Environment

ויזואליזציה של שדה זרימה סביב צינור רטט בתוך שיווי משקל החור לסרוק

Published: August 26, 2019 doi: 10.3791/59745

Dawei Guan^1,2, Yee-Meng Chiew², Maoxing Wei³, Shih-Chun Hsieh⁴

¹Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense, Ministry of Education, Hohai University, ²School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, ³Ocean College, Zhejiang University, ⁴AXESEA Information Technology Co. LTD

Summary

מטרת הפרוטוקול היא לאפשר ויזואליזציה של שדות הזרימה המפורטים וקביעת ההטיה הכמעט-מאובית והלחצים הרגילים בתוך חור שאינו מלווה בשיווי משקל הנגרם על ידי צינור רוטט.

Abstract

שיטה ניסיונית מוצגת במאמר זה כדי להקל על ויזואליזציה של שדות הזרימה המפורטים וקביעת ההטיה הכמעט-מאובית והלחצים הרגילים בתוך חור שאינו שיווי משקל הנגרם על ידי צינור רוטט. שיטה זו כוללת את היישום של מערכת הרטט צינור ב flume ישר, תמונה חלקיקים בזמן שנפתרה (PIV) מערכת מעקב הזחה צינור מדידות שדות זרימה. סדרת זמן העקירה של צינור הרטט מתקבלות באמצעות אלגוריתמי המתאם החוצה. השלבים לעיבוד לנפח גלם של חלקיקים גולמיים המתקבלים באמצעות PIV שנפתרה הזמן מתוארים. שדות הזרימה המפורטים מפורטים סביב קו הצינורות הרוטט בשלבי רטט שונים מחושבים באמצעות אלגוריתם התאמה מרובה מרווחי זמן, כדי למנוע שגיאת הטיית הזחה באזורי הזרימה באמצעות מעבר מהירות גדול . על-ידי החלת טכניקת השינוי האדוה, התמונות שנלכדו באותו שלב רוטט מקוטלגים במדויק לפני השגת שדות המהירות שלב-ממוצעים. היתרונות המרכזיים של טכניקת המדידה של הזרימה המתוארים בנייר זה הם שהוא בעל רזולוציה גבוהה מאוד ומרחבית, וניתן להשתמש בו זמנית כדי להשיג את הדינמיקה של הצינור, שדות הזרימה ומדגיש זרימת הגבול הקרוב. באמצעות טכניקה זו, מחקרים מעמיקים יותר של שדה הזרימה דו מימדי בסביבה מורכבת, כגון זה סביב צינור רוטט, ניתן לנהל כדי להבין טוב יותר את המנגנון לסרוק מתוחכם הקשורים.

Introduction

צינורות subsea נמצאים בשימוש נרחב בסביבות offshore למטרת נוזל או הידרו פחמן מוצרים הובלה. כאשר צינור ממוקם על קרקעית הים חרושים, חור לסרוק סביב הצינור הוא עשוי להיווצר בגלל גלי, זרמים או תנועות דינמיות של צינור עצמו (כפוי ברטט או מערבולת המושרה-רטט)¹^,². כדי לשפר את ההבנה של מנגנון לסרוק סביב צינור תת ימיים, מדידות של שדות הזרימה הסוערת והערכות של הטיה המיטה ומדגיש נורמלי בתוך הצינור-נוזלי-קרקעית התקשורת האזור הם חיוניים בנוסף מדידות של מימד החור לסרוק¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷. בסביבה שבה המיטה להטות ומדגיש נורמלי קשה מאוד להיות נחושים כי שדה הזרימה הוא לא יציב והגבול התחתון הוא מחוספס, נמדד מיידי קרוב לגבול מדגיש (בערך 2 מ"מ מעל הגבול) יכול להיות משמש כפונדקאית שלהם⁸^,⁹. בעשורים האחרונים, לסרוק סביב צינור רוטט כבר למד ופורסם ללא כימות הצגת הערכים של שדות הזרימה מתוחכמים סביב הצינור בתוך החור לסרוק³^,⁴^, ⁵^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶,¹⁷,. ^{שמונה עשרה} לפיכך, המטרה של נייר שיטה זה היא לספק פרוטוקול ניסיוני הרומן להמחיש את שדות הזרימה המפורטת ולקבוע את ההטיה הקרובה ואת הלחצים הרגילים בתוך חור שיווי משקל המושרה על ידי צינור רוטט כפוי. יש לציין כי תהליך הפעולה של צנרת נוזלי-קרקעית-הים במחקר זה הוא בסביבת מים השקט יותר ולא אלה עם זרמים חד כיווני וגלים.

