med den samplingfrekvens, du valgte i 5,6, ved at klikke på Capture-bunden i kameraets software styringssoftware.
    Bemærk: for hver enkelt optagelse i denne undersøgelse tillader kamera lageret, at der optages 1.000 billeder.
  6. Når dataindsamlingen er afsluttet, gennemgå den optagede billedkvalitet og kontrollere, om såning partikel tæthed pr forhør vindue (32 × 32 pixels) er større end 8. Gem den optagede fil Hvis den er tilfreds, ellers øges sånings tætheden ved langsomt at injicere såopløsninger i observationsområdet, og Gentag trin 6.3-6.5.
  7. Gentag trin 6.3-6.5 for at indsamle flere datasæt.
    Bemærk: til denne undersøgelse blev der taget mere end 20.000 billeder for at sikre, at der opnås nok rå data til beregning af strømningshastigheder, vortibyer, turbulens og nær grænse belastninger.
  8. Sluk for laser enheden, kameraet og server motoren, når alle datasamlinger er fuldført. Tænd baggrundslyset i laboratoriet.

7. data behandling

  1. Åbn softwaren; Klik på knappen filmappe på værktøjslinjen, og Indlæs det kalibrerings billede, der blev taget i trin 5,4.
    Bemærk: Brug databehandling program til sporing af pipeline forskydning og flow feltberegninger software (f. eks PISIOU).
  2. Klik på knappen skala opsætning på værktøjslinjen. mål en kendt afstand på kalibrerings billedet for at beregne billedets skala.
    Bemærk: den beregnede billed skala var 0,1694 mm/pixel.
  3. Klik på knappen Origin på værktøjslinjen. Indstil oprindelsen af koordinaterne på hvert billede.
  4. Uddrag forskydnings tiden-serie af vibrerende rørledning fra de optagne billeder.
    1. Indlæs de RAW-billeder, der er taget i trin 6. Klik derefter på parameter panelet, Indtast antallet af datafiler og sample rate.
    2. Anvend lavpasfilteret i menuen billedfilter .
      Bemærk: denne operation vil gøre det muligt for kanten af rørledningen (Target skal spores) at være let genkendes på de behandlede billeder (Se figur 3a).
    3. Klik på PTV-moduletpå værktøjslinjen. Klik derefter på knappen sporings punkt , og vælg det midterste punkt på pipelinen. Gå til PTV-værktøjer, Juster gamma, lysport og median filter for at angive pipeline-dispositionen i billedet. Klik på knappen objektsporing på værktøjslinjen. Vælg målområdet (dvs. rørledningen) på det behandlede billede, og spor forskydningen af den vibrerende rørledning fra fortløbende behandlede billeder; Optag tidsserien for forskydning, η(t), for den vibrerende rørledning for efterfølgende flow feltdata processer (Se figur 4).
    4. Eksporter og Gem tidsseriedata for pipeline forskydning for yderligere beregninger.
  5. Bestem øjeblikkelige hastigheds felter fra de optagne billeder.
    1. Gå til PTV-værktøjer, klik på standard knappen for at genoptage RAW-billedet til efterfølgende PIV-analyse. Deaktiver PTV-modulet ved at klikke på PTV-modulet. Åbn parameter panelet på værktøjslinjen. Angiv parameteren for hastigheds vektor beregning.
      Bemærk: i denne undersøgelse, en multi-pass iteration proces er vedtaget som forhør vinduer, som startede fra 32 × 32 pixels, derefter bestået med 16 × 16 pixels, og sluttede med 8 × 8 pixels; alle adgangskort bruger en 50% overlap mellem tilstødende under Vinduer.
    2. Anvend funktionen Laplacian filter i menuen billedfilter på RAW-billederne for at fremhæve de sående partikler og bortfiltrere uønsket sprednings lys (Se figur 3c).
    3. Klik på knappen afgrænsning på værktøjslinjen, Indstil den geometriske maske på billederne for at udelukke havbunds området til yderligere beregning. Klik på knappen til lagring af grænser for at gemme grænse dataene.
    4. Klik på knappen Kør på værktøjslinjen for at beregne de øjeblikkelige hastigheds felter for forskellige vibrerende faser ved hjælp af kryds korrelations metoden.
