ויזואליזציה של שדה זרימה סביב צינור רטט בתוך שיווי משקל החור לסרוק
Summary
מטרת הפרוטוקול היא לאפשר ויזואליזציה של שדות הזרימה המפורטים וקביעת ההטיה הכמעט-מאובית והלחצים הרגילים בתוך חור שאינו מלווה בשיווי משקל הנגרם על ידי צינור רוטט.
Abstract
שיטה ניסיונית מוצגת במאמר זה כדי להקל על ויזואליזציה של שדות הזרימה המפורטים וקביעת ההטיה הכמעט-מאובית והלחצים הרגילים בתוך חור שאינו שיווי משקל הנגרם על ידי צינור רוטט. שיטה זו כוללת את היישום של מערכת הרטט צינור ב flume ישר, תמונה חלקיקים בזמן שנפתרה (PIV) מערכת מעקב הזחה צינור מדידות שדות זרימה. סדרת זמן העקירה של צינור הרטט מתקבלות באמצעות אלגוריתמי המתאם החוצה. השלבים לעיבוד לנפח גלם של חלקיקים גולמיים המתקבלים באמצעות PIV שנפתרה הזמן מתוארים. שדות הזרימה המפורטים מפורטים סביב קו הצינורות הרוטט בשלבי רטט שונים מחושבים באמצעות אלגוריתם התאמה מרובה מרווחי זמן, כדי למנוע שגיאת הטיית הזחה באזורי הזרימה באמצעות מעבר מהירות גדול . על-ידי החלת טכניקת השינוי האדוה, התמונות שנלכדו באותו שלב רוטט מקוטלגים במדויק לפני השגת שדות המהירות שלב-ממוצעים. היתרונות המרכזיים של טכניקת המדידה של הזרימה המתוארים בנייר זה הם שהוא בעל רזולוציה גבוהה מאוד ומרחבית, וניתן להשתמש בו זמנית כדי להשיג את הדינמיקה של הצינור, שדות הזרימה ומדגיש זרימת הגבול הקרוב. באמצעות טכניקה זו, מחקרים מעמיקים יותר של שדה הזרימה דו מימדי בסביבה מורכבת, כגון זה סביב צינור רוטט, ניתן לנהל כדי להבין טוב יותר את המנגנון לסרוק מתוחכם הקשורים.
Introduction
צינורות subsea נמצאים בשימוש נרחב בסביבות offshore למטרת נוזל או הידרו פחמן מוצרים הובלה. כאשר צינור ממוקם על קרקעית הים חרושים, חור לסרוק סביב הצינור הוא עשוי להיווצר בגלל גלי, זרמים או תנועות דינמיות של צינור עצמו (כפוי ברטט או מערבולת המושרה-רטט)1,2. כדי לשפר את ההבנה של מנגנון לסרוק סביב צינור תת ימיים, מדידות של שדות הזרימה הסוערת והערכות של הטיה המיטה ומדגיש נורמלי בתוך הצינור-נוזלי-קרקעית התקשורת האזור הם חיוניים בנוסף מדידות של מימד החור לסרוק1,2,3,4,5,6,7. בסביבה שבה המיטה להטות ומדגיש נורמלי קשה מאוד להיות נחושים כי שדה הזרימה הוא לא יציב והגבול התחתון הוא מחוספס, נמדד מיידי קרוב לגבול מדגיש (בערך 2 מ”מ מעל הגבול) יכול להיות משמש כפונדקאית שלהם8,9. בעשורים האחרונים, לסרוק סביב צינור רוטט כבר למד ופורסם ללא כימות הצגת הערכים של שדות הזרימה מתוחכמים סביב הצינור בתוך החור לסרוק3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, . שמונה עשרה לפיכך, המטרה של נייר שיטה זה היא לספק פרוטוקול ניסיוני הרומן להמחיש את שדות הזרימה המפורטת ולקבוע את ההטיה הקרובה ואת הלחצים הרגילים בתוך חור שיווי משקל המושרה על ידי צינור רוטט כפוי. יש לציין כי תהליך הפעולה של צנרת נוזלי-קרקעית-הים במחקר זה הוא בסביבת מים השקט יותר ולא אלה עם זרמים חד כיווני וגלים.
שיטה ניסיונית זו מורכבת משני רכיבים חשובים, כלומר, (1) הדמיה של צינור (מאולץ) תנודות; ו (2) מדידות של שדות הזרימה סביב הצינור. במרכיב הראשון, צינור רוטט היה מדומה תעלת ניסיוני באמצעות מערכת רטט, אשר יש מנוע סרוו, שני מעיינות חיבור, צינור תומך מסגרות. תדרי רטט שונים והגברה יכולים להיות מדומים על ידי התאמת המהירות המוטורית והמיקום של המעיינות המחוברים. ברכיב השני, ולוסיצימטריה של תמונת חלקיק בזמן (PIV) ו אדוה שינוי טכניקות אומצו כדי לקבל בזמן התיכון ורזולוציה מרחבית הנתונים בשדה זרימת בשלבים שונים של הצינור. מערכת PIV נפתרה הזמן מורכב לייזר גל רציפה, מצלמה במהירות גבוהה, זריעת חלקיקים, ואלגוריתמים המתאם החוצה. למרות טכניקות piv כבר נעשה שימוש נרחב בקבלת שדות זרימה סוערת יציבה19,20,21,22,23,24,25, יישומים בתנאי שדה זרימה בלתי יציבים מורכבים, כגון מקרים של האינטראקציה של צינור-נוזלים-קרקעית הים, הם מוגבלים יחסית8,9,26,27. הסיבה כנראה היא בגלל המסורתי חד פעמי מרווח האלגוריתם מתאם החוצה של טכניקות PIV אינו מסוגל ללכוד במדויק את תכונות הזרימה בשדות זרימה בלתי יציב שבו מעבר הדרגתי גבוהה יחסית מהירות הוא הנוכחי9, . עשריםדולר השיטה המתוארת בנייר זה יכולה לפתור בעיה זו על-ידי שימוש באלגוריתם המתאם הצולב מרובה הזמן המספר9,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המוצג במאמר זה מתאר שיטה להדמיה של שדות הזרימה הדו-ממדיים וקביעת שדות המתח של הזרימה הכמעט-ממדית סביב צינור רוטט כפוי בחור שאינו מאזן שיווי משקל באמצעות טכניקות PIV. מאז התנועה צינור מעוצב הוא חד מימדי לאורך y כיוון, הכנת וכוונון מודל צינור ומערכת רטט להגשים מטרה זו הן מוקדמות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי קרן המדענים הצעירים של הקרן הלאומית למדע הטבע של סין (51709082) ואת קרנות המחקר הבסיסי של האוניברסיטאות המרכזיות (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).
