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एक संतुलन Scour छेद के भीतर एक कंपन पाइप लाइन के आसपास प्रवाह क्षेत्र का दृश्य

Published: August 26, 2019 doi: 10.3791/59745
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 4
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

प्रोटोकॉल का लक्ष्य विस्तृत प्रवाह क्षेत्रों के दृश्य और एक हिल पाइप लाइन द्वारा प्रेरित एक संतुलन परिमार्जन छेद के भीतर निकट सीमा कतरनी और सामान्य तनाव के निर्धारण को सक्षम करने के लिए है।

Abstract

एक प्रयोगात्मक विधि विस्तृत प्रवाह क्षेत्रों के दृश्य और एक संतुलन परिमार्जन छेद एक हिल पाइप लाइन द्वारा प्रेरित भीतर निकट सीमा कतरनी और सामान्य तनाव के निर्धारण की सुविधा के लिए इस पत्र में प्रस्तुत किया है. इस विधि में एक सीधे flume में एक पाइप लाइन कंपन प्रणाली के कार्यान्वयन शामिल है, पाइप लाइन विस्थापन और प्रवाह क्षेत्रों माप के लिए एक समय हल कण छवि velocimetry (PIV) प्रणाली. कंपमान पाइप लाइन के विस्थापन समय श्रृंखला पार सहसंबंध एल्गोरिदम का उपयोग करके प्राप्त कर रहे हैं. समय हल PIV का उपयोग करके प्राप्त कच्चे कण लादेन छवियों के प्रसंस्करण के लिए कदम वर्णित हैं. विभिन्न हिल चरणों में हिल पाइप लाइन के आसपास विस्तृत तात्कालिक प्रवाह क्षेत्रों एक बड़े वेग ढाल के साथ प्रवाह क्षेत्रों में विस्थापन पूर्वाग्रह त्रुटि से बचने के लिए एक बहु-समय अंतराल पार सहसंबंध एल्गोरिथ्म का उपयोग करके गणना कर रहे हैं . तरंगसंच रूपांतरण तकनीक को लागू करने से, एक ही हिल चरण है कि कब्जा कर लिया छवियों सही चरण औसत वेग क्षेत्रों प्राप्त कर रहे हैं पहले सूचीबद्ध कर रहे हैं. इस कागज में वर्णित प्रवाह माप तकनीक के प्रमुख लाभ यह है कि यह एक बहुत ही उच्च लौकिक और स्थानिक संकल्प है और एक साथ पाइप लाइन गतिशीलता प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, प्रवाह क्षेत्रों, और पास सीमा प्रवाह तनाव. इस तकनीक का उपयोग करके, एक जटिल वातावरण में 2-आयामी प्रवाह क्षेत्र के अधिक गहराई से अध्ययन, जैसे कि एक हिल पाइप लाइन के आसपास, बेहतर संबद्ध परिष्कृत परिमार्जन तंत्र को समझने के लिए आयोजित किया जा सकता है।

Introduction

सबसी पाइपलाइनों का व्यापक रूप से तरल पदार्थ या हाइड्रो-कार्बन उत्पादों के परिवहन के उद्देश्य के लिए अपतटीय वातावरण में उपयोग किया जाता है। जब एक पाइप लाइन एक erodible seabed पर रखा जाता है, पाइप लाइन के चारों ओर एक दस्त छेद लहरों, धाराओं या पाइप लाइन के गतिशील गति के कारण ही फार्म की संभावना है (बल-कंपन या भंवर प्रेरित कंपन)1,2. एक subsea पाइप लाइन के आसपास परिमार्जन तंत्र की समझ में सुधार करने के लिए, अशांत प्रवाह क्षेत्रों की माप और बिस्तर कतरनी और पाइप लाइन के भीतर सामान्य तनाव के आकलन के अलावा आवश्यक हैं परिमार्जन छेद आयाम1,2,3,4,5,6,7के मापन . एक वातावरण में जहां बिस्तर कतरनी और सामान्य तनाव बहुत मुश्किल है निर्धारित किया जा करने के लिए क्योंकि प्रवाह क्षेत्र अस्थिर है और नीचे सीमा किसी न किसी है, मापा तात्कालिक निकट सीमा तनाव (सीमा के ऊपर लगभग 2 मिमी पर) हो सकता है उनके सरोगेट8,9के रूप में इस्तेमाल किया जाता है . पिछले कुछ दशकों में, एक हिल पाइप लाइन के आसपास दस्त का अध्ययन किया गया है और मात्रात्मक परिमार्जन छेद3,4के भीतर पाइप लाइन के आसपास परिष्कृत प्रवाह क्षेत्रों के मूल्यों को पेश किए बिना प्रकाशित किया गया है, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. इसलिए, इस विधि कागज का लक्ष्य विस्तृत प्रवाह क्षेत्रों visualizing के लिए एक उपन्यास प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल प्रदान करने के लिए और एक संतुलन परिमार्जन छेद एक मजबूर हिल पाइप लाइन द्वारा प्रेरित भीतर के पास सीमा कतरनी और सामान्य तनाव निर्धारित करने के लिए है. यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस अध्ययन में पाइप लाइन-fluid-seabed बातचीत प्रक्रिया एक शांत पानी के वातावरण में है बजाय उन दिशात्मक धाराओं और लहरों के साथ उन लोगों के बजाय.