שיטה ניסיונית זו מורכבת משני רכיבים חשובים, כלומר, (1) הדמיה של צינור (מאולץ) תנודות; ו (2) מדידות של שדות הזרימה סביב הצינור. במרכיב הראשון, צינור רוטט היה מדומה תעלת ניסיוני באמצעות מערכת רטט, אשר יש מנוע סרוו, שני מעיינות חיבור, צינור תומך מסגרות. תדרי רטט שונים והגברה יכולים להיות מדומים על ידי התאמת המהירות המוטורית והמיקום של המעיינות המחוברים. ברכיב השני, ולוסיצימטריה של תמונת חלקיק בזמן (PIV) ו אדוה שינוי טכניקות אומצו כדי לקבל בזמן התיכון ורזולוציה מרחבית הנתונים בשדה זרימת בשלבים שונים של הצינור. מערכת PIV נפתרה הזמן מורכב לייזר גל רציפה, מצלמה במהירות גבוהה, זריעת חלקיקים, ואלגוריתמים המתאם החוצה. למרות טכניקות piv כבר נעשה שימוש נרחב בקבלת שדות זרימה סוערת יציבה¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵, יישומים בתנאי שדה זרימה בלתי יציבים מורכבים, כגון מקרים של האינטראקציה של צינור-נוזלים-קרקעית הים, הם מוגבלים יחסית⁸^,⁹^,²⁶^,²⁷. הסיבה כנראה היא בגלל המסורתי חד פעמי מרווח האלגוריתם מתאם החוצה של טכניקות PIV אינו מסוגל ללכוד במדויק את תכונות הזרימה בשדות זרימה בלתי יציב שבו מעבר הדרגתי גבוהה יחסית מהירות הוא הנוכחי⁹^,. ^עשריםדולר השיטה המתוארת בנייר זה יכולה לפתור בעיה זו על-ידי שימוש באלגוריתם המתאם הצולב מרובה הזמן המספר⁹^,²⁸.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. בדיקת בטיחות מעבדה

סקור את כללי הבטיחות הנוגעים לשימוש במערכת הלייזר והפלולי.
ודא שדרישות האימון הבטיחותי של המעבדה הינן מולאו.
הערה: בניסוי זה, קבוצה של 5w קירור אוויר מתמשך לייזר גל עם אורך גל של 532 ננומטר וזכוכית צדדית ישר תעלת (איור 1) עם ממדים של 11 m אורך, 0.6 m רוחב, ו 0.6 m עומק משמשים. להלן המלצות הבטיחות הבסיסיות לשני מכשירים אלה:
1. בדוק את משטחי השתקפות פוטנציאליים בקו הלייזר לפני בדיקה; ללבוש משקפי בטיחות בעת הפעלת מכשיר הלייזר.
2. הימנע לקבל עיניים ברמה של קרן לייזר במהלך הניסויים ולהיות זהירים של אורות לייזר משתקף בעת טיפול אלמנטים אופטיים או כלים רפלקטיביים.
3. ודא שצינור המים אינו נופל ושתמיד אין מים משתפלים מהפלויים.

2. flume והתקנת מודל קרקעית הים

הכינו את הדגם הארודיבל בקרקעית הים הממוקם באמצע הפלובי.
הערה: חומר המשקעים המשמש במחקר זה היה חול בינוני מופץ באופן אחיד עם גודל התבואה החציוני d₅₀ = 0.45 מ"מ, צפיפות החלקיקים יחסית שקוע Δ = 1.65 ו סטיית התקן הגיאומטרי σ_g= 1.30.
לדחוס ולפלס את קרקעית הים בעזרת מלוי חול.
מלאו באיטיות את הצינורית בצינור מים והקפידו לוודא שמשטח שטוח של קרקעית הים ניזוק בתהליך המילוי; להפסיק להתמלא כאשר רמת המים הגיע לעומק של 0.4 מטר מעל קרקעית הים.
נקה את הפלטפורמה העליונה תעלת וזכוכית עבור הגדרת מודל צינור ומערכת piv.

