Summary
Protokolün amacı, titreşen bir boru hattı tarafından indüklenen bir denge ovma deliği içinde ayrıntılı akış alanlarının görüntülenmesi ve yakın sınır makası ve normal gerilmelerin belirlenmesini sağlamaktır.
Abstract
Bu yazıda, titreşen bir boru hattı tarafından indüklenen bir denge ovma deliği içinde ayrıntılı akış alanlarının görselleştirilmesini ve sınıra yakın kesme ve normal gerilmelerin belirlenmesini kolaylaştırmak için deneysel bir yöntem sunulmuştur. Bu yöntem, düz bir baca, boru hattı deplasman izleme ve akış alanları ölçümleri için zaman çözülmüş parçacık görüntü velocimetry (PIV) sistemi bir boru hattı titreşim sisteminin uygulanmasını içerir. Titreşimli boru hattının yer değiştirme zaman serisi çapraz korelasyon algoritmaları kullanılarak elde edilir. Zaman çözülmüş PIV kullanılarak elde edilen ham parçacık yüklü görüntüleri işlemek için adımlar açıklanmıştır. Farklı titreşimli fazlarda titreşimli boru hattının etrafındaki ayrıntılı anlık akış alanları, büyük hız gradyanlı akış bölgelerinde yer değiştirme yanlısı hatasını önlemek için çoklu zaman aralığı çapraz korelasyon algoritması kullanılarak hesaplanır. . Dalgalet dönüştürme tekniği uygulanarak, faz ortalaması olan hız alanları elde edilmeden önce aynı titreşim fazına sahip yakalanan görüntüler doğru bir şekilde kataloglanır. Bu yazıda açıklanan akış ölçüm tekniğinin temel avantajları, çok yüksek bir zamansal ve mekansal çözünürlüğe sahip olması ve aynı anda boru hattı dinamiklerini, akış alanlarını ve sınıra yakın akış gerilimlerini elde etmek için kullanılabilmesidir. Bu teknik kullanılarak, karmaşık bir ortamda 2 boyutlu akış alanının daha derinlemesine çalışmaları, örneğin titreşen bir boru hattı etrafında, daha iyi ilişkili sofistike ovma mekanizması anlamak için yapılabilir.
Introduction
Deniz altı boru hatları, açık deniz ortamlarında sıvı veya hidro-karbon ürünlerinin taşınması amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir boru hattı aşınabilir bir deniz tabanı üzerine yerleştirildiğinde, boru hattının kendisi dalgalar, akımlar veya dinamik hareketler (zorunlu titreşim veya girdap kaynaklı-titreşim)1,2nedeniyle boru hattı etrafında bir ovma deliği oluşması muhtemeldir . Bir denizaltı boru hattı etrafındaki ovma mekanizmasının anlaşılmasını sağlamak için, türbülanslı akış alanlarının ölçümleri ve yatak makası tahminleri ve boru hattı-akışkan-deniz dibi etkileşim bölgesi içindeki normal gerilmeler, ovma deliği boyut1,2,3,4,5,6,7ölçümleri . Akış alanı kararsız ve alt sınır pürüzlü olduğu için yatak makası ve normal gerilmelerin belirlenmesinin son derece zor olduğu bir ortamda, anlık olarak ölçülen sınıra yakın gerilimler (sınırın yaklaşık 2 mm üzerinde) onların vekil8,9olarak kullanılır. Son birkaç on yıl içinde, titreşen bir boru hattı etrafında ovmak incelenmiş ve kantitatif ovmadelikiçinde boru hattı etrafında sofistike akış alanlarının değerlerini sunmadan yayınlanmıştır,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18yaşında. Bu nedenle, bu yöntem ödevinin amacı, ayrıntılı akış alanlarını görselleştirmek için yeni bir deneysel protokol sağlamak ve zorlanmış bir titreşen boru hattı tarafından indüklenen bir denge ovma deliği içinde yakın sınır kesme ve normal gerilmeleri belirlemektir. Bu çalışmada boru hattı-sıvı-deniz dibi etkileşim sürecinin tek yönlü akımları ve dalgaları yerine kuskan bir su ortamında olduğu unutulmamalıdır.