इस प्रयोगात्मक विधि में दो महत्वपूर्ण घटक होते हैं, अर्थात्, (1) पाइपलाइन का अनुकरण (बलित) कंपन; और (2) पाइप लाइन के आसपास प्रवाह क्षेत्रों की माप. पहले घटक में, हिल पाइप लाइन एक हिल प्रणाली है, जो एक इमदादी मोटर, दो जोड़ने स्प्रिंग्स, और पाइप लाइन का समर्थन फ्रेम है का उपयोग करके एक प्रयोगात्मक flume में नकली था. विभिन्न कंपन आवृत्तियों और आयाम मोटर गति और जोड़ने स्प्रिंग्स के स्थान का समायोजन करके नकली किया जा सकता है। दूसरे घटक में, समय-समाधान कण छवि वेलोसिमिट्री (पीआईवी) और तरंगित परिवर्तन तकनीकों को विभिन्न पाइपलाइन कंपन चरणों में उच्च लौकिक और स्थानिक संकल्प प्रवाह क्षेत्र डेटा प्राप्त करने के लिए अपनाया गया था। समय हल PIV प्रणाली एक सतत लहर लेजर, एक उच्च गति कैमरा, बोने कणों, और पार सहसंबंध एल्गोरिदम के होते हैं. यद्यपि पीवी तकनीकों का व्यापक रूप से उपयोग सतत अशांत प्रवाह क्षेत्र19,20,21,22,23,24,25प्राप्त करने में किया गया है , जटिल अस्थिर प्रवाह क्षेत्र स्थितियों में अनुप्रयोग, जैसे पाइप लाइन-fluids-seabed बातचीत के मामले, अपेक्षाकृत सीमितहैं 8,9,26,27. शायद इसका कारण यह है कि PIV तकनीकों के पारंपरिक एकल-समय अंतराल पार-सहसंबंध एल्गोरिथ्म अस्थिर प्रवाह क्षेत्रों में प्रवाह सुविधाओं को सटीक रूप से कैप्चर करने में असमर्थ है जहां एक अपेक्षाकृत उच्च वेग प्रवणता9मौजूद है, 20| इस काग़ज़ में वर्णित विधि बहु-अंतराल पार सहसंबंधएल्गोरिथ्म 9,28का उपयोग करके इस समस्या को हल कर सकती है।

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Protocol

1. प्रयोगशाला सुरक्षा जांच

  1. लेजर और फ्लूम प्रणाली के उपयोग से संबंधित सुरक्षा नियमों की समीक्षा करें।
  2. सुनिश्चित करें कि प्रयोगशाला की सुरक्षा प्रशिक्षण आवश्यकताओं को पूरा किया गया है।
    नोट: इस प्रयोग में 532 दउ की तरंगदैर्ध्य के साथ 5W वायु-कूलन सतत तरंग लेजर का एक समुच्चय तथा 11 उ लंबाई, 0ण्6 उ चौड़ाई तथा 0ण्6 उ गहराई के आयामों के साथ एक काँच की ओर सीधा फ्लूम (चित्र 1) का उपयोग किया जाता है। इन दो उपकरणों के लिए बुनियादी सुरक्षा सिफारिशें इस प्रकार हैं:
    1. परीक्षण से पहले लेजर लाइन की दृष्टि में संभावित प्रतिबिंब सतहों की जाँच करें; लेजर डिवाइस का संचालन करते समय सुरक्षा काले चश्मे पहनते हैं।
    2. प्रयोगों के दौरान लेजर बीम के स्तर पर आंखें होने से बचें और ऑप्टिकल तत्वों या चिंतनशील उपकरणों को संभालने के दौरान परावर्तित लेजर रोशनी से सावधान रहें।
    3. सुनिश्चित करें कि पानी की नली गिर नहीं करता है और यह कि वहाँ हमेशा कोई पानी flume से बह रहा है.

2. फ्लूम और सीबेड मॉडल सेटअप

  1. फ्लूम के बीच में स्थित अदद समुद्री तल मॉडल तैयार की जा रही है।
    नोट: इस अध्ययन में प्रयुक्त तलछट सामग्री एक समान रूप से वितरित मध्यम रेत थी जिसमें औसत अनाज का आकार घ50 र् 0ण्45 उउ, सापेक्ष जलमग्न कण घनत्व - 1ण्65 तथा ज्यामितीय मानक विचलन ] 1ण्30।
  2. ठोस और एक रेत leveler का उपयोग कर seabed स्तर।
  3. धीरे धीरे एक पानी की नली के साथ flume भरने और सुनिश्चित करें कि एक फ्लैट seabed सतह भरने की प्रक्रिया के दौरान बरकरार है; जब जल स्तर समुद्र तल से 0.4 मीटर की गहराई तक पहुंच गया है तो भरने बंद कर दें।
  4. पाइपलाइन मॉडल और PIV प्रणाली की स्थापना के लिए फ्लूम शीर्ष मंच और कांच को साफ़ करें।

