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Visualizzazione del campo di flusso intorno a una pipeline vibrante all'interno di un foro di equilibrio

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

L'obiettivo del protocollo è consentire la visualizzazione dei campi di flusso dettagliati e la determinazione del taglio vicino al confine e delle sollecitazioni normali all'interno di un foro acido di equilibrio indotto da una conduttura vibrante.

Abstract

Un metodo sperimentale è presentato in questo documento per facilitare la visualizzazione dei campi di flusso dettagliati e la determinazione della cesoia vicino al confine e delle sollecitazioni normali all'interno di un foro acicolo indotta da una conduttura vibrante. Questo metodo prevede l'implementazione di un sistema di vibrazione della conduttura in un flusso dritto, un sistema PIV (Particle Image Velocimetry) risolto nel tempo per il rilevamento dello spostamento della pipeline e le misurazioni dei campi di flusso. La serie temporale di spostamento della pipeline vibrante viene ottenuta utilizzando gli algoritmi di correlazione incrociata. Vengono descritti i passaggi per l'elaborazione di immagini cariche di particelle grezze ottenute utilizzando il PIV risolto nel tempo. I campi di flusso istantanei dettagliati intorno alla pipeline vibrante in diverse fasi di vibrazione vengono calcolati utilizzando un algoritmo di correlazione incrociata a intervalli multipli per evitare errori di distorsione di spostamento nelle aree di flusso con un gradiente di velocità elevato . Applicando la tecnica di trasformazione wavelet, le immagini catturate che hanno la stessa fase vibrante vengono accuratamente catalogate prima che vengano ottenuti i campi di velocità media di fase. I principali vantaggi della tecnica di misurazione del flusso descritta in questo documento sono che ha una risoluzione temporale e spaziale molto elevata e può essere utilizzata contemporaneamente per ottenere le dinamiche della conduttura, i campi di flusso e le sollecitazioni di flusso vicine al limite. Utilizzando questa tecnica, è possibile condurre studi più approfonditi del campo di flusso bidimensionale in un ambiente complesso, come quello intorno a una pipeline vibrante, per comprendere meglio il meccanismo di perlustre sofisticato associato.

Introduction

Le condutture sottomarine sono ampiamente utilizzate in ambienti offshore ai fini del trasporto di prodotti fluidi o idroelettrici. Quando una conduttura è posta su un fondale erodibile, è probabile che si formi un foro di cervo intorno alla conduttura a causa delle onde, delle correnti o dei movimenti dinamici della conduttura stessa (vibrazione forzata o vibrazione indotta dal vortice)1,2. Per migliorare la comprensione del meccanismo di seta di setaccio intorno a una conduttura sottomarina, le misurazioni dei campi di flusso turbolenti e le stime della cesoia del letto e le normali sollecitazioni all'interno della regione di interazione conduttura-fluido-fondale sono essenziali oltre che misure del foro di setaccio dimensione1,2,3,4,5,6,7. In un ambiente in cui la cesoia del letto e le sollecitazioni normali sono estremamente difficili da determinare perché il campo di flusso è instabile e il limite inferiore è ruvido, le sollecitazioni istantanee vicine ai confini (a circa 2 mm sopra il confine) potrebbero essere usato come loro surrogato8,9. Negli ultimi decenni, la perlura attorno a una conduttura vibrante è stata studiata e pubblicata senza presentare quantitativamente i valori dei sofisticati campi di flusso intorno alla conduttura all'interno del foro aforatura3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Pertanto, l'obiettivo di questo metodo di carta è quello di fornire un nuovo protocollo sperimentale per visualizzare i campi di flusso dettagliati e per determinare la cesoia vicino al confine e le sollecitazioni normali all'interno di un foro acido equilibrio indotto da una conduttura vibrante forzata. Va notato che il processo di interazione conduttura-fluido-fondale marino in questo studio si trova in un ambiente idrico quiescente piuttosto che in quelli con correnti e onde unidirezionali.

Questo metodo sperimentale è costituito da due componenti importanti, vale a dire, (1) simulazione di condotte (forzate) vibrazioni; e (2) misurazioni dei campi di flusso intorno alla conduttura. Nel primo componente, la tubazione vibrante è stata simulata in un flume sperimentale utilizzando un sistema vibrante, che ha un motore servo, due molle di collegamento e telai di supporto della conduttura. È possibile simulare diverse frequenze di vibrazione e ampiezze regolando la velocità e la posizione del motore delle molle di collegamento. Nel secondo componente, sono state adottate le tecniche PIV (Particle Image velocimetry) e wavelet (Miraggio) risolte nel tempo per ottenere dati di flusso ad alta risoluzione temporale e spaziale in diverse fasi di vibrazione della tubazione. Il sistema PIV risolto nel tempo è costituito da un laser a onda continua, una telecamera ad alta velocità, particelle di seeding e algoritmi di correlazione incrociata. Sebbene le tecniche PIV siano state ampiamente utilizzate per ottenere campi di flusso turbolenti costanti19,20,21,22,23,24,25, applicazioni in complesse condizioni di campo di flusso instabile, come i casi di conduttura-fluidi-interazione con i fondali marini, sono relativamente limitate8,9,26,27. Il motivo probabilmente è che il tradizionale algoritmo di correlazione incrociato a intervalli temporali singoli delle tecniche PIV non è in grado di acquisire con precisione le caratteristiche del flusso in campi di flusso instabili in cui è presente un gradiente di velocità relativamente elevato9, 20. Il metodo descritto in questo documento può risolvere questo problema utilizzando l'algoritmo di correlazione incrociata a intervalli di tempo multiplo9,28.