Bu deneysel yöntem iki önemli bileşenden oluşur, yani, (1) boru hattı (zorla) titreşimsimülasyonu; ve (2) boru hattı çevresindeki akış alanlarının ölçümleri. İlk bileşende, titreşimli boru hattı, servo motora, iki bağlantı kaynağına ve boru hattı destek çerçevelerine sahip bir titreşimli sistem kullanılarak deneysel bir bacada simüle edilmiştir. Bağlantı yaylarının motor hızı ve konumu ayarlayarak farklı titreşim frekansları ve genlikleri simüle edilebilir. İkinci bileşende, zaman içinde çözülmüş parçacık görüntü velocimetry (PIV) ve dalgacık dönüştürme teknikleri farklı boru hattı titreşim aşamalarında yüksek zamansal ve mekansal çözünürlük akış alanı verileri elde etmek için kabul edilmiştir. Zaman çözülmüş PIV sistemi sürekli dalga lazer, yüksek hızlı kamera, tohumlama parçacıkları ve çapraz korelasyon algoritmaları oluşur. PIV teknikleri yaygın olarak sürekli türbülanslı akış alanları elde etmek için kullanılan olmasına rağmen19,20,21,22,23,24,25, boru hattı-sıvı-deniz tabanı etkileşimi gibi karmaşık kararsız akış alanı koşullarında uygulamalar, nispeten sınırlıdır8,9,26,27. PIV tekniklerigeleneksel tek zaman aralığı çapraz korelasyon algoritması doğru nispeten yüksek hız gradyan mevcut kararsız akış alanlarında akış özelliklerini yakalamak mümkün değildir çünkü nedeni muhtemelen9, 20. yıl. Bu yazıda açıklanan yöntem çoklu zaman aralığı çapraz korelasyon algoritması9,28kullanarak bu sorunu çözebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Laboratuvar güvenlik kontrolü
- Lazer ve flume sisteminin kullanımına ilişkin güvenlik kurallarını gözden geçirin.
- Laboratuvarın güvenlik eğitim gereksinimlerinin karşılandığından emin olun.
NOT: Bu deneyde, dalga boyu 532 nm olan 5W hava soğutmalı sürekli dalga lazerive 11 m uzunluğunda, 0,6 m genişliğinde ve 0,6 m derinliğinde cam kenarlı düz baca (Şekil 1) kullanılmıştır. Bu iki cihaz için temel güvenlik önerileri aşağıdaki gibidir:- Testten önce lazer görüş hattındaki olası yansıma yüzeylerini kontrol edin; lazer cihazını çalıştırırken güvenlik gözlüğü takın.
- Deneyler sırasında lazer ışını seviyesinde göz lerden kaçının ve optik elemanları veya yansıtıcı araçları kullanırken yansıyan lazer ışınlarına dikkat edin.
- Su hortumu düşmez ve her zaman bacadan taşan su olmadığından emin olun.
2. Flume ve deniz tabanı modeli kurulumu
- Flume ortasında bulunan aşınabilir deniz tabanı modeli hazırlayın.
NOT: Bu çalışmada kullanılan tortu malzemesi, ortanca tane büyüklüğü d 50 = 0,45 mm, bağıl batık parçacık yoğunluğu Δ = 1,65 ve geometrik standart sapma σg = 1,30 olan düzgün dağılmış orta kumdur. - Kompakt ve seviye bir kum tesviye kullanarak deniz tabanı.
- Yavaş yavaş bir su hortumu ile baca doldurun ve düz bir deniz tabanı yüzeyi dolum işlemi sırasında bozulmamış olduğundan emin olun; su seviyesi deniz tabanından 0,4 m yüksekliğe ulaştığında dolguyu durdurun.
- Boru hattı modeli ve PIV sistemi kurmak için flume üst platform ve cam temizleyin.
3. Boru hattı modeli ve titreşim sistemi kurulumu
- 35 mm çapında ve 0,56 m uzunluğunda bir akrilik silindir şeklinde prefabrik boru hattı modeli kullanın.
- Boru hattı modelini alüminyum bir destek çerçevesiüzerine monte edin, ki bu da Şekil2'de gösterildiği gibi, baca nın üst raylarına kilitlenmiş başka bir sabit çerçevede iki yay ile hareket ettirilebilir bir direğe bağlanır. Destek çerçevesinin yalnızca dikey yönde serbestçe titreşmesini sağlamak için dört rulman kullanarak sabitçerçevenin içindeki destek çerçevesini düzeltin (Şekil 2).
- Hareket ettirilebilir direği sabit çerçevenin üstüne monte edilmiş servo motora bağlamak için bir bağlantı çubuğu kullanın. Bu çalışmada, boru hattı modeli ve alüminyum çerçeveler de dahil olmak üzere monte edilmiş titreşim sisteminin ağırlığı 1.445 kg olup, eşdeğer kütle oranına(m*) sahiptir; 0.82 Hz'lik doğal bir frekans (fN); ve sönümleme oranı (ţ) 0,124.