3. पाइपलाइन मॉडल और कंपन प्रणाली सेटअप

  1. 35 मिमी और 0.56 मीटर की लंबाई के साथ एक एक्रिलिक सिलेंडर के रूप में एक पूर्वनिर्मित पाइप लाइन मॉडल का प्रयोग करें।
  2. एक एल्यूमीनियम का समर्थन फ्रेम है, जो बारी में, एक और निश्चित फ्रेम है कि flume के शीर्ष रेल पर बंद कर दिया है पर एक गतिशील पोल के लिए दो स्प्रिंग्स से जुड़ा हुआ है पर पाइप लाइन मॉडल माउंट, के रूप में चित्र 2में सचित्र. यह सुनिश्चित करने के लिए कि सहायक फ्रेम केवल ऊर्ध्वाधर दिशा के साथ स्वतंत्र रूप से कंपन कर सके, चार बीयरिंगों का उपयोग करके निश्चित फ्रेम के अंदर सहायक फ्रेम को ठीक करें (चित्र 2)।
  3. निश्चित फ्रेम के शीर्ष पर घुड़सवार इमदादी मोटर के लिए चलने योग्य पोल टाई करने के लिए एक जोड़ने की छड़ का उपयोग करें। इस अध्ययन में, पाइप लाइन मॉडल और एल्यूमीनियम फ्रेम सहित इकट्ठे हिल प्रणाली का वजन, 1.445 किलो है, जो 2.682 के एक बराबर द्रव्यमान अनुपात(m*) है; 0.82 हर्ट्ज की एक प्राकृतिक आवृत्ति (चछ); और अवमंदनअनुपात (0.124) का।
  4. पाइप लाइन और सीबेड के बीच एक निश्चित अंतराल अनुपात प्राप्त करने के लिए गतिशील पोल और सहायक फ्रेम को समायोजित करें।  इस अध्ययन में, G/D $ 1, जहां G पाइपलाइन के नीचे और प्रारंभिक समुद्र तल की सतह के बीच ऊर्ध्वाधर दूरी है; और डी पाइप लाइन व्यास है.
  5. पाइप लाइन पर एक मजबूर कंपन प्रेरित करने के लिए इमदादी मोटर चालू करें; समर्थन फ्रेम और चार बीयरिंग समायोजित करने के लिए सुनिश्चित करें कि पाइप लाइन कंपन ऊर्ध्वाधर दिशा के साथ है. सहायक फ़्रेम्स के समायोजन पूर्ण हो गया है जब इमदादी मोटर बंद करें।
  6. यदि समुद्र तल मॉडल 3.5 में परेशान है तो प्रयोग चलाने से पहले समुद्र तल को फिर से समतल करें।

4. पीवी सेटअप

  1. फ्लूम के शीर्ष पर लेजर डिवाइस प्लेस और प्रकाशिकी बनाने लेजर शीट स्थापित करें।
  2. लेजर डिवाइस को चालू करें और लेजर शीट को समायोजित करें जो प्रकाशिकी बना तेरा है ताकि क्षेत्र के अंदर एक प्रबुद्ध फ्लैट शीट का गठन किया जा सके।
    नोट: इस अध्ययन में, प्रबुद्ध हरी लेजर शीट 1.5 मिमी मोटी है, flume कांच की दीवारों के समानांतर और flume के केंद्र रेखा के साथ पानी में नीचे डाली है. इस अध्ययन के क्षेत्र के हित पाइप लाइन तरल-समुद्र के संपर्क क्षेत्र को संदर्भित करता है और पाइप लाइन के दाईं ओर तक ही सीमित है. पाइप लाइन की छाया पाइप लाइन के बाईं ओर दिखाई देगी।
  3. उच्च गति कैमरा सेट करें.
    नोट: इस अध्ययन के लिए, 12-गीगाबाइट स्मृति भंडारण और 2.3 Mpx (1920 $1200) की एक अधिकतम संकल्प के साथ एक उच्च गति कैमरा प्रयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए, प्रेत Miro लैब 320). विस्तृत कार्रवाई प्रक्रियाएँ निम्नानुसार हैं:
    1. उच्च गति कैमरे पर उपयुक्त फोकल लंबाई के साथ लेंस माउंट. एक ऊंचाई समायोज्य तिपाई पर उच्च गति कैमरा पेंच; प्रबुद्ध लेजर शीट के सीधा अपनी धुरी के साथ अवलोकन क्षेत्र के स्तर के लिए कैमरे को समायोजित.
      नोट: यह अध्ययन f/2.8 की अपनी अधिकतम अपर्चर पर एक 60 मिमी प्रधानमंत्री लेंस का उपयोग करता है.
    2. एक ईथरनेट केबल का उपयोग करके कंप्यूटर के लिए कैमरा कनेक्ट और कैमरा नियंत्रण सॉफ्टवेयर पर बारी (उदा., प्रेत पीसीसी 2.6); कैमरे पर बारी और कैमरा नियंत्रण सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस में कंप्यूटर से कनेक्ट.
    3. यह सुनिश्चित करने के लिए तिपाई समायोजित करें कि कैमरे के क्षेत्र-के-दृश्य पाइपलाइन-fluid-seabed इंटरैक्शन क्षेत्र को कवर करता है; तिपाई पर निर्मित बुलबुला स्तर का उपयोग कर कैमरे के स्तर; धुन लेंस पर ध्यान अंगूठी सुनिश्चित करने के लिए कि लेजर शीट फोकल विमान पर स्पष्ट है.

5. प्रायोगिक सेटअप अनुकूलन और अंशांकन

  1. फ्लूम के परीक्षण अनुभाग में PIV बोने वाले कणों को जोड़ें।
    नोट: इस अध्ययन में इस्तेमाल किया बोने कणों 10 डिग्री मीटर के एक व्यास और 2.7 की एक विशिष्ट घनत्व के साथ एल्यूमीनियम पाउडर थे।
  2. यदि आवश्यक हो तो लेजर शीट की प्रकाश तीव्रता को बढ़ाएं।
  3. कंप्यूटर पर एक लाइव कैमरा देखने के माध्यम से लेजर शीट पर प्रबुद्ध बोने कणों को देख कर कैमरे का ध्यान सत्यापित करें; ठीक धुन ध्यान अंगूठी, यदि आवश्यक हो, यह सुनिश्चित करने के लिए कि बोने कणों तेज और ध्यान में हैं.
  4. लेजर शीट के तल पर क्षेत्र के दृश्य के अंदर एक अंशांकन शासक रखें और एक अंशांकन छवि पर कब्जा।
    नोट: इस अध्ययन में छवि के अपनाया संकल्प 1600 $ 1200 पिक्सेल था.
  5. डेटा संग्रह के लिए उचित नमूना दर का चयन करें.
    नोट: चुना नमूना दर छवियों की एक जोड़ी के भीतर बोने कण विस्थापन अधिकतम पूछताछ खिड़की की लंबाई के 50% से कम है कि यह सुनिश्चित करना चाहिए। इस अध्ययन में, अधिकतम पूछताछ खिड़की का आकार 32 है 32 32 पिक्सेल और अपनाया नमूना दर 200 फ्रेम प्रति सेकंड है.
  6. लेजर और कैमरा बंद करें जब कदम 5.1-5.5 पूरा कर रहे हैं.

