Visualisation du champ de flux autour d'un pipeline vibrant dans un trou d'équilibre
Summary
L’objectif du protocole est de permettre la visualisation des champs d’écoulement détaillés et la détermination du cisaillement proche de la frontière et des contraintes normales dans un trou d’équilibre induit par un pipeline vibrant.
Abstract
Une méthode expérimentale est présentée dans cet article pour faciliter la visualisation des champs d’écoulement détaillés et la détermination du cisaillement proche de la frontière et des contraintes normales dans un trou d’équilibre induit par un pipeline vibrant. Cette méthode implique la mise en œuvre d’un système de vibration de pipeline dans un canal istitule droite, un système de vélocimétrie d’image de particules résolu par le temps (PIV) pour le suivi des déplacements de pipeline et les mesures des champs d’écoulement. Les séries chronologiques de déplacement du pipeline vibrant sont obtenues à l’aide des algorithmes de corrélation croisée. Les étapes de traitement des images chargées de particules brutes obtenues à l’aide du PIV résolu dans le temps sont décrites. Les champs d’écoulement instantanés détaillés autour du pipeline vibrant à différentes phases vibrantes sont calculés à l’aide d’un algorithme de corrélation croisée à intervalles multiples pour éviter l’erreur de biais de déplacement dans les régions de débit avec un gradient de vitesse élevé . En appliquant la technique de transformation des ondes, les images capturées qui ont la même phase vibrante sont cataloguées avec précision avant que les champs de vitesse moyenne de phase ne soient obtenus. Les principaux avantages de la technique de mesure du débit décrite dans cet article sont qu’elle a une résolution temporelle et spatiale très élevée et peut être utilisée simultanément pour obtenir la dynamique du pipeline, les champs d’écoulement et les contraintes de débit proches des limites. En utilisant cette technique, des études plus approfondies du champ d’écoulement bidimensionnel dans un environnement complexe, comme celle autour d’un pipeline vibrant, peuvent être menées pour mieux comprendre le mécanisme d’affouillement sophistiqué associé.
Introduction
Les pipelines sous-marins sont largement utilisés dans les environnements extracôtiers à des fins de transport de produits fluides ou hydro-carbone. Lorsqu’un pipeline est placé sur un fond marin érodable, un trou de récurage autour du pipeline est susceptible de se former en raison des vagues, des courants ou des mouvements dynamiques du pipeline lui-même (vibration forcée ou vibration induite par le vortex)1,2. Pour améliorer la compréhension du mécanisme d’affouillement autour d’un pipeline sous-marin, des mesures des champs d’écoulement turbulents et des estimations du cisaillement du lit et des contraintes normales dans la région d’interaction entre les fluides et les fonds marins sont essentielles en plus de mesures de la dimension trou d’affouillement1,2,3,4,5,6,7. Dans un environnement où le cisaillement du lit et les contraintes normales sont extrêmement difficiles à déterminer parce que le champ d’écoulement est instable et que la limite inférieure est rugueuse, des contraintes instantanées mesurées (à environ 2 mm au-dessus de la limite) pourraient être utilisé comme leur substitut8,9. Au cours des dernières décennies, l’affouillement autour d’un pipeline vibrant a été étudié et publié sans présenter quantitativement les valeurs des champs d’écoulement sophistiqués autour du pipeline dans le trou de récurage3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Par conséquent, l’objectif de ce document de méthode est de fournir un nouveau protocole expérimental pour visualiser les champs d’écoulement détaillés et de déterminer le cisaillement proche de la frontière et les contraintes normales dans un trou d’équilibre induit par un pipeline vibrant forcé. Il convient de noter que le processus d’interaction entre les pipelines et les fonds marins dans le présent cours de cette étude se trouve dans un environnement aquatique calme plutôt que dans un environnement où il y a des courants et des vagues unidirectionnels.
Cette méthode expérimentale se compose de deux composants importants, à savoir (1) la simulation des vibrations de pipeline (forcées); et (2) les mesures des champs d’écoulement autour du pipeline. Dans le premier composant, le pipeline vibrant a été simulé dans un canal expérimental à l’aide d’un système vibrant, qui a un moteur servo, deux ressorts de raccordement, et des cadres de soutien de pipeline. Différentes fréquences de vibration et amplitudes peuvent être simulées en ajustant la vitesse du moteur et l’emplacement des ressorts de connexion. Dans le deuxième composant, les techniques de velocimétrie d’image de particules résolues dans le temps (PIV) et de transformation des ondes ont été adoptées pour obtenir des données temporelles et spatiales de champ de flux à haute résolution temporelle et spatiale à différentes phases de vibration du pipeline. Le système PIV résolu dans le temps se compose d’un laser à ondes continues, d’une caméra haute vitesse, de particules d’ensemencement et d’algorithmes de corrélation croisée. Bien que les techniques PIV ont été largement utilisés dans l’obtention de champs de flux turbulents réguliers19,20,21,22,23,24,25, les applications dans des conditions complexes de champ d’écoulement instable, telles que les cas d’interaction pipeline-fluides-fonds marins, sont relativement limitées8,9,26,27. La raison en est probablement parce que l’algorithme traditionnel de corrélation croisée à intervalle unique des techniques PIV est incapable de capturer avec précision les caractéristiques de débit dans les champs d’écoulement instables où un gradient de vitesse relativement élevé est présent9, 20. La méthode décrite dans cet article peut résoudre ce problème en utilisant l’algorithme de corrélation croisée à intervalles multiples9,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole présenté dans cet article décrit une méthode de visualisation des champs d’écoulement bidimensionnels et la détermination des champs de stress d’écoulement proche de la frontière autour d’un pipeline vibrant forcé dans un trou d’équilibre de récurage en utilisant les techniques De PIV. Étant donné que le mouvement du pipeline conçu est unidimensionnel le long de la direction y, la préparation et l’ajustement du modèle de pipeline et du système de vibration pour atteindre cet object…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été soutenus par le Fonds des jeunes scientifiques de la National Natural Science Foundation of China (51709082) et les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (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 |
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