3. צינור מודל ורטט הגדרת מערכת

השתמש במודל צינור טרומי בצורה של צילינדר אקרילי עם קוטר של 35 מ"מ ואורך של 0.56 m.
הר את הדגם צינור על מסגרת תומכת אלומיניום, אשר, בתורו, מחובר על ידי שני מעיינות לקוטב על מסגרת קבועה אחרת נעולה על מסילות העליון של flume, כפי שמודגם באיור 2. תקן את המסגרת התומכת בתוך המסגרת הקבועה באמצעות ארבעה מסבים כדי לוודא שהמסגרת התומכת יכולה לרטוט בחופשיות רק לאורך הכיוון האנכי (איור 2).
השתמש במוט המחבר כדי לקשור את הקוטב ההוא למנוע סרוו רכוב על החלק העליון של המסגרת הקבועה. במחקר זה, המשקל של מערכת הרטט התאספו, כולל מודל הצינור ומסגרות האלומיניום, הוא 1.445 ק"ג, שיש לו יחס מסה שווה ערך (m*) של 2.682; תדר טבעי (f_N) של 0.82 Hz; ויחס הζשל ה0.124.
כוונן את העמוד הלבן והמסגרת התומכת כדי לקבל יחס פער מסוים בין קו הצינור לקרקעית הים. במחקר זה, g/D = 1, כאשר G הוא המרחק האנכי בין החלק התחתון של צינור המשטח הראשוני של קרקעית הים; ו -D הוא קוטר הצינור.
הפעל את מנוע סרוו כדי לגרום רטט כפוי על צינור; כוונן את מסגרות התמיכה וארבעת המיסבים כדי להבטיח שרטט הצינור יהיה לאורך הכיוון האנכי. כבה את מנוע סרוו כאשר התאמות של המסגרות התומכות הושלמו.
קומפקטי ולפלס את קרקעית הים שוב לפני הפעלת הניסוי אם המודל בקרקעית הים מופרע ב 3.5.

4. התקנת PIV

מניחים את המכשיר לייזר על החלק העליון של תעלת ולהתקין את גיליון לייזר להרכיב אופטיקה.
הפעל את התקן הלייזר וכוונן את גיליון הלייזר היוצר אופטיקה, כך שייווצר גיליון שטוח מואר בתוך שדה העניין.
הערה: במחקר זה, גיליון לייזר ירוק מואר הוא 1.5 מ"מ עבה, במקביל לקירות זכוכית תעלת והוא מושלך כלפי מטה לתוך המים לאורך קו האמצע של תעלת. שדה העניין של מחקר זה מתייחס לאזור האינטראקציה של צינור-נוזלי קרקעית והוא מוגבל בצד הימני של צינור. הצל של צינור יראו בצד שמאל של הצינור.
הגדר את המצלמה במהירות גבוהה.
הערה: עבור מחקר זה, מצלמה במהירות גבוהה עם אחסון של 12 ג'יגה-בתים זיכרון ורזולוציה מקסימלית של 2.3 Mpx (1920 × 1200) משמש (למשל, פנטום מירו LAB 320). להלן הליכי הפעולה המפורטים:
1. הר את העדשה עם אורך מוקד מתאים במצלמה במהירות גבוהה. לעזאזל המצלמה במהירות גבוהה על חצובה מתכווננת גובה; להתאים את המצלמה לרמה של אזור התצפית עם הציר שלה בניצב לגיליון לייזר מואר.
  הערה: מחקר זה משתמש עדשה מראש 60 mm בצמצם המרבי של f/2.8.
2. חבר את המצלמה למחשב באמצעות כבל Ethernet והפעל את תוכנת בקרת המצלמה (לדוגמה, פנטום PCC 2.6); הפעיל את המצלמה וחבר אותו למחשב בממשק התוכנה של בקרת המצלמה.
3. התאימו את החצובה כדי לוודא שהשדה-תצוגה של המצלמה יכסה את אזור האינטראקציה בין הצינורות והנוזלים בקרקעית הים; ברמה המצלמה באמצעות רמת בועה מובנית על חצובה; לכוונן את טבעת המיקוד על העדשה כדי להבטיח כי גיליון הלייזר ברור על המטוס המוקד.