6. प्रयोग और डेटा संग्रह चल रहा है

  1. एक पारदर्शी एक्रिलिक प्लेट रखें (20 मिमी मोटी) लेजर स्रोत के नीचे और पानी की सतह पर, पानी की सतह में उतार चढ़ाव को दबाने के लिए, और लेजर प्रकाश के लिए शांत ऑप्टिकल पहुँच सुनिश्चित करने के लिए।
  2. पाइप लाइन मॉडल पर मजबूर कंपन प्रेरित करने के लिए इमदादी मोटर चालू करें.
    नोट: इस अध्ययन में, इमदादी मोटर की प्रेरित आवृत्ति च है0 $ 0.3 हर्ट्ज.
  3. कंपन प्रणाली के लिए चल रखें (t $)1440 मिनट हिल पाइप लाइन के नीचे एक अर्ध संतुलन परिमार्जन छेद प्राप्त करने के लिए.
  4. लेजर चालू करें और अनुकूलित तीव्रता के लिए उत्पादन शक्ति को समायोजित करें। कैमरा और कैमरा नियंत्रण सॉफ्टवेयर को चालू करें और कैमरे के लिए calibrated सेटिंग्स लागू होते हैं। प्रयोगशाला में पृष्ठभूमि रोशनी बंद करें.
  5. कैमरा सॉफ्टवेयर नियंत्रण सॉफ्टवेयर में कैद नीचे क्लिक करके 5.6 में चयनित नमूना दर के साथ बोने कण से लदी प्रवाह क्षेत्र छवि रिकॉर्डिंग शुरू करो.
    नोट: इस अध्ययन में हर एक रिकॉर्डिंग के लिए, कैमरा भंडारण 1,000 छवियों पर कब्जा कर लिया जा करने के लिए अनुमति देता है।
  6. एक बार डेटा संग्रह पूरा हो गया है, दर्ज की छवि की गुणवत्ता की समीक्षा करें और जांच अगर पूछताछ खिड़की प्रति बोने कण घनत्व (32 ]32 पिक्सल) 8 से अधिक है. यदि संतुष्ट हो तो रिकॉर्ड की गई फ़ाइल सहेजें, अन्यथा, सीडिंग घनत्व अवलोकन क्षेत्र में धीरे-धीरे सीडिंग समाधान इंजेक्शन द्वारा बढ़ जाता है, और चरण 6-3-6.5 दोहराएँ।
  7. अधिक डेटा सेट एकत्रित करने के लिए चरण 6.3-6.5 दोहराएँ.
    नोट: इस अध्ययन के लिए, 20,000 से अधिक छवियों को सुनिश्चित करने के लिए कि पर्याप्त कच्चे डेटा प्रवाह वेग, vorticities, अशांति, और निकट सीमा तनाव की गणना के लिए प्राप्त कर रहे हैं लिया गया.
  8. सभी डेटा संग्रह पूरा कर रहे हैं जब लेजर डिवाइस, कैमरा, और सर्वर मोटर बंद करें; प्रयोगशाला में पृष्ठभूमि रोशनी पर बारी.