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Protocol

1. Controllo di sicurezza di laboratorio

  1. Rivedere le norme di sicurezza relative all'uso del sistema laser e flume.
  2. Assicurarsi che i requisiti di formazione per la sicurezza del laboratorio siano stati soddisfatti.
    NOTA: In questo esperimento, viene utilizzato un set di laser a onda continua ad aria di raffreddamento ad aria 5W con una lunghezza d'onda di 532 nm e una canna dritta lato vetro (Figura1) con dimensioni di 11 m di lunghezza, 0,6 m di larghezza e 0,6 m di profondità. Le raccomandazioni di base per la sicurezza di questi due apparecchi sono le seguenti:
    1. Controllare le potenziali superfici di riflessione nella linea di vista laser prima del test; indossare occhiali di sicurezza durante il funzionamento del dispositivo laser.
    2. Evitare di avere occhi a livello del raggio laser durante gli esperimenti e di fare attenzione alle luci laser riflesse durante la movimentazione degli elementi ottici o degli strumenti riflettenti.
    3. Assicurarsi che il tubo dell'acqua non cada e che non ci sia sempre acqua che trabocca dal flume.

2. Impostazione del modello di flume e fondale marino

  1. Preparare il modello di fondale erodibile situato al centro del flume.
    NOTA: Il materiale sedimentale utilizzato in questo studio era una sabbia media distribuita uniformemente con una dimensione mediana del grano d50 x 0,45 mm, densità relativa di particelle sommerse, pari a 1,65 usd, e una deviazione standard geometrica, g, 1,30 USD.
  2. Compatta e livellare il fondale marino utilizzando un livellatore di sabbia.
  3. Riempire lentamente il fiume con un tubo dell'acqua e assicurarsi che una superficie piana del fondale sia intatta durante il processo di riempimento; smettere di riempirsi quando il livello dell'acqua ha raggiunto una profondità di 0,4 m sopra il fondo marino.
  4. Cancellare la piattaforma superiore flume e vetro per la configurazione del modello di conduttura e sistema PIV.

3. Impostazione del modello di tubazione e del sistema di vibrazione

  1. Utilizzare un modello di conduttura prefabbricato sotto forma di un cilindro acrilico con un diametro di 35 mm e una lunghezza di 0,56 m.
  2. Montare il modello di conduttura su un telaio di supporto in alluminio, che, a sua volta, è collegato da due molle a un palo spostabile su un altro telaio fisso che è bloccato sui binari superiori del flume, come illustrato nella Figura 2. Fissare il telaio di supporto all'interno del telaio fisso utilizzando quattro cuscinetti per garantire che il telaio di supporto potesse vibrare liberamente solo lungo la direzione verticale (Figura 2).
  3. Utilizzare un'asta di collegamento per legare il palo spostabile a un servomotore montato sulla parte superiore del telaio fisso. In questo studio, il peso del sistema di vibrazione assemblato, compreso il modello di tubazione ei telai in alluminio, è di 1.445 kg, che ha un rapporto di massa equivalente (m) di 2.682; frequenza naturale (fN) di 0,82 Hz; e il rapporto di smorzamento ()di 0,124.
  4. Regolare il palo mobili e il telaio di supporto per ottenere un certo rapporto di distanza tra la conduttura e il fondale marino.  In questo studio, G/D n. 1, dove G è la distanza verticale tra il fondo della conduttura e la superficie iniziale del fondale marino; e D è il diametro della conduttura.
  5. Accendere il servomotore per indurre una vibrazione forzata sulla conduttura; regolare i telai di supporto e quattro cuscinetti per garantire che la vibrazione della conduttura sia lungo la direzione verticale. Spegnere il servomotore quando le regolazioni dei telai di supporto sono state completate.
  6. Compatta e livelliil fondo marino di nuovo prima di eseguire l'esperimento se il modello di fondale marino è disturbato in 3.5.

