Visualisering av Flow Field rundt en vibrerende pipeline innenfor en likevekt skuring Hole

Summary

Målet med protokollen er å muliggjøre visualisering av de detaljerte strømnings felt og bestemmelse av nær-grensen skjær og normale påkjenninger innenfor en likevekt skuring hullet indusert av en vibrerende rørledning.

Abstract

En eksperimentell metode er presentert i denne utredningen for å lette visualisering av detaljert flyt felt og bestemmelse av nær-grensen skjær og normal påkjenninger innenfor en likevekt gjennomsøke hullet indusert av en vibrerende rørledning. Denne metoden innebærer gjennomføringen av en pipeline vibrasjon system i en rett flume, en tid-løst partikkel bilde velocimetry (PIV) system for rørledning forskyvning sporing og flyt felt målinger. Forskyvnings tiden-serien av vibrerende rør oppnås ved hjelp av kryss-korrelasjon algoritmer. Trinnene for behandling av rå partikkel Laden bilder innhentet ved hjelp av tids løst PIV er beskrevet. Detaljerte momentant flyt felt rundt vibrerende rørledningen på ulike vibrerende faser beregnes ved hjelp av en fler tidsintervall tvers av korrelasjon algoritme for å unngå forskyvning bias feil i strømnings områder med en stor hastighet gradient . Ved å bruke wavelet transformerings teknikk, blir de innspilte bildene som har samme vibrerende fase, nøyaktig katalogisert før de fase gjennomsnittet av hastighets feltene er oppnådd. De viktigste fordelene med strømnings måling teknikken som er beskrevet i denne utredningen er at den har en svært høy Temporal og romlig oppløsning og kan samtidig brukes til å oppnå rørledningen dynamikk, flyt felt, og nær-grensen flyt påkjenninger. Ved å bruke denne teknikken, mer dyptgående studier av 2-dimensjonale flyt-feltet i et komplekst miljø, for eksempel at rundt en vibrerende rørledning, kan gjennomføres for å bedre forstå de tilknyttede sofistikerte skuring mekanisme.

Introduction

Subsea rørledninger er mye brukt i offshore miljøer i den hensikt å væske eller Hydro-karbon produkter transport. Når en rørledning er plassert på en forsvinnende havbunnen, vil en skuring hull rundt rørledningen trolig danne på grunn av bølgene, strømninger eller dynamiske bevegelser av rørledningen selv (tvungen vibrasjon eller Vortex-indusert-vibrasjon)^1,2. For å forbedre forståelsen av skuring mekanismen rundt en undersjøisk rørledning, målinger av turbulente strømnings felt og estimater av sengen skjær og normal påkjenninger innenfor rørledningen-Fluid-hav bunns interaksjon regionen er avgjørende i tillegg til målinger av skuring hullet dimensjon^{1,2,3,4,5,6,7}. I et miljø der sengen skjær og normal påkjenninger er ekstremt vanskelig å bli bestemt fordi strømnings feltet er ustø og den nederste grensen er grov, målt momentant nær grensen påkjenninger (på ca 2 mm over grensen) kan være brukt som deres surrogat^8,9. I de siste ti årene, skuring rundt en vibrerende rørledning har blitt studert og publisert uten kvantitativt presentere verdiene av sofistikerte flyt feltene rundt rørledningen i skuring hullet^{3,4, 5,10,11},¹²,¹³,^{14,15,16,17, 18 i år}. Derfor er målet med denne metoden papiret for å gi en roman eksperimentell protokoll for å visualisere detaljert flyt felt og å bestemme nær grensen skjær og normal påkjenninger innenfor en likevekt gjennomsøke hullet indusert av en tvungen vibrerende rørledning. Det bør bemerkes at pipeline-Fluid-hav bunns interaksjon prosessen i denne studien er i et Quiescent vann miljø i stedet for de med enveis strøm og bølger.

Denne eksperimentelle metoden består av to viktige komponenter, nemlig (1) simulering av rørledning (tvungen) vibrasjoner; og (2) målinger av strømnings feltene rundt rørledningen. I den første komponenten, den vibrerende rørledningen ble simulert i en eksperimentell flume ved hjelp av en vibrerende system, som har en servo motor, to kobler fjærer, og rørledning støtte rammer. Forskjellige vibrasjons frekvenser og amplituder kan bli simulert ved å justere motorens hastighet og plassering av forbindelses fjærene. I den andre komponenten ble tids løste partikkel bilde velocimetry (PIV) og wavelet transformerings teknikker vedtatt for å oppnå høy Temporal og avstandstoleranse felt data for oppløsning i ulike rørlednings vibrasjons faser. Det tid-løste PIV system består av en sammenhengende bølge laser, en høy-fart kameraet, frø partikler, og krysset-korrelasjon algoritmer. Selv om PIV teknikker har vært mye brukt i å oppnå jevn turbulent Flow felt^{19,20,21,22,23,24,25}, programmer i komplekse ustø Flow feltforhold, for eksempel tilfeller av rørledning-væsker-havbunnen interaksjon, er relativt begrenset^8,9,26,27. Anledningen sannsynligvis er fordi tradisjonell enkelt-tid-intervall krysset-korrelasjon algoritmen av PIV teknikker er ute av stand til å akkurat fange det flyte vise egenskaper inne ustø flyte felter der hvor en relativt høy hastighet gradient er gave^9, og ²⁰. Metoden som er beskrevet i dette dokumentet, kan løse dette problemet ved å bruke fler tidsintervall algoritmen^9,28.

Protocol

1. laboratorie sikkerhet sjekk Les gjennom sikkerhetsreglene knyttet til bruk av laser-og flume systemet. Sørg for at sikkerhets opplærings kravene til laboratoriet er oppfylt.Merk: i dette eksperimentet, et sett med 5W luftkjøling kontinuerlig bølge laser med en bølgelengde på 532 nm og en glass-sidig straight flume (figur 1) med dimensjoner på 11 m lengde, 0,6 m bredde og 0,6 m dybde brukes. De grunnleggende sikkerhets anbefalingene for disse to apparater er …

Representative Results

Et eksempel på sammenligningen mellom rå bildet og behandlet bilde av pipeline forskyvninger sporing og umiddelbar hastighet beregningen er vist i Figur 3. Som vist i Figur 3b, blir seeding partikler og støy i det rå bildet filtrert ut og skinnende rørledning kanten beholdes for å oppnå forskyvning tid serien. Som vist i tall 3c, blir lys scatter/refleksjoner rundt seeding partikler, rørledning kant og hav bunns overflat…

Discussion

Protokollen som presenteres i denne utredningen beskriver en metode for visualisering av de to-dimensjonale flyt felt og bestemmelse av nær-grensen flyt stress felt rundt en tvungen vibrerende rørledning i en likevekt gjennomsøke hullet ved hjelp av PIV teknikker. Siden den utformede rørlednings bevegelsen er en-dimensjonal langs y -retningen, er det å klargjøre og justere rørlednings modellen og vibrasjons systemet for å oppfylle dette målet, kritiske forutsetninger for et vellykket resultat. Eventuell…

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