7. डेटा प्रसंस्करण

  1. सॉफ्टवेयर खोलें; उपकरण पट्टी पर फ़ाइल फ़ोल्डर बटन पर क्लिक करें और चरण 5.4 में ली गई अंशांकन छवि लोड करें।
    नोट: पाइपलाइन विस्थापन ट्रैकिंग और प्रवाह फ़ील्ड परिकलन सॉफ़्टवेयर (उदाहरण के लिए, PISIOU) के लिए डेटा संसाधन प्रोग्राम का उपयोग करें।
  2. उपकरण पट्टी पर सेटअप स्केल करें बटन क्लिक करें; छवि के पैमाने की गणना करने के लिए अंशांकन छवि पर एक ज्ञात दूरी को मापने.
    नोट: परिकलित छवि स्केल 0.1694 मिमी/
  3. उपकरण पट्टी पर मूल बटन क्लिक करें; प्रत्येक छवि पर निर्देशांक के मूल सेट.
  4. दर्ज की गई छवियों से हिल पाइप लाइन के विस्थापन समय श्रृंखला निकालें.
    1. चरण 6 में ली गई कच्ची छवियों को लोड करें. फिर पैरामीटर पैनलपर क्लिक करें, डेटा फ़ाइलों की संख्या और नमूना दर दर्ज करें।
    2. छवि फ़िल्टर मेनू में लो पास फ़िल्टर लागू करें.
      नोट: यह आपरेशन पाइप लाइन के किनारे की अनुमति देगा (लक्ष्य ट्रैक किया जा करने के लिए) संसाधित छवियों पर आसानी से मान्यता प्राप्त किया जा करने के लिए (चित्र 3एकदेखें).
    3. उपकरण पट्टी में, PTV मॉड्यूलक्लिक करें. फिर ट्रेसिंग बिंदु बटन क्लिक करें, पाइपलाइन के केंद्र बिंदु का चयन करें। छवि में पाइप लाइन रूपरेखा बाहर एकल करने के लिए गामा, लाइट गेट और Median फ़िल्टर समायोजित पीटीवी उपकरणपर जाएँ। उपकरण पट्टी पर ऑब्जेक्ट ट्रैकिंग बटन क्लिक करें; संसाधित छवि पर लक्ष्य क्षेत्र (यानी पाइप लाइन) का चयन करें और लगातार संसाधित छवियों से हिल पाइप लाइन के विस्थापन को ट्रैक; अनुवर्ती प्रवाह क्षेत्र डेटा प्रक्रियाओं के लिए कंपमान पाइपलाइन के विस्थापन समय-श्रृंखला, ख्(ट ) को रिकॉर्ड करें (चित्र 4देखें)।
    4. आगे की गणना के लिए पाइपलाइन विस्थापन समय-श्रृंखला डेटा निर्यात करें और सहेजें.
  5. दर्ज की गई छवियों से तात्कालिक वेग क्षेत्रों का निर्धारण.
    1. PTV उपकरणपर जाएँ, बाद में PIV विश्लेषण के लिए कच्चे छवि को फिर से शुरू करने के लिए डिफ़ॉल्ट बटन पर क्लिक करें. पीटीवी मॉड्यूल पर क्लिक करके पीटीवी मॉड्यूलनिष्क्रिय करें। उपकरण पट्टी पर पैरामीटर पैनल खोलें; वेग वेक्टर परिकलन पैरामीटर निर्दिष्ट करें।
      नोट: इस अध्ययन में, एक बहु-पास पुनरावृत्ति प्रक्रिया पूछताछ खिड़कियों, जो 32 से शुरू कर दिया 32 - 32 पिक्सल के रूप में अपनाया है, तो 16 के साथ पारित कर दिया 16 - 16 पिक्सल, और 8 के साथ समाप्त हो गया 8 8 पिक्सल; सभी पास सन्निकट उप-खिड़कियों के बीच 50% ओवरलैप का उपयोग करते हैं.
    2. अंकुरकणों को हाइलाइट करने के लिए छवि फ़िल्टर मेनू में Laplacian फ़िल्टर फ़ंक्शन को अपरिष्कृत छवियों पर लागू करें और अवांछनीय प्रकीर्णन प्रकाश को फ़िल्टर करें (चित्र 3गदेखें)।
    3. उपकरण पट्टी पर सीमा बटन पर क्लिक करें, आगे की गणना के लिए seabed क्षेत्र को बाहर करने के लिए छवियों पर ज्यामितीय मुखौटा सेट. सीमा डेटा सहेजने के लिए बाउंड्री सहेजें बटन क्लिक करें.
    4. क्रॉस-सहसंबंध विधि का उपयोग करके विभिन्न हिल चरणों के लिए तात्कालिक वेग फ़ील्ड की गणना करने के लिए उपकरण पट्टी पर चलाएँ बटन क्लिक करें.
      नोट: इस अध्ययन में, प्रवाह फ़ील्ड में उच्च वेग प्रवणता के कारण बायस त्रुटि को कम करने के लिए एक बहु-समय अंतराल एल्गोरिथ्म अपनाया जाता है (चित्र 5देखें)। परस्पर सहसंबंध गणनाओं के लिए अपनाए गए बहु-समय अंतराल हैं -ट, 3 ेे,9 ेे े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े संतोषजनक सहसंबंध मानदंड 70% से अधिक है।
    5. निर्यात और आगे के विश्लेषण के लिए तात्कालिक वेग क्षेत्रों डेटा बचाने के लिए।
  6. न्यूलैंड 199429,30 और Hsieh 200828में वर्णित एल्गोरिथ्म के साथ गणना तात्कालिक वेग क्षेत्रों से चरण औसत वेग क्षेत्रों का निर्धारण.
    नोट: इस चरण के लिए परिकलन कार्यविधियाँ निम्नानुसार वर्णन किया गया है:
    1. प्रत्येक तात्कालिक वेग क्षेत्र के लिए तात्कालिक प्रावस्था प्राप्त करने के लिए कंपमान पाइपलाइन के तरंगलेट रूपांतर फ़ंक्शन को विस्थापन समय-श्रेणी, र्(त) पर लागू करें। तरंगक रूपांतरण समारोह के रूप में परिभाषित किया गया है:
      Equation 1(1)
      जहां W$ तरंगच गुणांक है; र्ं तथा र्ं क्रमशः पैमाने और अनुवाद पैरामीटर हैं; समारोह - मोरलेट समारोह है और Equation 2 के रूप में गणना की है; सुपरस्क्रिप्ट "*" जटिल संयुग्मी को दर्शाता है। विभिन्न पाइपलाइन विस्थापनों के अनुरूप हिलने वाली पाइपलाइन के तात्कालिक चरणों की गणना निम्न में से की जा सकती है:
      Equation 3(2)
    2. चरण औसत वेग क्षेत्रों को प्राप्त करने के लिए एक ही चरण के साथ तात्कालिक वेग क्षेत्रों औसत.
    3. परिकलित प्रावस्था-औसतवेग क्षेत्रों में प्रवाह भ्रमिलता का निर्धारण करें, र् 2:
      Equation 4(3)
      जहां Equation 5 Equation v और एक्स और वाई दिशाओं के साथ चरण औसत वेग हैं।
  7. परिकलित चरण-औसत वेग और दृश्य के लिए Tecplot सॉफ्टवेयर में vorticity डेटा लोड करें।
  8. Hsieh एट अल में वर्णित एल्गोरिथ्म के साथ गणना तात्कालिक वेग क्षेत्रों से निकट सीमा कतरनी और सामान्य तनाव का निर्धारण 2016 9. इस चरण के लिए परिकलन कार्यविधियाँ निम्नानुसार वर्णन किया गया है:
    1. गणना की चरण औसत वेग प्रवाह क्षेत्रों से निकट सीमा वेग डेटा (0-5 मिमी समुद्र तल के ऊपर) निकालें।
    2. पास सीमा कतरनी तनाव की गणना, टीएस और सामान्य तनाव, टीएन,परिमार्जन प्रोफ़ाइल के साथ (लगभग 2 मिमी परिमार्जन छेद सीमा के ऊपर) एक हिल चक्र के भीतर विभिन्न चरणों के लिए. नोट: परिकलन समीकरण निम्नानुसार हैं:
      Equation 7, Equation 8 (4)
      जहां, [ ] तरल पदार्थ की गतिशील चिपचिपापन (यहाँ के रूप में लिया 1 $10-3 Pa]s); यूच ] बिस्तर के समानांतर सीमा वेग के पास; यूद ] बिस्तर के लंबवत सीमा वेग के निकट; द बिस्तर से सामान्य दूरी।
  9. परिकलित निकट सीमा कतरनी और सामान्य दृश्य के लिए एक सॉफ्टवेयर (उदाहरण के लिए, Tecplot) में डेटा तनाव लोड.