- Boru hattı ve deniz tabanı arasında belirli bir boşluk oranı elde etmek için hareket ettirilebilir direği ve destekleyici çerçeveyi ayarlayın. Bu çalışmada, G/D =1, Nerede G boru hattının alt ve ilk deniz tabanı yüzeyi arasındaki dikey mesafe; ve D boru hattı çapıdır.
- Boru hattında zorunlu titreşimi tetiklemek için servo motoru açın; boru hattı titreşiminin dikey yönde olduğundan emin olmak için destek çerçevelerini ve dört rulmanı ayarlayın. Destek çerçevelerinin ayarlamaları tamamlandığında servo motoru kapatın.
- Deniz tabanı modeli 3.5'te bozuluyorsa deneyi çalıştırmadan önce deniz tabanını tekrar kompakt ve seviyelendirin.
4. PIV kurulumu
- Lazer cihazını gribin üstüne yerleştirin ve optik oluşturan lazer sayfasını kurun.
- Lazer cihazını açın ve optik oluşturan lazer levhayı ayarlayın, böylece ilgi alanının içinde ışıklı düz bir tabaka oluşun.
NOT: Bu çalışmada, ışıklı yeşil lazer levha 1,5 mm kalınlığında, flume cam duvarlara paralel ve flume merkez çizgisi boyunca suya aşağı doğru atılır. Bu çalışmanın ilgi alanı boru hattı-akışkan-deniz yatağının etkileşim bölgesini ifade eder ve boru hattının sağ yarısı ile sınırlıdır. Boru hattının gölgesi boru hattının sol yarısında görülecektir. - Yüksek hızlı kamerayı ayarlayın.
NOT: Bu çalışmada, 12 gigabayt bellek depolama ve maksimum çözünürlük 2.3 Mpx (1920 ×1200) ile yüksek hızlı kamera kullanılır (örneğin, Phantom Miro LAB 320). Ayrıntılı işlem prosedürleri aşağıdaki gibidir:- Lensi yüksek hızlı kameraya uygun odak uzaklığıyla monte edin. Yüksek hızlı kamerayı yükseklik ayarlı bir tripod üzerine vidala; kamerayı, aydınlatmalı lazer levhaya dik ekseni ile gözlem bölgesi seviyesine ayarlayın.
NOT: Bu çalışmada maksimum f/2.8 diyafram açıklığında 60 mm prime lens kullanmektedir. - Bir Ethernet kablosu kullanarak kamerayı bilgisayara bağlayın ve kamera kontrol yazılımını açın (örneğin, Phantom PCC 2.6); kamerayı açın ve kamera kontrol yazılımı arabirimindeki bilgisayara bağlayın.
- Kameranın görüş alanının boru hattı-akışkan-deniz tabanı etkileşim bölgesini kapsadığından emin olmak için tripodu ayarlayın; tripod üzerinde yerleşik kabarcık seviyesini kullanarak kamera düzeyi; lazer sayfasının odak düzleminde net olduğundan emin olmak için merceğin odak halkasını ayarlayın.
- Lensi yüksek hızlı kameraya uygun odak uzaklığıyla monte edin. Yüksek hızlı kamerayı yükseklik ayarlı bir tripod üzerine vidala; kamerayı, aydınlatmalı lazer levhaya dik ekseni ile gözlem bölgesi seviyesine ayarlayın.
5. Deneysel kurulum optimizasyonu ve kalibrasyonu
- Baca test bölümüne PIV tohumlama parçacıkları ekleyin.
NOT: Bu çalışmada kullanılan tohumlama parçacıkları 10 μm çapında ve 2.7 özgül yoğunluklu alüminyum tozlar dır. - Gerekirse lazer sayfasının ışık yoğunluğunu artırın.
- Bilgisayardaki canlı kamera görünümünden lazer sayfasındaki ışıklı tohumlama parçacıklarını gözlemleyerek kameranın odağına doğrulayın; tohumlama parçacıklarının keskin ve odakta olduğundan emin olmak için gerekirse odak halkasına ince ayar yapın.
- Lazer sayfasının düzlemine görüş alanının içine bir kalibrasyon cetveli yerleştirin ve bir kalibrasyon görüntüsü yakalayın.
NOT: Bu çalışmada görüntünün benimsenen çözünürlüğü 1600 × 1200 piksel dir. - Veri toplama için uygun bir örnekleme hızı seçin.