      Bemærk: i denne undersøgelse, en multi-time interval algoritme er vedtaget for at reducere bias fejl på grund af høj hastighed gradient i flow feltet (Se figur 5). De vedtagne fler tidsintervaller for kryds korrelations beregninger er Δt, 3δt, 9Δt og 21δt (δt = 5 MS). Det tilfredsstillende korrelations kriterium er større end 70%.
    5. Eksporter og Gem de øjeblikkelige hastigheds felter data til yderligere analyse.
  6. Bestem de fase gennemsnit ende hastigheds felter fra de beregnede øjeblikkelige hastigheds felter med algoritmen som beskrevet i newland 199429, 30 og Hsieh 200828.
    Bemærk: beregningsprocedurerne for dette trin er beskrevet som følger:
    1. Anvend Wavelet Transform-funktionen på forskydnings tidsserien, η(t), på den vibrerende rørledning for at opnå den øjeblikkelige fase for hvert øjeblikkelige hastigheds felt. Wavelet Transform-funktionen er defineret som:
      Equation 11
      hvor W. er wavelet koefficient; α og β er henholdsvis skalaen og oversættelses parametrene. funktionen er Morlet-funktionen og beregnes som Equation 2 ; den super skript "*" betegner den komplekse konjugat. De øjeblikkelige faser, Φ, af den vibrerende rørledning, der svarer til de forskellige rørlednings forskydninger, kan beregnes ud fra:
      Equation 32
    2. Gennemsnitlig de øjeblikkelige hastigheds felter med den samme fase for at opnå de fase gennemsnit lige hastigheds felter.
    3. Bestem strømnings vorticiteten, ω2, i den beregnede fase-gennemsnitligt hastigheds felter fra:
      Equation 43
      hvor Equation 5 og Equation v er fase-gennemsnitlige hastigheder langs x og y retninger.
  7. Indlæs den beregnede fase-gennemsnit hastighed og vorticity data i Tecplot software til visualisering.
  8. Bestem den nær-grænse-forskydning og normale belastninger fra de beregnede øjeblikkelige hastigheds felter med algoritmen som beskrevet i Hsieh et al. 2016 9. Beregningsprocedurerne for dette trin er beskrevet som følger:
    1. Udtræk de nær-grænse hastighedsdata (0-5 mm over havbunden) fra de beregnede fase-gennemsnit hastighed flowfelter.
    2. Beregn de nær-grænse forskydnings belastninger, ts og normale belastninger, tn, langs gennemsøge-profilen (ca. 2 mm over gennemsøge-hulgrænsen) for forskellige faser inden for en vibrerende cyklus. Bemærk: beregnings ligninger er som følger:
      Equation 7, Equation 8 (4)
      hvor, μ = den dynamiske viskositet af væsken (heri taget som 1 × 10-3 PA ∙ s); up = nær-grænse hastighed parallelt med sengen; un = nær-grænse hastighed vinkelret på sengen; n = normal afstand fra sengen.
  9. Indlæs den beregnede nær-grænse-forskydning og normale stressdata i en software (f. eks. Tecplot) for visualisering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I figur 3vises et eksempel på sammenligningen mellem RAW-billedet og det behandlede billede af pipeline forskydninger og den øjeblikkelige hastigheds beregning. Som vist i figur 3bfiltreres såpartikler og støj i det rå billede, og den lysende rørlednings kant bevares for at opnå forskydnings tidsserien. Som vist i figur 3cfiltreres lysscatters/refleksioner omkring sånings partiklerne, rørlednings kanten og havbunds overfladen ud af Laplacian-filteret. Et eksempel på forskydnings tiden-rækken af den vibrerende rørledning er vist i figur 4. Vibrationen af rørledningen er næsten Sinusoidal, og vibrations frekvensen og amplitude er henholdsvis 0,3 Hz og ~ 50 mm.

Figur 6 viser et eksempel på billedet af kvasi-ligevægt gennemsøge profil og vibrerende rørledning på t = 1440 min, hvor oprindelsen af koordinaten (x-O-y) af dette studie er sat på skæringspunktet af oprindelige havbunds overflade og rørledningens lodrette midterlinje. Som vist i figur 6kan der ud over de sående partikler observeres meget få suspenderede sediment partikler i strømmen; Derfor blev den rå billedkvalitet ikke kompromitteret. Dette indikerer også, at der blev opnået en kvasiligevægts fase for rørledningen.