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Representative Results

पाइप लाइन विस्थापन ट्रैकिंग और तात्कालिक वेग परिकलन के कच्चे प्रतिबिंब और प्रसंस्कृत प्रतिबिंब के बीच तुलना का एक उदाहरण चित्र 3में दर्शाया गया है। जैसा कि चित्र 3खमें दिखाया गया है, कच्चे प्रतिबिंब में बीजकण कणों और शोर को फ़िल्टर किया जाता है और चमकते हुए पाइपलाइन किनारे को विस्थापन समय श्रृंखला प्राप्त करने के लिए बनाए रखा जाता है। जैसा कि चित्र 3cमें दिखाया गया है, बोने वाले कणों, पाइप लाइन किनारे और सीबेड सतह के चारों ओर प्रकाश स्कैटर/प्रतिवर्तन लैप्लासी फिल्टर द्वारा फ़िल्टर किए जाते हैं। कंपमान पाइप लाइन के विस्थापन समय-श्रृंखला का एक उदाहरण चित्र 4में दर्शाया गया है। पाइप लाइन का कंपन लगभग साइनसॉइडल है, और हिल आवृत्ति और आयाम क्रमशः 0ण्3 हर्ट्ज और $ 50 मिमी हैं।

चित्र 6 में अर्ध-साम्य परिमार्जन परिच्छेद तथा कंपमान पाइप लाइन का एक उदाहरण ते र्1440 मि. मूल समुद्र तल सतह और पाइप लाइन ऊर्ध्वाधर केंद्र रेखा. जैसा कि चित्र 6में दिखाया गया है, बीज कणों के अतिरिक्त, प्रवाह में बहुत कम निलंबित तलछट कण देखे जा सकते हैं; इसलिए, कच्चे छवि गुणवत्ता समझौता नहीं किया गया था. यह भी इंगित करता है कि पाइपलाइन परिमार्जन प्रक्रिया के लिए एक अर्ध-साम्य अवस्था तक पहुंच गया था।

कल्पनाकृत प्रावस्था-औसत वेग क्षेत्र तथा भ्रमिलता गतिकी के उदाहरण चित्र 7में दर्शाए गए हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि PIV माप के दौरान पाइपलाइन की छाया के कारण, पाइपलाइन के बाईं ओर के क्षेत्र में कोई डेटा नहीं है (चित्र 7में subplots देखें)। जैसा कि चित्र 7में देखा गया है, कंपन के एक चक्र के भीतर प्रवाह क्षेत्र के नौ असतत चरण प्रस्तुत किए जाते हैं। पाइप लाइन गिरने चरणों के दौरान (0 ] टी0/टी और lt; 0.5, जहां टी कंपन अवधि है और टी0 समय 0 से टीके लिए भिन्न होता है, सममित पैटर्न के साथ vortices की एक जोड़ी कतरनी से उत्पन्न होता है हिल पाइप लाइन के दोनों पक्षों पर परतों. पाइप लाइन के दस्त खाई नीचेतक पहुँच गया है के तुरंत बाद (टी0/टी ] 4 /8), काउंटर दक्षिणावर्त भंवर विकृत है और परिमार्जन खाई में चूसा के रूप में पाइप लाइन seabed से उगता है. पाइप लाइन आरोही चरणों की अवधि के लिए (0.5 ] टी0/टी एंड एलटी; 1), उतरते चरण में उन लोगों के लिए विपरीत घूर्णन दिशाओं के साथ vortices की एक और जोड़ी सममित पाइप लाइन के शीर्ष किनारे के आसपास उत्पन्न होता है. चित्र 7में प्रवाह गतिशीलता के बेहतर अवलोकन के लिए, पाइपलाइन कंपन के एक चक्र के लिए प्रवाह क्षेत्रों के 72 चरणों (फ्रेम) से बना एक संगत वीडियो (वीडियो 1) प्रदान किया गया है।

