Visualización del campo de flujo alrededor de una tubería vibratoria dentro de un agujero de barrido de equilibrio

Summary

El objetivo del protocolo es permitir la visualización de los campos de flujo detallados y la determinación de la cizalladura cercana al límite y las tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria.

Abstract

En este documento se presenta un método experimental para facilitar la visualización de los campos de flujo detallados y la determinación de la cizalladura casi límite y las tensiones normales dentro de un orificio de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria. Este método implica la implementación de un sistema de vibración de tuberías en un flujo recto, un sistema de velocimetría de imagen de partículas (PIV) resuelto en el tiempo para el seguimiento del desplazamiento de la tubería y mediciones de campos de flujo. Las series temporales de desplazamiento de la canalización vibratoria se obtienen mediante los algoritmos de correlación cruzada. Se describen los pasos para procesar imágenes con partículas crudas cargados obtenidos mediante el PIV resuelto en el tiempo. Los campos de flujo instantáneodetallados alrededor de la tubería vibratoria en diferentes fases vibratorias se calculan mediante el uso de un algoritmo de correlación cruzada de intervalo de tiempo múltiple para evitar el error de sesgo de desplazamiento en las regiones de flujo con un gradiente de velocidad grande . Al aplicar la técnica de transformación de la leta de onda, las imágenes capturadas que tienen la misma fase vibratoria se catalogan con precisión antes de obtener los campos de velocidad promediados por fase. Las principales ventajas de la técnica de medición de flujo descrita en este documento son que tiene una resolución temporal y espacial muy alta y se puede utilizar simultáneamente para obtener la dinámica de tubería, los campos de flujo y las tensiones de flujo casi límite. Mediante el uso de esta técnica, se pueden realizar estudios más detallados del campo de flujo de 2 dimensiones en un entorno complejo, como el que rodea una tubería vibratoria, para comprender mejor el sofisticado mecanismo de escariado asociado.

Introduction

Las tuberías submarinas se utilizan ampliamente en entornos offshore con el propósito de transportar productos fluidos o hidrocarbonos. Cuando se coloca una tubería en un fondo marino erosionable, es probable que se forme un agujero alrededor de la tubería debido a las ondas, corrientes o movimientos dinámicos de la propia tubería (vibración forzada o vibración inducida por vórtice)^1,2. Para mejorar la comprensión del mecanismo de escudería alrededor de una tubería submarina, las mediciones de los campos de flujo turbulento y las estimaciones de la cizalla duradel lecho y las tensiones normales dentro de la región de interacción entre los fluidos y los fondos marinos son esenciales medidas del orificio de escarcha dimensión^1,2,3 ,^4,5,6,7. En un entorno donde la cizalladura del lecho y las tensiones normales son extremadamente difíciles de determinar porque el campo de flujo es inestable y el límite inferior es áspero, las tensiones instantáneas cercanas a las tensiones (aproximadamente 2 mm por encima del límite) podrían ser utilizado como su sustituto^8,9. En las últimas décadas, se ha estudiado y publicado una tubería vibratoria sin presentar cuantitativamente los valoresde los sofisticados campos de flujo alrededor de la tubería dentro del agujero 3,^{4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18}. Por lo tanto, el objetivo de este papel de método es proporcionar un protocolo experimental novedoso para visualizar los campos de flujo detallados y determinar la cizallacasiy casi límite y las tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria forzada. Cabe señalar que el proceso de interacción oleoducto-fluido-semillero en este estudio está en un ambiente de agua en reposo en lugar de aquellos con corrientes y ondas unidireccionales.

Este método experimental consta de dos componentes importantes, a saber, (1) simulación de vibraciones de tubería (forzadas); y (2) mediciones de los campos de flujo alrededor de la tubería. En el primer componente, la tubería vibratoria se simuló en un flujo experimental mediante el uso de un sistema de vibración, que tiene un servomotor, dos muelles de conexión y marcos de soporte de tubería. Se pueden simular diferentes frecuencias y amplitudes de vibración ajustando la velocidad del motor y la ubicación de los muelles de conexión. En el segundo componente, se adoptaron las técnicas de transformación de la imagen de partícula (PIV) y de la onda resueltas en el tiempo para obtener datos de campo de flujo de resolución temporal y espacial elevados en diferentes fases de vibración de tubería. El sistema PIV resuelto en el tiempo consiste en un láser de onda continua, una cámara de alta velocidad, partículas de sembración y algoritmos de correlación cruzada. Aunque las técnicas PIV se han utilizado ampliamente en la obtención de campos de flujo turbulento constante^{19,20,21,22,23,24,25}, aplicaciones en condiciones complejas de campo de flujo inestable, como casos de interacción de tuberías-fluidos-fondos marinos, son relativamente limitadas^8,9,26,27. La razón es probablemente porque el algoritmo tradicional de correlación entre intervalos de tiempo único de las técnicas PIV es incapaz de capturar con precisión las entidades de flujo en campos de flujo inestable donde hay un gradiente de velocidad relativamente alta^{9, 20}. El método descrito en este documento puede resolver este problema utilizando el algoritmo de correlación cruzada de intervalo múltiple^9,28.

Protocol

1. Comprobación de seguridad de laboratorio Revise las normas de seguridad relativas al uso del sistema láser y de combustión. Asegurarse de que se han cumplido los requisitos de formación en seguridad del laboratorio.NOTA: En este experimento, se utiliza un conjunto de láser de onda continua de enfriamiento de aire de 5W con una longitud de onda de 532 nm y un flujo recto de lado de vidrio (Figura1) con dimensiones de 11 m de longitud, 0,6 m de ancho y 0,6 m de …

Representative Results

En la Figura 3se muestra un ejemplo de la comparación entre la imagen sin procesar y la imagen procesada del seguimiento de desplazamientos de tuberías y el cálculo instantáneo de la velocidad. Como se muestra en la Figura 3b, las partículas de sembrado y el ruido de la imagen sin procesar se filtran y se conserva el borde de tubería brillante para obtener la serie temporal de desplazamiento. Como se muestra en las figuras 3c,</str…

Discussion

El protocolo presentado en este documento describe un método para la visualización de los campos de flujo bidimensionales y la determinación de los campos de tensión de flujo cercano según la frontera alrededor de una tubería vibratoria forzada en un agujero de barrido de equilibrio mediante el uso de las técnicas PIV. Dado que el movimiento de tubería diseñado es unidimensional a lo largo de la dirección y, preparar y ajustar el modelo de tubería y el sistema de vibración para cumplir este objetivo…

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