Визуализация потока поле вокруг вибрирующего трубопровода в равновесных Scour hole
Summary
Цель протокола состоит в том, чтобы обеспечить визуализацию подробных полей потока и определение ближнего пограничного сдвига и нормальных напряжений в равновесном рыскании отверстие индуцированное вибрирующим трубопроводом.
Abstract
Экспериментальный метод представлен в этой работе для облегчения визуализации подробных полей потока и определения ближнего пограничного сдвига и нормальных напряжений в равновесном рыскании отверстие индуцированной вибрирующим трубопроводом. Этот метод включает в себя внедрение системы вибрации трубопровода в прямой флейм, временно решенной системы велоциметрии изображения частиц (PIV) для отслеживания смещения трубопровода и измерений полей потока. Временные временные ряды вибрирующего трубопровода получаются с помощью алгоритмов кросс-корреляции. Описаны шаги по обработке груженых изображений необработанных частиц, полученных с помощью разрешенного во времени PIV. Подробные поля мгновенного потока вокруг вибрирующего трубопровода на различных вибрирующих фазах рассчитываются с помощью многовременного интервала кросс-корреляции алгоритма, чтобы избежать ошибки смещения смещения в регионах потока с большим градиентом скорости . Применяя технику преобразования волнообразов, захваченные изображения, которые имеют ту же фазу вибрации, точно каталогизируются до получения полей усредненных скоростей. Ключевыми преимуществами метода измерения потока, описанного в настоящей статье, является то, что он имеет очень высокое временное и пространственное разрешение и может одновременно использоваться для получения динамики трубопровода, полей потока и приблизительных напряжений потока. С помощью этого метода можно проводить более углубленные исследования 2-мерного поля потока в сложной среде, например, вокруг вибрирующего трубопровода, чтобы лучше понять связанный с ним сложный механизм рыскания.
Introduction
Подводные трубопроводы широко используются в морских средах для транспортировки жидких или гидроуглеродных продуктов. Когда трубопровод находится на эродируемом морском дне, рыскание отверстие вокруг трубопровода, вероятно, образуется из-за волн, течений или динамических движений самого трубопровода (принудительной вибрации или вихревой индуцированной вибрации)1,2. Для улучшения понимания механизма рыскания вокруг подводного трубопровода, измерения бурных полей потока и оценки сдвига кровати и нормальных напряжений в области взаимодействия трубопровода-жидкости и морского дна имеют важное значение в дополнение к измерения размером рыскания1,2,3,4,5,6,7. В среде, где сдвига кровати и нормальные стрессы чрезвычайно трудно определить, потому что поле потока является нестационарным и нижняя граница грубая, измеряется мгновенных приблизительных напряжений (примерно на 2 мм выше границы) может быть используется в качестве их суррогатной8,9. В последние несколько десятилетий, рыскать вокруг вибрирующего трубопровода был изучен и опубликован без количественного представления значений сложных полей потока вокруг трубопровода в рыскание отверстие3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Таким образом, цель этого метода бумаги заключается в том, чтобы обеспечить новый экспериментальный протокол для визуализации подробных полей потока и определить ближайший пограничный сдвига и нормальных напряжений в равновесной рыскать отверстие индуцированной принудительного вибрирующего трубопровода. Следует отметить, что процесс взаимодействия трубопровода и жидкости и морского дна в данном исследовании находится в спокойной водной среде, а не с однонаправленными течениями и волнами.
Этот экспериментальный метод состоит из двух важных компонентов, а именно: (1) моделирование трубопроводных (принудительных) вибраций; и (2) измерения полей потока вокруг трубопровода. В первом компоненте вибрирующий трубопровод был смоделирован в экспериментальном флейме с помощью вибрирующей системы, которая имеет сервопривод, два соединительных пружина и опорные рамы трубопровода. Различные частоты вибрации и амплитуды могут быть смоделированы путем регулировки скорости двигателя и расположения соединительных пружин. Во втором компоненте были приняты методы измерения образов частиц (PIV) и волнообразной трансформации для получения данных о потоке высокого временного и пространственного разрешения на различных фазах вибрации трубопровода. Система PIV, разрешаемые по времени, состоит из непрерывного волнового лазера, высокоскоростной камеры, посевных частиц и алгоритмов кросс-корреляции. Хотя методы PIV были широко использованы в получении устойчивых бурных полей потока19,20,21,22,23,24,25, применения в сложных условиях нестационарного течения, таких как случаивзаимодействия трубопроводных жидкостей и морского дна, относительно ограничены 8,9,26,27. Причина, вероятно, потому, что традиционный одноразовый межрайонный кросс-корреляционный алгоритм методов PIV не в состоянии точно захватить функции потока в нестационарных полях потока, где присутствует относительно высокий градиент скорости9, 20. Метод, описанный в настоящем документе, может решить эту проблемус помощью многократного межкорреляционного алгоритма 9,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол, представленный в настоящем документе, описывает метод визуализации двухмерных полей потока и определения ближайших пограничных полей напряжения потока вокруг принудительного вибрирующего трубопровода в равновесном рыскании отверстие с помощью методов PIV. Поскольку проек?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Фондом молодых ученых Национального фонда естественных наук Китая (51709082) и Фондами фундаментальных исследований для центральных университетов (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).