निकट-सीमा कतरनी तनावों, टीएस तथा सामान्य तनावों का एक उदाहरण, एक कंपमान चक्र के भीतर परिमार्जन प्रोफाइल के साथ टीएन विकास चित्र 8में प्रस्तुत किया गया है। चूंकि प्रवाह क्षेत्र y अक्ष के बारे में सममित है, निकट सीमा कतरनी तनाव और सामान्य तनाव इस अध्ययन में प्रस्तुत परिमार्जन प्रोफ़ाइल के सही आधे तक ही सीमित हैं (0 और lt; x और lt; 5). जैसा कि चित्र 8में दर्शाया गया है, इन दोनों तनावों को महत्वपूर्ण बिस्तर कतरनी तनाव के मूल्य से सामान्यीकृत किया जाता है, तग (तल बिस्तर की स्थिति पर रेत कणों के 0ण्243 प के रूप में शील्ड्स वक्र से प्राप्त)। टी एस और टीएन के निरपेक्ष मूल्यों परिमार्जन खाई के भीतर और हिल पाइप लाइन के नीचे काफी वृद्धि हुई है जब पाइप लाइन बिस्तर पर गिर रही है या बिस्तर से आरोही. वे क्षेत्र जहां तऔर त्द अधिकतम तथा न्यूनतम मान प्रदर्शित करते हैं, जो कंपमान पाइप लाइन और परिमार्जन सीमा के बीच प्रवाह क्षेत्रों के विकास के अनुरूप होते हैं जैसा कि चित्र 7में दर्शाया गया है।

Figure 1
चित्र 1 : प्रयोगात्मक flume के Schematic. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2 : पाइप लाइन मॉडल और कंपन प्रणाली की स्थापना की योजना. (a) अनुभाग दृश्य, (b) साइड व्यू. यह आंकड़ा8से संशोधित किया गया है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3 : कच्चे और संसाधित छवियों के बीच तुलना का उदाहरण. (अ) कच्ची छवि , (ख) पाइपलाइन विस्थापन ट्रैकिंग के लिए संसाधित छवि, और (ग) तात्कालिक वेग गणना के लिए संसाधित छवि। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4 : हिल पाइप लाइन के विस्थापन समय श्रृंखला का उदाहरण पर t $ 1440 मिनट . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5 : एकल समय और बहु समय अंतराल पार सहसंबंध एल्गोरिथ्म के बीच तुलना. यह आंकड़ा9से पुनरुत्पादित किया जाता है . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6 : ट $ 1440 मि. पर अर्ध-साम्य परिमार्जन परिमार्जन का उदाहरण प्रतिबिंब। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7 : कल्पना चरण औसत वेग क्षेत्र और vorticity गतिशीलता के उदाहरण. यह आंकड़ा8से पुनरुत्पादित किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्र 8 : एक हिल चक्र के भीतर परिमार्जन प्रोफाइल के साथ टीएस और टीएन के विकास का उदाहरण . टचडाउन और लिफ्टऑफ बार उस समय का उल्लेख करते हैं जब पाइपलाइन के नीचे क्रमशः परिमार्जन छेद सीमा से उगता है। यह आंकड़ा8से पुनरुत्पादित किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Video 1
वीडियो 1: संतुलन परिमार्जन छेद के भीतर हिल पाइप लाइन के आसपास प्रवाह क्षेत्र विकास. वीडियो पाइप लाइन कंपन के एक चक्र के लिए प्रवाह क्षेत्रों के 72 चरणों (फ्रेम) से बना है. इस वीडियो से पुनरुत्पादित है8. कृपया यहाँ क्लिक करें इस वीडियो को देखने के लिए. (डाउनलोड करने के लिए राइट-क्लिक करें.)

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Discussion

इस पत्र में प्रस्तुत प्रोटोकॉल दो आयामी प्रवाह क्षेत्रों के दृश्य और PIV तकनीकों का उपयोग करके एक संतुलन परिमार्जन छेद में एक मजबूर कंपकंपी पाइप लाइन के आसपास के पास सीमा प्रवाह तनाव क्षेत्रों के निर्धारण के लिए एक विधि का वर्णन करता है. चूंकि डिजाइन पाइप लाइन गति वाई दिशा के साथ एक आयामी है, तैयारी और पाइप लाइन मॉडल और कंपन प्रणाली को समायोजित करने के लिए इस उद्देश्य को पूरा करने के लिए एक सफल परिणाम के लिए महत्वपूर्ण आवश्यकताएँ हैं. एक्स दिशा के साथ पाइप लाइन के किसी भी अवांछनीय गति विषम प्रवाह क्षेत्रों और हिल पाइप लाइन के आसपास परिमार्जन छेद गठन प्रेरित कर सकते हैं. उपकरण प्रभाव के अलावा, कंपन आवृत्ति और प्रयोगों के लिए पाइप लाइन के आयाम का चयन भी पाइप लाइन के आसपास एक सममित प्रवाह क्षेत्र को प्रेरित करने के लिए महत्वपूर्ण है. वास्तव में, एक शांत जल की स्थिति में, लिन एट अल31 से पता चला कि आवेगी रूप से शुरू किए गए गोल सिलेंडर के पीछे प्रवाह की संरचना अपनी सममिति बनाए रख सकती है जब गैर-आयामी समय टडी जेड टीडीयू D/D और lt; 5, जहां tD ] सिलेंडर समय ले जाने; और यूडी ] सिलेंडर की गति. शर्त के लिए जब टीडी और 5, तिरछी भंवर बहा सिलेंडर के आसपास हो सकता है. इस अध्ययन में, अधिकतम पाइपलाइन की गति का अनुमान लगाया जा सकता है 2 ] - ए0, और बेलन गतिशील समय को 1ध2 के रूप में लिया जा सकता है, इस प्रकार अधिकतम गैर-आयामी समय TD ] A0/D ] 4.48.