NOT: Seçilen örnekleme hızı, bir çift görüntü içinde tohumlama parçacık deplasmanının maksimum sorgulama penceresi uzunluğunun %50'sinden az olmasını sağlamalıdır. Bu çalışmada, maksimum sorgulama penceresi boyutu 32 × 32 piksel ve benimsenen örnekleme oranı saniyede 200 karedir. - 5.1-5.5 adımları tamamlandığında lazeri ve kamerayı kapatın.
6. Deneme ve veri toplama yı çalıştırma
- Su yüzeyi dalgalanmalarını bastırmak ve lazer ışığı için sakin optik erişim sağlamak için lazer kaynağının altına ve su yüzeyine şeffaf bir akrilik plaka (20 mm kalınlığında) yerleştirin.
- Boru hattı modelinde zorunlu titreşimleri tetiklemek için servo motoru açın.
NOT: Bu çalışmada servo motorun indüklenen frekansı f0 = 0.3 Hz'dir. - Titreşim sistemini titreşen boru hattının altında yarı denge deliğine kavuşmak için(t =)1440 dk.
- Lazeri açın ve çıkış gücünü optimize edilmiş yoğunluğa ayarlayın. Kamera ve kamera kontrol yazılımını açın ve kalibre edilmiş ayarları kameraya uygulayın. Laboratuvardaki arka plan ışıklarını kapatın.
- Kamera yazılımı kontrol yazılımındaki Capture Bottom'a tıklayarak 5,6'da seçilen örnekleme hızıyla tohumlama parçacık yüklü akış alanı görüntüsünü kaydetmeye başlayın.
NOT: Bu çalışmadaki her bir kayıt için, kamera depolama 1.000 görüntü nün yakalanmasını sağlar. - Veri toplama tamamlandıktan sonra, kaydedilen görüntü kalitesini gözden geçirin ve sorgulama penceresi başına tohumlama parçacık yoğunluğunun (32×32 piksel) 8'den büyük olup olmadığını kontrol edin. Eğer tatmin olursa kaydedilen dosyayı kaydedin, aksi takdirde, gözlem bölgesine tohumlama çözeltileri yavaş yavaş enjekte edilerek tohumlama yoğunluğu artar ve 6.3-6.5 adımlarını tekrarlayın.
- Daha fazla veri kümesi toplamak için 6.3-6.5 adımlarını yineleyin.
NOT: Bu çalışmada, akış hızları, girdaplar, türbülans ve sınıra yakın gerilimlerin hesaplanması için yeterli ham veri elde edilmesini sağlamak için 20.000'den fazla görüntü alınmıştır. - Tüm veri koleksiyonları tamamlandığında lazer cihazını, kamerayı ve sunucu motorunu kapatın; laboratuvardaki arka plan ışıklarını açın.
7. Veri işleme
- Yazılımı açın; araç çubuğundaki Dosya klasörü düğmesini tıklatın ve adım 5.4'te alınan kalibrasyon görüntüsünü yükleyin.
NOT: Boru hattı yer değiştirme izleme ve akış alanı hesaplamaları yazılımı (örneğin, PISIOU) için veri işleme programını kullanın. - Araç çubuğundaki Ölçek kurulum düğmesini tıklatın; görüntünün ölçeğini hesaplamak için kalibrasyon görüntüsünde bilinen bir mesafeyi ölçün.
NOT: Hesaplanan görüntü ölçeği 0,1694 mm/piksel idi. - Araç çubuğundaki Başlangıç düğmesini tıklatın; her görüntüdeki koordinatların kaynağını ayarlayın.
- Titreşen ardışık boru hattının yer değiştirme zaman serisini kaydedilen görüntülerden ayıklayın.
- Adım 6'da çekilen ham görüntüleri yükleyin. Sonra Parametre paneline tıklayın, veri dosyalarının sayısını ve örnek oranını girin.
- Görüntü filtresi menüsünde Düşük geçiş filtresiuygulayın.
NOT: Bu işlem, işlem yapılan görüntülerde boru hattının kenarının (hedefin izlenmesi) kolayca tanınmasını sağlar (Bkz. Şekil 3a). - Araç çubuğunda PTVmodüllerini tıklatın. Ardından İzleme noktası düğmesini tıklatın, ardışık noktanın merkez noktasını seçin. Görüntüdeki ardışık hatlarını ayırmak için PTVaraçlarına gidin, Gama, Işık Kapısı ve Medyan Filtresi'ni ayarlayın. Araç çubuğundaki Nesne izleme düğmesini tıklatın; işlenmiş görüntüdeki hedef bölgeyi (yani boru hattı) seçin ve titreşimli boru hattının ardışık işlenmiş görüntülerden yer değiştirmesini izleyin; sonraki akış alanı veri işlemleriiçin titreşen ardışık boru hattının yer değiştirme zaman serilerini kaydedin (bkz. Şekil4).
