Visualizzazione del campo di flusso intorno a una pipeline vibrante all'interno di un foro di equilibrio
Summary
L’obiettivo del protocollo è consentire la visualizzazione dei campi di flusso dettagliati e la determinazione del taglio vicino al confine e delle sollecitazioni normali all’interno di un foro acido di equilibrio indotto da una conduttura vibrante.
Abstract
Un metodo sperimentale è presentato in questo documento per facilitare la visualizzazione dei campi di flusso dettagliati e la determinazione della cesoia vicino al confine e delle sollecitazioni normali all’interno di un foro acicolo indotta da una conduttura vibrante. Questo metodo prevede l’implementazione di un sistema di vibrazione della conduttura in un flusso dritto, un sistema PIV (Particle Image Velocimetry) risolto nel tempo per il rilevamento dello spostamento della pipeline e le misurazioni dei campi di flusso. La serie temporale di spostamento della pipeline vibrante viene ottenuta utilizzando gli algoritmi di correlazione incrociata. Vengono descritti i passaggi per l’elaborazione di immagini cariche di particelle grezze ottenute utilizzando il PIV risolto nel tempo. I campi di flusso istantanei dettagliati intorno alla pipeline vibrante in diverse fasi di vibrazione vengono calcolati utilizzando un algoritmo di correlazione incrociata a intervalli multipli per evitare errori di distorsione di spostamento nelle aree di flusso con un gradiente di velocità elevato . Applicando la tecnica di trasformazione wavelet, le immagini catturate che hanno la stessa fase vibrante vengono accuratamente catalogate prima che vengano ottenuti i campi di velocità media di fase. I principali vantaggi della tecnica di misurazione del flusso descritta in questo documento sono che ha una risoluzione temporale e spaziale molto elevata e può essere utilizzata contemporaneamente per ottenere le dinamiche della conduttura, i campi di flusso e le sollecitazioni di flusso vicine al limite. Utilizzando questa tecnica, è possibile condurre studi più approfonditi del campo di flusso bidimensionale in un ambiente complesso, come quello intorno a una pipeline vibrante, per comprendere meglio il meccanismo di perlustre sofisticato associato.
Introduction
Le condutture sottomarine sono ampiamente utilizzate in ambienti offshore ai fini del trasporto di prodotti fluidi o idroelettrici. Quando una conduttura è posta su un fondale erodibile, è probabile che si formi un foro di cervo intorno alla conduttura a causa delle onde, delle correnti o dei movimenti dinamici della conduttura stessa (vibrazione forzata o vibrazione indotta dal vortice)1,2. Per migliorare la comprensione del meccanismo di seta di setaccio intorno a una conduttura sottomarina, le misurazioni dei campi di flusso turbolenti e le stime della cesoia del letto e le normali sollecitazioni all’interno della regione di interazione conduttura-fluido-fondale sono essenziali oltre che misure del foro di setaccio dimensione1,2,3,4,5,6,7. In un ambiente in cui la cesoia del letto e le sollecitazioni normali sono estremamente difficili da determinare perché il campo di flusso è instabile e il limite inferiore è ruvido, le sollecitazioni istantanee vicine ai confini (a circa 2 mm sopra il confine) potrebbero essere usato come loro surrogato8,9. Negli ultimi decenni, la perlura attorno a una conduttura vibrante è stata studiata e pubblicata senza presentare quantitativamente i valori dei sofisticati campi di flusso intorno alla conduttura all’interno del foro aforatura3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Pertanto, l’obiettivo di questo metodo di carta è quello di fornire un nuovo protocollo sperimentale per visualizzare i campi di flusso dettagliati e per determinare la cesoia vicino al confine e le sollecitazioni normali all’interno di un foro acido equilibrio indotto da una conduttura vibrante forzata. Va notato che il processo di interazione conduttura-fluido-fondale marino in questo studio si trova in un ambiente idrico quiescente piuttosto che in quelli con correnti e onde unidirezionali.
Questo metodo sperimentale è costituito da due componenti importanti, vale a dire, (1) simulazione di condotte (forzate) vibrazioni; e (2) misurazioni dei campi di flusso intorno alla conduttura. Nel primo componente, la tubazione vibrante è stata simulata in un flume sperimentale utilizzando un sistema vibrante, che ha un motore servo, due molle di collegamento e telai di supporto della conduttura. È possibile simulare diverse frequenze di vibrazione e ampiezze regolando la velocità e la posizione del motore delle molle di collegamento. Nel secondo componente, sono state adottate le tecniche PIV (Particle Image velocimetry) e wavelet (Miraggio) risolte nel tempo per ottenere dati di flusso ad alta risoluzione temporale e spaziale in diverse fasi di vibrazione della tubazione. Il sistema PIV risolto nel tempo è costituito da un laser a onda continua, una telecamera ad alta velocità, particelle di seeding e algoritmi di correlazione incrociata. Sebbene le tecniche PIV siano state ampiamente utilizzate per ottenere campi di flusso turbolenti costanti19,20,21,22,23,24,25, applicazioni in complesse condizioni di campo di flusso instabile, come i casi di conduttura-fluidi-interazione con i fondali marini, sono relativamente limitate8,9,26,27. Il motivo probabilmente è che il tradizionale algoritmo di correlazione incrociato a intervalli temporali singoli delle tecniche PIV non è in grado di acquisire con precisione le caratteristiche del flusso in campi di flusso instabili in cui è presente un gradiente di velocità relativamente elevato9, 20. Il metodo descritto in questo documento può risolvere questo problema utilizzando l’algoritmo di correlazione incrociata a intervalli di tempo multiplo9,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo presentato in questo documento descrive un metodo per la visualizzazione dei campi di flusso bidimensionali e la determinazione dei campi di sollecitazione del flusso vicino al limite intorno a una conduttura vibrante forzata in un foro acicolo di equilibrio utilizzando le tecniche PIV. Poiché il movimento della conduttura progettato è unidimensionale lungo la direzione y, la preparazione e la regolazione del modello di tubazione e del sistema di vibrazione per raggiungere questo obiettivo sono p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal Fondo per giovani scienziati della National Natural Science Foundation of China (51709082) e dai Fondi fondamentali di ricerca per le università centrali (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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