Visualisering av flödesfält runt en vibrerande rörledning inom en jämvikt skur hål
Summary
Målet med protokollet är att möjliggöra visualisering av detaljerade flödes fält och bestämning av nära gränsen skjuvning och normala påfrestningar inom en jämvikt skura hål induceras av en vibrerande pipeline.
Abstract
En experimentell metod presenteras i denna uppsats för att underlätta visualisering av detaljerade flödes fält och bestämning av nära gränsen skjuvning och normala påfrestningar inom en jämvikt skura hål induceras av en vibrerande pipeline. Denna metod innebär genomförandet av en pipeline vibrationssystem i en rak FLUME, en tidslöst partikel bild Velocimetry (PIV) system för pipeline förskjutning spårning och flöde fältmätningar. Förskjutnings tidsserien för den vibrerande pipelinen erhålls med hjälp av korrelationsalgoritmerna. Stegen för bearbetning av rå partikel lastade bilder som erhållits med hjälp av tidslösta PIV beskrivs. De detaljerade momentana flödes fälten runt den vibrerande rörledningen vid olika vibrations faser beräknas med hjälp av en korskorrelationsalgoritm med flera tids intervall för att undvika förskjutnings fel i flödes områdena med en stor hastighets lutning . Genom att tillämpa Wavelet Transform teknik, de tagna bilder som har samma vibrerande fas är korrekt katalogiseras innan fas-genomsnitt hastighet fält erhålls. De viktigaste fördelarna med den flödes mätningsteknik som beskrivs i detta dokument är att den har en mycket hög tidsmässig och rumslig upplösning och kan samtidigt användas för att erhålla pipeline-dynamik, flödes fält och närgräns-flödesspänningar. Genom att använda denna teknik, mer djupgående studier av det 2-dimensionella flödet fältet i en komplex miljö, som runt en vibrerande pipeline, kan utföras för att bättre förstå den tillhörande sofistikerade skura mekanism.
Introduction
Subsea rörledningar används ofta i offshore-miljöer för flytande eller Hydro-Carbon produkter transport. När en rörledning placeras på en erodibel havsbotten, är ett hål runt rörledningen sannolikt att bildas på grund av vågorna, strömmar eller dynamiska rörelser i själva rörledningen (påtvingad vibration eller Vortex-inducerad-vibration)1,2. För att förbättra förståelsen av skura-mekanismen kring en Undervattensledning är mätningar av de turbulenta flödes fälten och skattningarna av sängskjuvning och normal påfrestning inom interaktions regionen för rörledningar-flytande havs bottnade nödvändiga utöver mätningar av skura hål dimension1,2,3,4,5,6,7. I en omgivning där sängskjuvning och normala påfrestningar är extremt svåra att fastställa eftersom flödes fältet är ostadigt och botten gränsen är grov, mäts momentan omedelbara närgräns spänningar (ca 2 mm ovanför gränsen) används som surrogat8,9. Under de senaste decennierna har skura runt en vibrerande rörledning studerats och publicerats utan att kvantitativt presentera värdena för de sofistikerade flödes fälten runt rörledningen inom skour hål3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Därför är målet med denna metod papper att ge ett nytt experimentellt protokoll för att visualisera de detaljerade flödes fälten och för att bestämma den Near-Boundary skjuvning och normala påfrestningar inom en jämvikt skura hål induceras av en påtvingad vibrerande pipeline. Det bör noteras att pipelinen-Fluid-SEABED interaktions processen i denna studie är i en quiescent vattenmiljö snarare än de med enkelriktade strömmar och vågor.
Denna experimentella metod består av två viktiga komponenter, nämligen (1) simulering av rörledningar (påtvingade) vibrationer; och (2) mätningar av flödes fälten runt rörledningen. I den första komponenten simulerades den vibrerande rörledningen i en experimentell FLUME genom att använda ett vibrerande system, som har en servomotor, två anslutande fjädrar och stödramar för rörledningar. Olika vibrations frekvenser och amplituder kan simuleras genom att justera motorns varvtal och placeringen av de anslutande fjädrarna. I den andra komponenten, den tid-lösta partikel bild Velocimetry (PIV) och Wavelet Transform tekniker antogs för att få hög temporala och rumsliga upplösning flöde fält data vid olika pipeline vibrationer faser. Den tidslösta PIV-systemet består av en kontinuerlig våg laser, en höghastighetskamera, seedning partiklar och Cross-korrelation algoritmer. Även om PIV-tekniker har använts i stor utsträckning för att uppnå stabila turbulenta flödes fält19,20,21,22,23,24,25, tillämpningar i komplexa ostadig flöde fältförhållanden, såsom fall av pipeline-vätskor-havsbotten interaktion, är relativt begränsad8,9,26,27. Anledningen är förmodligen på grund av att traditionella entidsintervall Cross-korrelation algoritm av PIV tekniker är oförmögen att exakt fånga flödet funktioner i ostadig flöde fält där en relativt hög hastighet lutning är närvarande9, 20. Den metod som beskrivs i det här dokumentet kan lösa detta problem genom att använda flera tids intervall korrelationsalgoritm9,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det protokoll som presenteras i detta dokument beskriver en metod för visualisering av de tvådimensionella flödes fälten och bestämning av närgräns-flödesstressfält runt en påtvingad vibrerande pipeline i en jämvikt skur hål med hjälp av PIV-teknikerna. Eftersom den konstruerade rörledningens rörelse är endimensionell längs y -riktningen, förbereder och justerar du pipelinemodellen och vibrationssystemet för att uppfylla detta mål är kritiska förutsättningar för ett lyckat resultat. Alla …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av de unga vetenskapsmännen fonden för National Natural Science Foundation i Kina (51709082) och de grundläggande forskningsfonderna för de centrala universiteten (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).