- Daha fazla hesaplama için ardışık zaman seriverilerini dışa aktarın ve kaydedin.
- Kaydedilen görüntülerden anlık hız alanlarını belirleyin.
- PTVaraçlarına gidin, sonraki PIV çözümlemesi için ham görüntüyü devam ettirmek için Varsayılan düğmesini tıklatın. PTV modülüne tıklayarak PTV modülünüdevre dışı bırakın. Araç çubuğundaki Parametre panelini açın; hız vektör hesaplama parametresini belirtin.
NOT: Bu çalışmada, 32 × 32 pikselden başlayan, daha sonra 16 × 16 piksel ile geçirilen ve 8 × 8 piksel ile biten sorgulama pencereleri olarak çok geçişli bir yineleme işlemi benimsenmiştir; tüm geçişler bitişik alt pencereler arasında %50 çakışma kullanır. - Tohumlama parçacıklarını vurgulamak ve istenmeyen saçılma ışığını filtrelemek için Görüntü filtresi menüsündeki Laplacian filtre işlevini ham görüntülere uygulayın (Bkz. Şekil 3c).
- Araç çubuğundaki Sınır düğmesini tıklatın, daha fazla hesaplama için deniz tabanı bölgesini hariç tutmak için resimlerdeki geometrik maskeyi ayarlayın. Sınır verilerini kaydetmek için Sınır Kaydet düğmesini tıklatın.
- Çapraz korelasyon yöntemini kullanarak farklı titreşimli aşamaların anlık hız alanlarını hesaplamak için araç çubuğundaki Çalıştır düğmesini tıklatın.
NOT: Bu çalışmada, akış alanındaki yüksek hız degradesi nedeniyle sapma hatasını azaltmak için çok zaman aralığı algoritması benimsenmiştir (Bkz. Şekil5). Çapraz korelasyon hesaplamaları için benimsenen çoklu zaman aralıkları Δt, 3Δt, 9Δt ve 21Δt (Δt = 5 ms) 'dir. Tatmin edici korelasyon kriteri %70'ten büyüktür. - Daha fazla analiz için anlık hız alanları verilerini dışa aktarın ve kaydedin.
- PTVaraçlarına gidin, sonraki PIV çözümlemesi için ham görüntüyü devam ettirmek için Varsayılan düğmesini tıklatın. PTV modülüne tıklayarak PTV modülünüdevre dışı bırakın. Araç çubuğundaki Parametre panelini açın; hız vektör hesaplama parametresini belirtin.
- Newland 199429,30 ve Hsieh 2008 28'de açıklanan algoritma ile hesaplanan anlık hızalanlarından faz ortalamalı hız alanlarını belirleyin.
NOT: Bu adımın hesaplama yordamları aşağıdaki gibi açıklanmıştır:- Her anlık hız alanı için anlık faz elde etmek için titreşimli boru hattının yer değiştirme zaman serisi, η(t), dalgalet dönüştürme fonksiyonu uygulayın. Dalgacık dönüştürme fonksiyonu şu şekilde tanımlanır:
(1)
W. Dalgacık katsayısı; α ve β sırasıyla ölçek ve çeviri parametreleridir; fonksiyonu Morlet fonksiyonudur ve olarak
hesaplanır; üstteki "*" karmaşık eşlegate'i gösterir. Farklı boru hattı yer değiştirmelerine karşılık gelen titreşimli boru hattının anlık aşamaları Φ aşağıdakilerden hesaplanabilir:
(2) - Faz ortalaması olan hız alanlarını elde etmek için aynı faza sahip anlık hız alanlarının ortalamasını alın.
- Hesaplanan faz ortalaması ndakihız alanlarındaki akış girdaplarını belirleyin:
(3)
x
ve y yönleri boyunca faz ortalamahızları vardır.
- Her anlık hız alanı için anlık faz elde etmek için titreşimli boru hattının yer değiştirme zaman serisi, η(t), dalgalet dönüştürme fonksiyonu uygulayın. Dalgacık dönüştürme fonksiyonu şu şekilde tanımlanır:
- Görüntüleme için Tecplot yazılımında hesaplanan faz ortalaması ve girdap verilerini yükleyin.
