Visualisering af flow felt omkring en vibrerende rørledning inden for en ligevægt Scour hul
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
