Visualisatie van het stroom veld rond een trillende pijpleiding binnen een evenwichts-gat
Summary
Het doel van het protocol is om visualisatie van de gedetailleerde stromings velden en de bepaling van de nabije grens afschuiving en normale spanningen binnen een evenwichts gat dat door een trillende pijpleiding wordt geïnduceerd, mogelijk te maken.
Abstract
Een experimentele methode wordt in dit document gepresenteerd om visualisatie van de gedetailleerde stromings velden en de bepaling van de nabije grens afschuiving en normale spanningen binnen een evenwichts opening door een trillende pijpleiding te vergemakkelijken. Deze methode omvat de implementatie van een pijpleiding trillingssysteem in een straight Flume, een tijdvercijfeerd deeltjesafbeeldingsvelocimetrie (PIV) systeem voor het volgen van pijpleidingen en flow velden metingen. De Verplaatsingstijd-reeks van de trillende pijplijn worden verkregen met behulp van de cross-correlatie-algoritmen. De stappen voor de verwerking van onbewerkte deeltjes beladen afbeeldingen die zijn verkregen met behulp van de door de tijd opgeloste PIV worden beschreven. De gedetailleerde momentane stroomvelden rond de trillende pijpleiding in verschillende trillende fasen worden berekend met behulp van een multiple-time-interval cross-correlatie-algoritme om te voorkomen dat verplaatsing bias fout in de stroomgebieden met een grote snelheid gradiënt . Door toepassing van de wavelet Transform-techniek worden de vastgelegde beelden met dezelfde trillingsfase nauwkeurig gecatalogeerd voordat de fasegemiddelde snelheids velden worden verkregen. De belangrijkste voordelen van de stromings meettechniek die in dit artikel wordt beschreven, zijn dat het een zeer hoge temporele en ruimtelijke resolutie heeft en tegelijkertijd kan worden gebruikt om de pijplijn dynamiek, stroomvelden en near-boundary stroomspanningen te verkrijgen. Door deze techniek te gebruiken, kunnen meer diepgaande studies van het 2-dimensionale stromings veld in een complexe omgeving, zoals die rond een trillende pijpleiding, worden uitgevoerd om het bijbehorende verfijnde af-mechanisme beter te begrijpen.
Introduction
Onderzeese pijpleidingen worden veel gebruikt in offshore-omgevingen met het oog op vloeistof of hydro-koolstofproducten vervoer. Wanneer een pijpleiding op een erosief zeebodem wordt geplaatst, zal een af gat rond de pijpleiding waarschijnlijk ontstaan door de golven, stromingen of dynamische bewegingen van de pijpleiding zelf (geforceerde trillingen of Vortex-geïnduceerde trillingen)1,2. Om het inzicht in het af mechanisme rond een onderzeese pijpleiding te verbeteren, zijn metingen van de turbulente stromings velden en schattingen van de bedshear en normale spanningen binnen de pijpleiding-vloeistof-zeebodem interactie regio essentieel naast metingen van de af hole afmeting1,2,3,4,5,6,7. In een omgeving waar de bedafschuiving en de normale spanningen uiterst moeilijk te bepalen zijn omdat het stroom veld onstabiel is en de bodem grens ruw is, worden gemeten ogenblikkelijke nabij-grens spanningen (bij ongeveer 2 mm boven de grens) gebruikt als hun surrogaat van8,9. In de afgelopen decennia is het af rond een trillende pijpleiding bestudeerd en gepubliceerd zonder kwantitatief de waarden te presenteren van de geavanceerde stromings velden rond de pijpleiding binnen het af-gat3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Daarom is het doel van dit methode papier om een nieuw experimenteel protocol te bieden voor het visualiseren van de gedetailleerde stromings velden en om de nabije grens afschuiving en normale spanningen te bepalen binnen een evenwichts opening die door een geforceerde trillende pijpleiding wordt geïnduceerd. Opgemerkt moet worden dat de pijpleiding-vloeistof-zeebodem interactie proces in deze studie is in een rust water omgeving in plaats van die met unidirectionele stromingen en golven.
Deze experimentele methode bestaat uit twee belangrijke onderdelen, namelijk (1) simulatie van pijpleidingen (geforceerde) trillingen; en (2) metingen van de stroomvelden rond de pijplijn. In de eerste component, de trillende pijpleiding werd gesimuleerd in een experimentele Flume met behulp van een vibrerend systeem, die een servomotor, twee aansluitende veren en pijpleiding ondersteunende frames heeft. Verschillende trillingsfrequenties en amplituden kunnen worden gesimuleerd door de motor snelheid en locatie van de verbindende veren aan te passen. In het tweede onderdeel werden de tijd opgeloste deeltjes afbeelding velocimetrie (PIV) en wavelet-transformatie technieken aangenomen om hoge temporele en ruimtelijke resolutie flow veldgegevens bij verschillende pijplijn trillingsfasen te verkrijgen. Het door de tijd opgeloste PIV-systeem bestaat uit een continue golf laser, een high-speed camera, zaaien van deeltjes en cross-correlatie-algoritmen. Hoewel PIV-technieken op grote schaal zijn gebruikt bij het verkrijgen van gestage turbulente stromings velden19,20,21,22,23,24,25, toepassingen in complexe onstabiele stroom veldomstandigheden, zoals gevallen van pijpleiding-vloeistoffen-zeebodem interactie, zijn relatief beperkt8,9,26,27. De reden is waarschijnlijk omdat traditionele single-time-interval cross-correlatie-algoritme van PIV-technieken niet in staat is om nauwkeurig de stroom functies vast te leggen in onstabiele stroomvelden waar een relatief hoge snelheid gradiënt aanwezig is9, 20. De methode die in dit artikel wordt beschreven, kan dit probleem oplossen met behulp van het algoritme voor meervoudige correlatie met meerdere tijdsintervallen9,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het protocol in dit artikel beschrijft een methode voor de visualisatie van de tweedimensionale stromings velden en de bepaling van de near-boundary flow stress velden rond een geforceerde trillende pijpleiding in een evenwichts af gat met behulp van de PIV-technieken. Omdat de ontworpen pipeline-beweging eendimensionaal is langs de y -richting, zijn het voorbereiden en aanpassen van het pijplijn model en het trilsysteem om deze doelstelling te verwezenlijken essentiële vereisten voor een geslaagde uitkomst. On…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door het jonge wetenschappers Fonds van de National Natural Science Foundation of China (51709082) en de fundamentele onderzoeksfondsen voor de centrale universiteiten (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).