5. אופטימיזציה וכיול של התקנה ניסויית

הוספת חלקיקי PIV לחלק המבחן של flume.
הערה: חלקיקי הזריעה המשמשים במחקר זה היו אבקות אלומיניום בקוטר של 10 יקרומטר וצפיפות מסוימת של 2.7.
לשפר את עוצמת האור של הלייזר במקרה הצורך.
לאמת את המיקוד של המצלמה על ידי התבוננות חלקיקים מוארים זריעה על גיליון לייזר באמצעות תצוגת מצלמה חיה במחשב; כוונן את טבעת המיקוד, במידת הצורך, כדי להבטיח שחלקיקי הזריעה יהיו חדים ומרוכזים.
הצב סרגל כיול בתוך שדה התצוגה במישור של גיליון הלייזר ולכוד תמונת כיול אחת.
הערה: הרזולוציה המאמצת של התמונה במחקר זה היה 1600 × 1200 פיקסלים.
בחר קצב דגימה מתאים לאיסוף נתונים.
הערה: שיעור הדגימה הנבחר צריך לוודא שתזוזת החלקיקים בתוך זוג תמונות היא פחות מ-50% מאורך חלון החקירה המקסימלי. במחקר זה, גודל חלון החקירה המקסימלי הוא 32 × 32 פיקסלים ושיעור הדגימה המאומץ הוא 200 מסגרות לשנייה.
כבה את הלייזר והמצלמה כאשר השלבים 5.1-5.5 הושלמו.

6. הפעלת הניסוי ואיסוף הנתונים

מניחים צלחת אקריליק שקופה (20 מ"מ עבה) מתחת למקור הלייזר ועל משטח המים, כדי לדכא תנודות במשטח המים, ולהבטיח גישה אופטית שלווה לאור הלייזר.
הפעל את מנוע סרוו כדי לגרום ויברציות כפויה על המודל צינור.
הערה: במחקר זה, התדר המושרה של מנוע סרוו הוא f₀ = 0.3 Hz.
שמור את מערכת הרטט פועל עבור (t =) 1440 דקות כדי לקבל חור שיווי משקל מדומה לסרוק מתחת צינור רוטט.
הפעל את הלייזר וכוונן את כוח הפלט לעוצמה הממוטבת. הפעל את תוכנת הבקרה של המצלמה והמצלמה והחל את ההגדרות המכוילים על המצלמה. כבו את אורות הרקע במעבדה.
התחל להקליט את התמונה בשדה הזרמת חלקיקים לאדן עם קצב הדגימה שנבחר ב 5.6 על ידי לחיצה על לכידת התחתון בתוכנת בקרת תוכנות מצלמה.
הערה: עבור כל הקלטה במחקר זה, אחסון המצלמה מאפשר 1,000 תמונות להילכד.
לאחר השלמת איסוף הנתונים, סקור את איכות התמונה המוקלטת ובדוק אם צפיפות החלקיקים המזורמת לחלון החקירה (32 × 32 פיקסלים) גדולה מ-8. שמור את הקובץ המוקלט אם הוא מרוצה, אחרת, צפיפות הזריעה מוגברת על-ידי הזרקת מוצרי זריעה באיטיות באזור התצפית וחזור על שלבים 6.3-6.5.
חזור על שלבים 6.3-6.5 כדי לאסוף ערכות נתונים נוספות.
הערה: עבור מחקר זה, יותר מ 20,000 תמונות נלקחו כדי להבטיח כי נתונים גולמיים מספיק מתקבלים לחישוב מהירויות הזרימה, וורטיערים, מערבולות, ומדגיש בקרבת גבולות.
כבה את התקן הלייזר, המצלמה ומנוע השרת כאשר כל אוספי הנתונים מולאו; הדליק את אורות הרקע במעבדה.