- Hsieh ve ark. 2016 9'da açıklandığı gibi algoritma ile hesaplanan anlık hız alanlarından yakın sınır kesme ve normal gerilimleri belirleyin. Bu adım için hesaplama yordamları aşağıdaki gibi açıklanmıştır:
- Hesaplanan faz ortalaması lı hız akış alanlarından sınıra yakın hız verilerini (deniz tabanından 0-5 mm yukarıda) ayıklayın.
- Bir titreşen çevrim içinde farklı aşamalar için ovma profili boyunca (ovma deliği sınırının yaklaşık 2 mm üzerinde) yakın sınır kesme gerilmeleri, ts ve normal gerilmeleri, t n,hesapla. Not: Hesaplama denklemleri aşağıdaki gibidir:
, 
(4)
nerede, μ = sıvının dinamik viskozitesi (burada 1×10-3 Pa×s olarak alınmıştır); up = yatağa paralel sınıra yakın hız; un = yatağa dik sınıra yakın hız; n = yataktan normal uzaklık.
- Görselleştirme için hesaplanan sınıra yakın kesme ve normal gerilim verilerini bir yazılıma (örneğin, Tecplot) yükleyin.
(1)
hesaplanır; üstteki "*" karmaşık eşlegate'i gösterir. Farklı boru hattı yer değiştirmelerine karşılık gelen titreşimli boru hattının anlık aşamaları Φ aşağıdakilerden hesaplanabilir:
(2)
(3)
ve y yönleri boyunca faz ortalamahızları vardır.
, 
(4)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ham görüntü ile boru hattı yer değiştirmeleri izlemenin işlenmiş görüntüsü ile anlık hız hesaplaması arasındaki karşılaştırmanın bir örneği Şekil3'te gösterilmiştir. Şekil 3b'de gösterildiği gibi, ham görüntüdeki tohumlama parçacıkları ve gürültü filtrelenir ve deplasman zaman serilerini elde etmek için parlayan boru hattı kenarı korunur. Şekil3c'de gösterildiği gibi, tohumlama parçacıkları, boru hattı kenarı ve deniz tabanı yüzeyi etrafındaki ışık dağılımları/yansımaları Laplacian filtresi tarafından filtrelenir. Titreşen ardışık boru hattının yer değiştirme zaman serisinin bir örneği Şekil4'te gösterilmiştir. Boru hattının titreşimi neredeyse sinüzoidaldir ve titreşim frekansı ve genliği sırasıyla 0,3 Hz ve ~50 mm'dir.
Şekil 6, t = 1440 dk'daki yarı-denge tarama profili ve titreşimli boru hattının görüntüsünün bir örneğini gösterir ve bu çalışmanın koordinatının (x -O-y)kaynağının kavşak noktasında orijinal deniz tabanı yüzeyi ve boru hattı dikey merkez hattı. Şekil6'da gösterildiği gibi, tohumlama parçacıklarına ek olarak, akışta çok az askıda tortu parçacıkları gözlemlenebilir; bu nedenle, ham görüntü kalitesi tehlikeye değildi. Bu aynı zamanda boru hattı ovma işlemi için bir yarı-denge aşamasına ulaşıldığını gösterir.
Görselleştirilmiş faz ortalaması ve girdap dinamiği örnekleri Şekil7'de gösterilmiştir. PIV ölçümleri sırasında boru hattının gölgesi nedeniyle, boru hattının sol tarafındaki bölgenin veriye sahip olmadığı unutulmamalıdır (Bkz. Şekil7'deki alt çizimler). Şekil7'de görüldüğü gibi, akış alanının bir titreşim döngüsü içinde dokuz ayrı fazı sunulmuştur. Boru hattı düşme fazları sırasında (0 ≤ t0/T < 0.5, T titreşim periyodu ve t0 zaman 0'dan T'yedeğişir), simetrik desenlere sahip bir çift girdap makastan oluşturulur titreşen boru hattının her iki tarafındaki katmanlar. Boru hattı ovma çukuruna ulaştıktan hemen sonra (t0/T = 4/8), saat yönünün tersine girdap bozulur ve boru hattı deniz tabanından yükselirken ovma çukuruna çekilir. Boru hattının yükselen fazları (0,5 ≤ t0/T < 1) dönemi için, azalan fazdakilere zıt dönen yönlere sahip başka bir girdap çifti, boru hattının üst kenarı etrafında simetrik olarak oluşturulur. Şekil7'deki akış dinamiklerinin daha iyi gözlemlenenene, boru hattı titreşiminin bir döngüsü için akış alanlarının 72 fazı (kare) şeklinde ki karşılık gelen videosu (Video1)sağlanır.