Eksempler på den visualiserede fase-gennemsnitligt hastigheds felt og vorticitets dynamik er vist i figur 7. Det skal bemærkes, at på grund af rørledningens skygge under PIV-målingerne har regionen på venstre side af rørledningen ingen data (Se under parceller i figur 7). Som det ses i figur 7, præsenteres ni diskrete faser af strømnings feltet inden for en cyklus af vibrationer. Under rørledningen falder faser (0 ≤ t0/t < 0,5, hvor t er vibrations perioden og t0 er tiden varierer fra 0 til t), et par hvirvler med symmetriske mønstre genereres fra vridnings lag på begge sider af vibrerende rørledning. Umiddelbart efter at rørledningen har nået gennemsøge grøften bund (t0/t = 4/8), er vortex mod uret forvrænget og suget ind i gennemsøge grøften, da rørledningen stiger fra havbunden. For perioden af rørledningen stigende faser (0,5 ≤ t0/t < 1), et andet par hvirvler med modsat roterende retninger til dem i den nedadgående fase er symmetrisk genereret omkring den øverste kant af rørledningen. For en bedre observation af flow dynamikken i figur 7, en tilsvarende video (video 1) lavet af 72 faser (frames) af flowfelter for en cyklus af pipeline vibration er forudsat.

Et eksempel på den nær-grænse shear belastninger, ts og normale belastninger, tn Evolution langs gennemsøge profil inden for en vibrerende cyklus er præsenteret i figur 8. Da strømnings feltet er symmetrisk om y -aksen, er de nær-grænse forskydnings belastninger og normale belastninger, der præsenteres i denne undersøgelse, begrænset til højre halvdel af gennemsøge-profilen (0 < x < 5). Som vist i figur 8, er disse to belastninger normaliseret af værdien af den kritiske seng shear stress, Tc (opnået fra skjolde ' kurve som 0,243 PA) af sandpartikler på en plane seng tilstand. De absolutte værdier af ts og tn inden for gennemsøge grøften og under den vibrerende rørledning stiger betydeligt, når rørledningen falder til sengen eller stigende fra sengen. De regioner, hvor ts og tn udviser maksimums-og minimumsværdier, er i overensstemmelse med udviklingen i strømnings felter mellem den vibrerende rørledning og gennemsøge-grænsen som vist i figur 7.

Figure 1
Figur 1 : Skematisk af den eksperimentelle Flume. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Skematisk af rørledningen model og vibration system set-up. (a) sektions visning, (b) side visning. Dette tal er blevet ændret fra8. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Eksempel på sammenligningen mellem rå og forarbejdede billeder. (a) det rå billede, (b) det forarbejdede billede til sporing af pipeline forskydninger og (c) det behandlede billede til beregning af øjeblikkelig hastighed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Eksempel på forskydnings tiden-serie af vibrerende rørledning at t = 1440 min . Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 : Sammenligning mellem single-time og multi-time interval Cross-korrelations algoritme. Dette tal er gengivet fra9. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6 : Eksempelbillede af kvasi-ligevægt gennemsøge profil på t = 1440 min. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7 : Eksempler på visualiseret fase-gennemsnitligt hastigheds felt og vorticitets dynamik. Dette tal er gengivet fra8. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8 : Eksempel på evolutioner af ts og tn langs gennemsøge profilen inden for en vibrerende cyklus. Den touchdown og liftoff gange refererer til de tidspunkter, hvor bunden af rørledningen bare rører og stiger fra gennemsøge hullet grænsen, hhv. Dette tal er gengivet fra8. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Video 1
Video 1: flow felt Evolution omkring den vibrerende rørledning inden for ligevægt gennemsøge hul. Videoen er lavet af 72 faser (frames) af flowfelter for en cyklus af pipeline vibration. Denne video er gengivet fra8. Venligst klik her for at se denne video. (Højreklik for at downloade.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen præsenteres i dette papir beskriver en metode til visualisering af de to-dimensionelle flowfelter og bestemmelse af de nær-grænse flow stress felter omkring en tvungen vibrerende rørledning i en ligevægt gennemsøge hul ved hjælp af PIV teknikker. Da den designede pipeline bevægelse er endimensional langs y -retningen, er det afgørende forudsætninger for et vellykket resultat at forberede og justere rørlednings modellen og vibrations systemet for at opfylde dette mål. Eventuelle uønskede bevægelser af rørledningen langs x -retningen kan fremkalde asymmetriske strømnings felter og gennemsøge huldannelse omkring den vibrerende rørledning. Ud over apparatets virkninger er valget af vibrationsfrekvens og amplitude af rørledningen til forsøgene også vigtigt for at inducere et symmetrisk strømnings felt omkring rørledningen. Faktisk viste Lin et al.31 , at strukturen af flow recirkulation bag en impulsivt startet cirkulær cylinder kan opretholde sin symmetri, når den ikke-dimensionelle tid td = tdU D/d ≪ 5, hvor tD = cylinder bevægende tid; og UD = cylinder hastighed. For betingelsen, når TD > 5, kan den skrå vortex kaste forekomme omkring cylinderen. I denne undersøgelse kan den maksimale rørlednings hastighed anslås til 2π ƒ • a0, og cylinderens bevægende tid kan tages som 1/2 ƒ, således at den maksimale ikke-dimensionelle tid TD = π a0/D = 4,48.