7. עיבוד נתונים

פתח את התוכנה; לחץ על לחצן תיקיית הקבצים בסרגל הכלים וטען את תמונת הכיול שצולמה בשלב 5.4.
הערה: השתמש בתוכנית עיבוד הנתונים עבור מעקב אחר הזחה של צינור והזרמת תוכנה לחישובי שדות (לדוגמה, PISIOU).
לחץ על לחצן הגדרת קנה מידה בסרגל הכלים; למדוד מרחק ידוע בתמונת הכיול כדי לחשב את קנה המידה של התמונה.
הערה: קנה המידה של התמונה המחושבת היה 0.1694 מ"מ/פיקסל.
לחץ על לחצן מקור בסרגל הכלים; הגדיר את מקור נקודות הציון בכל תמונה.
חלץ את סדרת זמן העקירה של צינור הרטט מהתמונות המוקלטות.
1. טען את התמונות הגולמיים שצולמו בשלב 6. לאחר מכן, לחץ על החלונית ' פרמטר ', הזן את מספר קבצי הנתונים ואת קצב הדגימה.
2. החל את המסנן ' מעבר נמוך ' בתפריט מסנן תמונה .
  הערה: פעולה זו תאפשר את קצה הצינור (היעד שיש לעקוב אחריו) כדי שיזהו בקלות בתמונות המעובדות (ראה איור 3א).
3. בסרגל הכלים, לחץ על מודול Ptv. לאחר מכן לחץ על לחצן נקודת עקיבה , בחר את נקודת המרכז של הצינור. עבור אל כלי Ptv, התאם גמא, שער האור ומסנן חציון כדי לבודד את קו המתאר בתמונה. לחץ על לחצן מעקב אחר אובייקטים בסרגל הכלים; בחר את אזור היעד (כלומר את הצינור) בתמונה המעובדת ועקוב אחר התזוזה של צינור הרטט מתמונות מעובדות רצופות; רשום את סדרת הזמן של ההזחה, η(t), של צינור הרטט לתהליכי נתונים של שדה הזרימה הבאים (ראה איור 4).
4. יצא ושמור את נתוני סדרת הזמן של הזחה לחישובים נוספים.
קבע שדות מהירות מיידיים מהתמונות המוקלטות.
1. עבור אל כלי ptv, לחץ על לחצן ברירת מחדל כדי לחדש את התמונה RAW עבור ניתוח piv הבאים. בטל את הפעולה של מודול PTV על ידי לחיצה על מודול ptv. פתח את החלונית ' פרמטר ' בסרגל הכלים; ציין את פרמטר החישוב וקטור המהירות.
  הערה: במחקר זה, תהליך איטרציה מרובה עוברים מאומץ כמו חלונות החקירה, אשר החלה מ 32 × 32 פיקסלים, ולאחר מכן עברו עם 16 × 16 פיקסלים, והסתיימה עם 8 × 8 פיקסלים; כל המעברים משתמשים בחפיפה של 50% בין חלונות משניים סמוכים.
2. החילו את פונקציית המסנן ' לפלסיאן ' בתפריט המסנן ' תמונה ' לתמונות הגולמיים כדי להדגיש את חלקיקי הזריעה ולסנן אור פיזור לא רצוי (ראה איור 3ג).
3. לחץ על לחצן הגבול בסרגל הכלים, הגדר את המסיכה הגאומטרית בתמונות כדי להוציא את אזור קרקעית הים לחישוב נוסף. לחץ על לחצן שמור גבול כדי לשמור את נתוני הגבול.
4. לחץ על לחצן הפעלה בסרגל הכלים כדי לחשב את שדות המהירות הנקודתית עבור שלבי רטט שונים באמצעות שיטת המתאם החוצה.
  הערה: במחקר זה, אלגוריתם מרווח זמן רב מאומץ כדי להפחית את שגיאת ההטיה בשל הדרגתי במהירות גבוהה בשדה הזרימה (ראה איור 5). מרווחי הזמן המרובים המאומצים עבור חישובים בין-מיתאם הם Δt, 3Δt, 9Δt ו-21Δt (Δt = 5 אלפיות הראשונה). קריטריון המתאם השביע רצון גדול מ-70%.
5. יצא ושמור את נתוני שדות המהירות הנקודתית לצורך ניתוח נוסף.
לקבוע את שלב בממוצע שדות מהירות מתוך שדות מהירות מחושב מיידי עם האלגוריתם כפי שמתואר בניולנד 1994^{29, 30} הסיין 2008²⁸.
הערה: הליכי החישוב עבור שלב זה מתוארים כדלקמן:
1. החל את הפונקציה אדוה transform על סדרת זמן העקירה, η(t), של צינור רטט כדי לקבל את השלב מיידי עבור כל שדה מהירות מיידית. פונקציית השינוי האדוה מוגדרת כ:
  1
  כאשר W_ענבל is אדוה מקדם; α ו β הם פרמטרים בקנה מידה ותרגום, בהתאמה; הפונקציה ענבל היא הפונקציה Morlet והוא מחושב כ ; הכתב העילי "*" מציין את המשלים המורכבים. ניתן לחשב את השלבים הΦ, של צינור הרטט התואם לdisplacements הצינור השונים מתוך:
  2
2. ממוצע שדות מהירות מיידית עם אותו שלב כדי להשיג את שדות מהירות שלב בממוצע.
3. לקבוע את הω הזרימה, ב₂, ב בשלב מחושב-בממוצע מהירות שדות מ:
  3
  כאשר הם מהירויות פאזה-ממוצעים לאורך כיווני x ו- y .
טען את השלב המחושב-מהירות ממוצעים ונתונים הורבוליות בתוכנה Tecplot עבור ויזואליזציה.
לקבוע את ההטיה הקרובה ומדגיש נורמלי מתוך שדות מהירות מחושב מיידי עם האלגוריתם כמתואר הסיין ואח '. 2016 ⁹. הליכי החישוב עבור שלב זה מתוארים כדלקמן:
1. לחלץ את הנתונים הקרובים מהירות הגבול (0-5 מ"מ מעל קרקעית הים) מתוך שלב מחושב בממוצע זרימה שדות מהירות.
2. חשב את מדגיש ההטיה הקרובה, t_s ומדגיש נורמלי, t_n, לאורך הפרופיל לסרוק (כ 2 מ"מ מעל גבול החור לסרוק) עבור שלבים שונים בתוך מחזור אחד רוטט. הערה: משוואות החישוב הן כדלקמן:
  (4)
  כאשר, μ = צמיגות דינמית של הנוזל (כאן נלקח כמו 1 × 10^-3 Pa ∙ s); u_p = מהירות ליד הגבול במקביל למיטה; u_n = מהירות הגבול בניצב למיטה; _n = מרחק נורמלי מהמיטה.
טען את ההטיה הקרובה לגבולות ומדגיש את הנתונים הרגילים בתוכנה (לדוגמה, Tecplot) עבור פריט חזותי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