Yakın sınır kesme gerilmeleri, Ts ve normal gerilmeler, titreşen bir döngü içinde ovma profili boyunca Tn evrimi Örnek Şekil 8'desunulmuştur. Akış alanı y ekseni hakkında simetrik olduğundan, bu çalışmada sunulan yakın sınır kesme gerilmeleri ve normal gerilmeler ovma profilinin sağ yarısıyla sınırlıdır (0 < x < 5). Şekil8'de gösterildiği gibi, bu iki gerilme kritik yatak kesme gerilimi değerine göre normalleşir, Tc (Shields'ın eğrisinden 0,243 Pa olarak elde edilir) düzlem yatak durumundaki kum parçacıklarının. T s ve T n'nin ovma çukuru içinde ve titreşimli boru hattının altındaki mutlak değerleri, boru hattı yatağa düştüğünde veya yataktan yükselirken önemli ölçüde artar. Tve T n'nin maksimum ve minimum değerleri sergiledikleri bölgeler, Şekil7'de gösterildiği gibi titreşen boru hattı ile ovma sınırı arasındaki akış alanlarının evrimiyle tutarlıdır.
Şekil 1 : Deneysel baca şeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2 : Boru hattı modelinin şeması ve titreşim sistemi kurulumu. (a) Bölüm görünümü, (b) Yan görünüm. Bu rakam 8'den değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3 : Ham ve işlenmiş görüntüler arasındaki karşılaştırmanın örneği. (a) ham görüntü, (b) boru hattı yer değiştirmeleri izleme için işlenmiş görüntü ve (c) anlık hız hesaplaması için işlenmiş görüntü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4 : Titreşimli boru hattının yer değiştirme zaman serisi örneği t = 1440 dk . Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5 : Tek zamanlı ve çok zaman aralığı çapraz korelasyon algoritması arasında karşılaştırma. Bu rakam 9'dan çoğaltılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6 : T = 1440 dk'daki yarı-denge ovma profilinin örnek görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7 : Görselleştirilmiş faz ortalaması hız alanı ve girdap dinamiği örnekleri. Bu rakam 8'den çoğaltılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8 : Ts ve tn evrimlerinin bir titreşen döngü içindeki ovma profili boyunca olan evrimlerine örnektir. Touchdown ve kalkış süreleri, boru hattının alt sadece dokunur ve ovma deliği sınırından yükselir kez, sırasıyla bakın. Bu rakam 8'den çoğaltılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Video 1: Denge ovma deliği içinde titreşimli boru hattı etrafında akış alanı evrimi. Video, boru hattı titreşiminin bir döngüsü için akış alanlarının 72 aşamasından (kareler) yapılmıştır. Bu video 8'den çoğaltılır. Bu videoyu izlemek için lütfen buraya tıklayın. (İndirmek için sağ tıklatın.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu yazıda sunulan protokol, iki boyutlu akış alanlarının görselleştirilmesi ve PIV tekniklerini kullanarak bir denge deliğinde zorlanmış bir titreşimli boru hattı etrafında sınıra yakın akış gerilimi alanlarının belirlenmesi için bir yöntem açıklanmaktadır. Tasarlanan boru hattı hareketi y yönü boyunca tek boyutlu olduğundan, bu amaca ulaşmak için boru hattı modeli nin ve titreşim sisteminin hazırlanması ve ayarlanması başarılı bir sonuç için kritik ön koşullardır. X yönü boyunca boru hattının istenmeyen hareketleri asimetrik akış alanları neden olabilir ve titreşimli boru hattı etrafında ovma delik oluşumu. Cihaz etkilerinin yanı sıra, boru hattının deneyler için titreşim frekansı ve genliği seçimi de boru hattı etrafında simetrik bir akış alanı nın indüklemesi için önemlidir. Aslında, bir quiescent su durumunda, Lin ve ark.31 bir dürtüsel olarak başlatılan dairesel silindir arkasında akış sirkülasyonu yapısı boyutsal olmayan zaman TD = tDU simetrisini koruyabilirsiniz gösterdi D/D < 5, burada tD = silindir hareketli zaman; ve UD = silindir hızı. TD > 5'in durumunda silindirin etrafında eğik girdap dökülmesi oluşabilir. Bu çalışmada, maksimum boru hattı hızı 2π ƒ • A0olarak tahmin edilebilir ve silindir hareketli zaman 1/2 ƒ olarak alınabilir, böylece maksimum boyutsal olmayan zaman TD = π A0/D = 4.48.