PIV सेटअप चरण के दौरान, लेजर शीट और कैमरा समायोजन और बोने कण चयन उच्च गुणवत्ता प्रवाह क्षेत्र डेटा प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण प्रोटोकॉल कदम हैं। कैमरा शूटिंग दिशा लेजर शीट के सीधा होना चाहिए, अन्यथा, परिप्रेक्ष्य विकृतियों पर कब्जा कर लिया छवियों में दिखाया जाएगा. इस विधि के रूप में एक अस्थिर प्रवाह क्षेत्र में निकट सीमा प्रवाह तनाव प्राप्त करना है, लेजर की तीव्रता और क्षेत्र के दृश्य की स्थिति ठीक से सीमा के मजबूत प्रकाश प्रतिबिंब से बचने के लिए सेट किया जाना चाहिए. चुने गए बीज कणों को प्रभावी ढंग से रोशन लेजर शीट को तितर बितर करने और अत्यधिक निपटान20के बिना प्रवाह streamlines का पालन करने में सक्षम होने की जरूरत है . इस विचार के आधार पर, इस अध्ययन में इस्तेमाल किए गए बीज कण एल्यूमीनियम पाउडर थे, जिनके निपटान वेग का अनुमान था 92.6 मिमी / यह नि:सादन वेग कंपकंपी पाइपलाइन के निकट प्रवाह वेग (0ण्1-0.2 मीटर) की तुलना में नगण्य है। प्रयोगात्मक सेटअप का अनुकूलन करने के लिए, कैमरे का ध्यान सत्यापित करने और कैमरा नमूना दर का निर्धारण भी विश्वसनीय माप के लिए महत्वपूर्ण कदम हैं.

डेटा प्रक्रिया चरण के लिए, उच्च गुणवत्ता वाले चरण-औसत प्रवाह फ़ील्ड और लगभग सीमा प्रवाह तनाव प्राप्त करने के लिए दो चुनौतियां हैं: (1) तात्कालिक प्रवाह फ़ील्ड की सही गणना करें और प्रवाह क्षेत्रों में विस्थापन पूर्वाग्रह त्रुटि से बचें बड़ा वेग ढाल; और (2) सही कब्जा कर लिया छवियों है कि एक ही हिल चरण है सूची. तात्कालिक प्रवाह क्षेत्रों की गणना करने के लिए, पारंपरिक PIV पार सहसंबंध विधि 19 एक निश्चित समय अंतराल के साथ दो लगातार छवियों के बीच वेग सदिश निर्धारित करता है( चित्र 5कदेखें). इस पारंपरिक विधि इस अध्ययन के लिए उपयुक्त नहीं हो सकता है क्योंकि परिकलित प्रवाह क्षेत्र हिल पाइप लाइन और seabed सीमाओं के पास महत्वपूर्ण विस्थापन पूर्वाग्रह त्रुटियों हो सकता है. इस समस्या को दूर करने के लिए इस अध्ययन में बहु-समय अंतराल एल्गोरिथ्म अपनाया जाता है (चित्र 5खदेखें)।  इस विधि का उपयोग करके, छवि पूछताछ अलग-अलग चयनित अंतरालों के लिए विभिन्न छवि युग्मों पर बार-बार निष्पादित की जाती है। प्रत्येक ग्रिड बिंदु पर वेग सदिश का निर्धारण उपयुक्त समय अंतराल9,27,28के आकलन ों के आधार पर किया जाता है . यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि जब इस विधि का उपयोग कर, कच्चे छवि डेटासेट एक उच्च नमूना दर कैमरा और निरंतर लहर लेजर के साथ PIV हल एक समय द्वारा प्राप्त किया जाना चाहिए. दूसरी चुनौती पर काबू पाने के लिए, यह पेपर एक तरंगिका रूपांतर तकनीक प्रदान करता है। पाइप लाइन के विस्थापन समय श्रृंखला के लिए तरंगसंपरिवर्तन समारोह लागू करने से, प्रत्येक पर कब्जा कर लिया छवि के तात्कालिक चरण सही गणना की जा सकती है। इस विधि को भंवर प्रेरित कंपन प्रक्रियाओं की जांच करने के लिए भी लागू किया जा सकता है, जैसे विषमता भंवर बहा15,27,32द्वारा प्रेरित पाइपलाइन कंपन ।

इस कागज में वर्णित प्रवाह माप तकनीक के प्रमुख लाभ उच्च लौकिक और स्थानिक संकल्प और एक साथ पाइप लाइन गतिशीलता प्राप्त करने की क्षमता, प्रवाह क्षेत्रों, और पास सीमा प्रवाह तनाव हैं. इस तकनीक का उपयोग करके, जटिल वातावरण में पाइप लाइन परिमार्जन पर अधिक गहराई से अध्ययन किया जा सकता है और हिल पाइप लाइन के आसपास परिमार्जन के जटिल तंत्र को बेहतर समझा जा सकता है।

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Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

इस काम को नेशनल नेचुरल साइंस फाउंडेशन ऑफ चाइना (51709082) के युवा वैज्ञानिक कोष और केंद्रीय विश्वविद्यालयों (2018B13014) के लिए मौलिक अनुसंधान कोष द्वारा समर्थित किया गया था।

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

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References

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एक संतुलन Scour छेद के भीतर एक कंपन पाइप लाइन के आसपास प्रवाह क्षेत्र का दृश्य
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Guan, D., Chiew, Y. M., Wei, M., Hsieh, S. C. Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole. J. Vis. Exp. (150), e59745, doi:10.3791/59745 (2019).

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