דוגמה להשוואה בין התמונה הגולמית והתמונה המעובדת של displacements הצינור מעקב וחישוב מהירות מיידית מוצג באיור 3. כפי שמוצג באיור 3b, חלקיקי הזריעה והרעש בתמונה הגולמית מסוננים וקצה הצינור הנוצץ נשמר כדי לקבל את סדרת זמן התזוזה. כפי שמוצג באיורים 3 ג, מחליקי בהיר/השתקפויות סביב חלקיקי הזריעה, קצה צינור ומשטח של קרקעית הים מסוננים על ידי הפילטר של לפלסיאן. דוגמה לסדרת זמן ההזחה של קו הצינור הרוטט מוצגת באיור 4. הרטט של צינור הוא כמעט sinusoidal, ואת תדירות רטט ומשרעת הם 0.3 Hz ו ~ 50 מ"מ, בהתאמה.

איור 6 מראה דוגמה של התמונה של הפרופיל המדומה שיווי משקל מדומה וצינור רטט ב t = 1440 min, שבו מקור הקואורדינטות (x-O-y) של מחקר זה מוגדר בנקודת ההצטלבות של ה משטח קרקעית הים המקורי ואת צינור אנכי קו האמצע. כפי שמוצג באיור 6, בנוסף לחלקיקי הזריעה, ניתן לראות בזרימה מעט מאוד חלקיקים משקעים שהושעו. לפיכך, איכות התמונה הגולמית לא נחשפה. הדבר מעיד גם על כך ששלב שיווי משקל מדומה הגיע לתהליך הסרוק הצינור.

דוגמאות של השלב דמיינו בממוצע שדה מהירות הדינמיקה הורבוליות מוצגים באיור 7. יצוין כי בגלל הצל של הצינור במהלך מדידות PIV, האזור בצד שמאל של הצינור אין נתונים (ראה חלקות משנה באיור 7). כפי שנראה באיור 7, מוצגים תשעה שלבים בדידים של שדה הזרימה בתוך מחזור אחד של רטט. במהלך שלבי הצינור הנופלים (0 ≤ t₀/t < 0.5, כאשר t היא תקופת הרטט ו- t₀ הוא הזמן משתנה מ -0 ל- t), זוג מורמקות עם תבניות סימטריות נוצר מהטיה שכבות משני צידי הצינור הרוטט. מיד לאחר הצינור הגיע לתחתית התעלה לסרוק (t₀/t = 4/8), המערבולת נגד כיוון השעון מעוותת ונשאב לתוך התעלה לסרוק כמו צינור עולה מקרקעית הים. עבור התקופה של הצינורות בסדר עולה (0.5 ≤ t₀/t < 1), זוג אחר של מערבולות עם הכיוונים מסתובבת מנוגדים לאלה בשלב היורד הוא הופק באופן סימטרי סביב הקצה העליון של הצינור. להתבוננות טובה יותר של דינמיקת הזרימה באיור 7, וידאו תואם (וידאו 1) העשוי מ72 שלבים (מסגרות) של שדות זרימה עבור מחזור אחד של רטט צינור מסופק.