PIV kurulum aşamasında, lazer sayfası ve kamera ayarlamaları ve tohumlama parçacık seçimi yüksek kaliteli akış alanı verileri elde etmek için kritik protokol adımlarıdır. Kamera çekim yönü lazer levhaya dik olmalıdır, aksi takdirde, yakalanan görüntülerde perspektif bozulmaları gösterilir. Bu yöntem kararsız bir akış alanında sınıra yakın akış gerilimlerini elde etmeyi amaçladığı için, sınırın güçlü ışık yansımasını önlemek için lazerin yoğunluğu ve görüş alanının konumu uygun şekilde ayarlanmalıdır. Seçilen tohumlama parçacıkları etkili aydınlatıcı lazer levha dağıtmak ve aşırı yerleşim olmadan akış aerodinamik takip edebilmek gerekir20. Bu değerlendirmeye dayanarak, bu çalışmada kullanılan tohumlama parçacıkları, Stoke yasası kullanılarak yerleşme hızı 92,6 mm/s olarak tahmin edilen alüminyum tozlarıdır. Bu yerleşme hızı, titreşimli boru hattının yakınındaki akış hızları (0.1-0.2 m/s) ile karşılaştırıldığında önemsizdir. Deneysel kurulumu optimize etmek için, kameranın odak doğrulamak ve kamera örnekleme oranı nı belirlemek de güvenilir ölçümler için önemli adımlardır.
Veri işlem aşaması için, yüksek kaliteli faz ortalaması akış alanları ve sınıra yakın akış gerilimleri elde etmek için iki zorluk vardır: (1) anlık akış alanlarını doğru bir şekilde hesaplayın ve akış bölgelerindeki yer değiştirme yanlılığı hatasını büyük hız gradyanı; ve (2) aynı titreşim fazına sahip yakalanan görüntüleri doğru bir şekilde kataloglayın. Anlık akış alanlarını hesaplamak için, geleneksel PIV çapraz korelasyon yöntemi 19 sabit bir zaman aralığı Δt ile iki ardışık görüntü arasındaki hız vektörünü belirler (Bkz. Şekil 5a). Hesaplanan akış alanı titreşimli boru hattı ve deniz tabanı sınırları yakınında önemli yer değiştirme sapma hataları olabilir, çünkü bu geleneksel yöntem bu çalışma için uygun olmayabilir. Bu problemi aşmak için bu çalışmada çok zaman aralığı algoritması benimsenmiştir (Bkz. Şekil 5b). Bu yöntem kullanılarak, görüntü sorgulamaları farklı seçili aralıklar için farklı görüntü çiftleri üzerinde yinelemeli olarak yürütülür. Her ızgara noktasındaki hız vektörü uygun zaman aralığı9,27,28'intahminlerine göre belirlenir. Bu yöntemi kullanırken, ham görüntü veri kümelerinin yüksek örnekleme hızı kamera ve sürekli dalga lazeri ile piv çözülmüş bir zaman tarafından elde edilmesi gerektiği unutulmamalıdır. İkinci zorluğuaşmak için, bu kağıt bir dalgacık dönüştürme tekniği sağlar. Dalgalet dönüştürme işlevini boru hattının yer değiştirme zaman serisine uygulayarak, yakalanan her görüntünün anlık aşaması doğru bir şekilde hesaplanabilir. Bu yöntem aynı zamanda girdap kaynaklı titreşim süreçlerini araştırmak için de uygulanabilir, örneğin asimetri girdabının neden olduğu boru hattı titreşimi gibi15,27,32.
Bu makalede açıklanan akış ölçüm tekniğinin temel avantajları yüksek zamansal ve mekansal çözünürlük ve aynı anda boru hattı dinamikleri, akış alanları ve sınıra yakın akış gerilimleri elde etme kapasitesidir. Bu teknik kullanılarak, karmaşık ortamlarda boru hattı ovma üzerinde daha derinlemesine çalışmalar yapılabilir ve titreşimli boru hattı etrafında ovma karmaşık mekanizması daha iyi anlaşılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (51709082) Genç Bilim Adamları Fonu ve Merkez Üniversiteler Için Temel Araştırma Fonları (2018B13014) tarafından desteklenmiştir.
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 |
References
- Fredsøe, J.
- 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.
- 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).