I forbindelse med PIV-opsætningen er laser arket og kamera justeringerne og valget af partikel valg de kritiske protokol trin til opnåelse af data om flowfelter af høj kvalitet. Kameraets optagelses retning skal være vinkelret på laser arket, ellers vil perspektiv forvrængninger blive vist i de optagne billeder. Da denne metode har til formål at opnå den nær-grænse flow belastninger i en ustabilt flow felt, intensiteten af laseren og placeringen af synsfeltet bør være korrekt indstillet til at undgå stærk lys afspejling af grænsen. De valgte såning partikler nødt til effektivt at sprede den lysende laser ark og være i stand til at følge strømmen strømlinjer uden overdreven afvikling20. Baseret på denne overvejelse, de såning partikler, der anvendes i denne undersøgelse var aluminium pulvere, hvis afregning hastighed blev anslået til at være 92,6 mm/s ved hjælp af Stoke lov. Denne afregning hastighed er ubetydelig i forhold til strømningshastigheder (0,1-0,2 m/s) i nærheden af vibrerende rørledning. For at optimere den eksperimentelle opsætning er det også afgørende at kontrollere kameraets fokus og bestemme kameraets samplingfrekvens for pålidelige målinger.

For data processen fase, er der to udfordringer for at opnå høj kvalitet fase-gennemsnit flowfelter og nær-grænse flow belastninger: (1) nøjagtigt beregne de øjeblikkelige flowfelter og undgå forskydning bias fejl i flow regioner med en stor hastighed gradient; og (2) præcist katalog de optagne billeder, der har den samme vibrerende fase. Til beregning af de øjeblikkelige strømnings felter bestemmer den traditionelle PIV-korrelationsmetode 19 hastigheds vektoren mellem to på hinanden følgende billeder med et fast tidsinterval Δt (Se figur 5a). Denne traditionelle metode er muligvis ikke egnet til denne undersøgelse, fordi det beregnede flow felt kan have betydelige forskydnings fejl i nærheden af den vibrerende rørledning og havbunds grænserne. For at løse dette problem, en multi-time-interval algoritme er vedtaget i dette studie (Se figur 5b).  Ved hjælp af denne metode udføres billed afhøringer gentaget på forskellige billedpar for forskellige valgte intervaller. Hastigheds vektoren ved hvert gitterpunkt bestemmes ud fra estimateringer af passende tidsinterval9,27,28. Det skal bemærkes, at når du bruger denne metode, de rå billede datasæt bør erhverves af en tid løst PIV med en høj sampling rate kamera og kontinuerlig bølge laser. For at overvinde den anden udfordring, dette papir giver en Wavelet omdanne teknik. Ved at anvende Wavelet Transform-funktionen til forskydnings tiden-serie af rørledningen, kan den øjeblikkelige fase af hvert fanget billede beregnes præcist. Denne metode kan også anvendes til at undersøge vortex inducerede vibrations processer, såsom pipeline vibrationer induceret af asymmetri vortex kaste15,27,32.

De vigtigste fordele ved flow målings teknikken, der er beskrevet i dette papir, er høj tidsmæssig og rumlig opløsning, og kapaciteten til samtidigt at opnå rørlednings dynamik, flowfelter og nær-grænse flow belastninger. Ved at bruge denne teknik kan der gennemføres mere dybtgående undersøgelser af rørlednings gennemsøge i komplekse miljøer, og den komplekse mekanisme af skrammer omkring den vibrerende rørledning kunne bedre forstås.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af fonden for unge videnskabsmænd i Kinas National Natural Science Foundation (51709082) og de grundlæggende forskningsfonde for de centrale universiteter (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

Miljøvidenskaber sediment transport lokale Scour flow målinger pipeline-Fluid-havbunds interaktion partikel billede Velocimetri multiple-time-interval tvungen vibration Wavelet transformation
Visualisering af flow felt omkring en vibrerende rørledning inden for en ligevægt Scour hul
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