דוגמה של הגבול הקרוב מדגיש, t_s ומדגיש נורמלי, t_n אבולוציה לאורך הפרופיל לסרוק בתוך מחזור רטט אחד מוצג באיור 8. כיוון ששדה הזרימה סימטרי לגבי ציר y , מדגיש ההטיה הקרובה והלחצים הרגילים המוצגים במחקר זה מוגבלים למחצית הימנית של פרופיל התסרוק (0 < x < 5). כפי שמוצג באיור 8, שני הלחצים האלה הם מנורמתים על-ידי הערך של המיטה הקריטית להטות את הלחץ, T_c (המתקבלים מתוך עקומת מגינים כמו 0.243 Pa) של חלקיקי החול על מצב מיטת המטוס. הערכים המוחלט של t ו_- t_n בתוך התעלה לסרוק ומתחת צינור רוטט להגדיל באופן משמעותי כאשר צינור נופל על המיטה או עולה מהמיטה. האזורים שבהם t_{s ו-} t_מציגים את הערכים המרביים והמינימליים מתאימים לאבולוציה של שדות הזרימה בין צינור הרטט לבין הגבול לסרוק כפי שמוצג באיור 7.

איור 1 : סכימטי של הflume ניסיוני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2 : סכמטית של המודל צינור ורטט מערכת הגדרת. (א), תצוגת מקטע צדדית (b). דמות זו השתנתה מ-⁸. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3 : דוגמה של ההשוואה בין תמונות מעובדות וממוחזרות. (א) התמונה הגולמית, (ב) התמונה המעובדת עבור displacements צינור מעקב, ו (ג) את התמונה מעובד עבור חישוב מהירות מיידית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4 : דוגמה לרצף זמן התזוזה של צינור הרטט ב t = 1440 דקות . אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5 : השוואה בין אלגוריתם חד פעמי לבין מרווח זמן רב-מתאם. איור זה מועתק מ^-9. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6 : תמונה לדוגמה של הפרופיל שיווי משקל מדומה לסרוק ב t = 1440 min. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7 : דוגמאות של השלב דמיינו-מהירות הממוצע בתחום והדינמיקה הורבוליות. איור זה מועתק מ-⁸. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8 : דוגמה של האבולוצעות של tו_- t_n לאורך הפרופיל לסרוק בתוך מחזור רטט אחד. הטאצ וזמני ההמראה מתייחסים לזמנים שבהם החלק התחתון של הצינור רק נוגע ועולה מגבולות החור לסרוק, בהתאמה. איור זה מועתק מ-⁸. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Video 1
וידאו 1: האבולוציה שדה זרימה סביב צינור רוטט בתוך החור לסרוק שיווי משקל. הווידאו מורכב מ 72 שלבים (מסגרות) של שדות זרימה עבור מחזור אחד של רטט צינור. וידאו זה מועתק מ-⁸. אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון וידאו זה. (לחץ לחיצה ימנית להורדה).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרוטוקול המוצג במאמר זה מתאר שיטה להדמיה של שדות הזרימה הדו-ממדיים וקביעת שדות המתח של הזרימה הכמעט-ממדית סביב צינור רוטט כפוי בחור שאינו מאזן שיווי משקל באמצעות טכניקות PIV. מאז התנועה צינור מעוצב הוא חד מימדי לאורך y כיוון, הכנת וכוונון מודל צינור ומערכת רטט להגשים מטרה זו הן מוקדמות קריטי עבור תוצאה מוצלחת. כל תנועות בלתי רצויות של צינור לאורך כיוון x עלול לגרום שדות זרימה סימטרית לסרוק את היווצרות החור סביב צינור רוטט. מלבד השפעות המנגנון, הבחירה של תדירות רטט ומשרעת של צינור עבור הניסויים הוא גם חשוב לגרימת שדה זרימה סימטרי סביב הצינור. למעשה, במצב של מים השקט, לין ואח '³¹ הראה כי מבנה הזרימה מאחורי מתחיל בדחף צילינדר מעגלי יכול לשמור על סימטריה כאשר הזמן הלא מימדי T_d = t_dU _זו/יח < 5, כאשר t_D = זמן הזזת גליל; ו _{-U D} = מהירות צילינדר. עבור מצב כאשר T_D > 5, שפיכת מערבולת אלכסונית עלולה להתרחש סביב גליל. במחקר זה, מהירות צינור מקסימלית יכול להיות מוערך כמו 2π מואייסיב •₀, ו גליל הזמן הזזת יכול להילקח כמו 1/2 מואייסיב, ולכן הזמן הלא מימדי המרבי T_d = π A₀/D = 4.48.

במהלך ההתקנה PIV, גיליון הלייזר והתאמות המצלמה ובחירת החלקיקים הזורדות הם שלבי הפרוטוקול הקריטיים להשגת נתוני שדה זרימה באיכות גבוהה. המצלמה ירי כיוון חייב להיות בניצב לגיליון לייזר, אחרת, העיוותים פרספקטיבה יוצגו בתמונות שנתפסו. מאחר ששיטה זו מטרתה להשיג את הלחצים הקרובים ביותר של זרימה בשדה זרימה בלתי יציב, יש להגדיר כראוי את עוצמת הלייזר ואת מיקום שדה התצוגה כדי למנוע השתקפות אור חזקה של הגבול. חלקיקי הזריעה הנבחרים צריכים לפזר ביעילות את גיליון הלייזר הזרחני ולהיות מסוגלים לבצע את הזרימה מייעלת ללא התנחלות מוגזמת²⁰. מבוסס על שיקול זה, חלקיקי הזריעה המשמשים במחקר זה היו אבקות אלומיניום, אשר מהירות מתפשרת הוערך להיות 92.6 mm/s באמצעות חוק של סטוק. מהירות ההתיישבות הזאת היא זניחה בהשוואה למהירויות הזרימה (0.1-0.2 m) ליד צינור הרטט. כדי למטב את ההתקנה הניסיונית, אימות מוקד המצלמה וקביעת קצב הדגימה של המצלמה הם גם צעדים מכריעים למדידות אמינות.

עבור שלב תהליך הנתונים, ישנם שני אתגרים להשגת באיכות גבוהה שלב בממוצע שדות זרימה מדגיש זרימה ליד הגבול: (1) לחשב במדויק את שדות הזרימה הנקודתית ולמנוע את שגיאת הטיית ההזחה באזורי הזרימה עם הדרגתי מהירות גדולה; ו (2) במדויק לקטלג את התמונות שנתפסו כי יש אותו שלב רוטט. עבור חישוב שדות הזרימה מיידית, המסורתית PIV מתאם החוצה שיטה ¹⁹ קובע את וקטור מהירות בין שתי תמונות רצופות עם מרווח זמן קבוע Δt (ראה איור 5א). שיטה מסורתית זו אינה יכולה להיות מתאימה למחקר זה, מאחר ששדה הזרימה המחושב עשוי להיות שגיאות הטיית הזחה משמעותית בסמוך לצינור הרוטט ולגבולות קרקעית הים. כדי להתגבר על בעיה זו, האלגוריתם של מרווח זמן רב מאומץ במחקר זה (ראה איור 5ב). על-ידי שימוש בשיטה זו, חקירות תמונה מתבצעות באופן שונה בזוגות תמונות שונים עבור מרווחים נבחרים שונים. וקטור מהירות בכל נקודת רשת נקבעת על בסיס הערכות של מרווח זמן מתאים⁹^,²⁷^,²⁸. יש לציין כי בעת שימוש בשיטה זו, מערכות הנתונים של התמונה raw יש לרכוש בזמן PIV נפתרה עם מצלמה גבוהה קצב דגימה ולייזר גל רציף. כדי להתגבר על האתגר השני, הנייר הזה מספק טכניקת שינוי צורה אדוה. על-ידי החלת הפונקציה אדוה transform על סדרת זמן העקירה של הצינור, השלב מיידי של כל תמונה שנלכדה ניתן לחשב במדויק. שיטה זו ניתן גם להחיל על חקירת מערבולת תהליכי רטט המושרה, כגון הרטט צינור הנגרמת על ידי מערבולת סימטריה שפיכת¹⁵^,²⁷^,³².

היתרונות המרכזיים של טכניקת המדידה של הזרימה המתוארים בנייר זה הם בעלי הזמן הגבוה והרזולוציה המרחבית, והיכולת להשיג בו את דינמיקת הצינור, שדות הזרימה ומדגיש זרימת הגבול הקרוב. באמצעות טכניקה זו, מחקרים מעמיקים יותר על צינור לסרוק בסביבות מורכבות יכול להתבצע המנגנון המורכב של לסרוק סביב צינור רוטט יכול להיות מובן יותר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי קרן המדענים הצעירים של הקרן הלאומית למדע הטבע של סין (51709082) ואת קרנות המחקר הבסיסי של האוניברסיטאות המרכזיות (2018B13014).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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 LAB 320	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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , Springer. Berlin Heidelberg. (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).

Environment

ויזואליזציה של שדה זרימה סביב צינור רטט בתוך שיווי משקל החור לסרוק

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.