4. Configurazione PIV

  1. Posizionare il dispositivo laser sulla parte superiore del flume e installare il foglio laser formando l'ottica.
  2. Accendere il dispositivo laser e regolare il foglio laser formando l'ottica in modo da formare un foglio piatto illuminato all'interno del campo di interesse.
    NOTA: In questo studio, il foglio laser verde illuminato è spesso 1,5 mm, parallelo alle pareti di vetro del flume e viene gettato verso il basso nell'acqua lungo la linea centrale del flume. Il campo di interesse di questo studio si riferisce alla regione di interazione del fondo-marino della conduttura-fluido ed è confinato al lato destro della conduttura. L'ombra della pipeline sarà visibile sul lato sinistro della pipeline.
  3. Impostare la fotocamera ad alta velocità.
    NOTA: Per questo studio, viene utilizzata una telecamera ad alta velocità con 12 gigabyte di memoria e una risoluzione massima di 2,3 Mpx (1920-1200) (ad esempio, Phantom Miro LAB 320). Le procedure operative dettagliate sono le seguenti:
    1. Montare l'obiettivo con un'adeguata lunghezza focale sulla fotocamera ad alta velocità. Avvitare la telecamera ad alta velocità su un treppiede regolabile in altezza; regolare la fotocamera al livello della regione di osservazione con il suo asse perpendicolare al foglio laser illuminato.
      NOTA: Questo studio utilizza una lente primaria da 60 mm alla sua apertura massima di f/2.8.
    2. Collegare la fotocamera al computer utilizzando un cavo Ethernet e accendere il software di controllo della fotocamera (ad esempio, Phantom PCC 2.6); accendere la fotocamera e collegarla al computer nell'interfaccia software di controllo della fotocamera.
    3. Regolare il treppiede per garantire che il campo di vista della telecamera copra l'area di interazione con i fondali marini con tubazioni; livellare la fotocamera utilizzando il livello di bolla incorporato sul treppiede; regolare l'anello di messa a fuoco sull'obiettivo per garantire che il foglio laser sia chiaro sul piano focale.

5. Ottimizzazione e calibrazione della configurazione sperimentale

  1. Aggiungere particelle di semidicazione PIV alla sezione di prova del flume.
    NOTA: Le particelle di seeding utilizzate in questo studio erano polveri di alluminio con un diametro di 10 m e una densità specifica di 2,7.
  2. Migliorare l'intensità della luce del foglio laser, se necessario.
  3. Verificare la messa a fuoco della fotocamera osservando le particelle di seeding illuminate sul foglio laser attraverso una vista della fotocamera dal vivo sul computer; perfezionare l'anello di messa a fuoco, se necessario, per garantire che le particelle di seeding siano nitide e a fuoco.
  4. Posizionare un righello di calibrazione all'interno del campo visivo sul piano del foglio laser e acquisire un'immagine di calibrazione.
    NOTA: la risoluzione adottata dell'immagine in questo studio era di 1600 x 1200 pixel.
  5. Selezionare una frequenza di campionamento appropriata per la raccolta dei dati.
    NOTA: la frequenza di campionamento scelta deve garantire che lo spostamento della particella di seeding all'interno di una coppia di immagini sia inferiore al 50% della lunghezza massima della finestra di interrogatorio. In questo studio, la dimensione massima della finestra di interrogatorio è di 32 x 32 pixel e la frequenza di campionamento adottata è di 200 fotogrammi al secondo.
  6. Spegnere il laser e la fotocamera quando i passaggi 5.1-5.5 sono completati.

6. Esecuzione dell'esperimento e della raccolta dei dati

  1. Posizionare una piastra acrilica trasparente (20 mm di spessore) sotto la sorgente laser e sulla superficie dell'acqua, per sopprimere le fluttuazioni della superficie dell'acqua e garantire un tranquillo accesso ottico per la luce laser.
  2. Accendere il motore servo per indurre vibrazioni forzate sul modello di conduttura.
    NOTA: In questo studio, la frequenza indotta del servomotore è f0 - 0,3 Hz.
  3. Mantenere il sistema di vibrazione in funzione per (t )1440 min per ottenere un foro di acour quasi-equilibrio sotto la tubazione vibrante.
  4. Accendere il laser e regolare la potenza di uscita per l'intensità ottimizzata. Accendere la fotocamera e il software di controllo della fotocamera e applicare le impostazioni calibrate alla fotocamera. Spegnere le luci di sfondo in laboratorio.
  5. Iniziare a registrare l'immagine del campo di flusso carico di particelle di semina con la frequenza di campionamento selezionata in 5.6 facendo clic su Capture Bottom nel software di controllo software della fotocamera.
    NOTA: per ogni singola registrazione in questo studio, la memoria della fotocamera consente di acquisire 1.000 immagini.
  6. Una volta completata la raccolta dei dati, esaminare la qualità dell'immagine registrata e verificare se la densità delle particelle di seeding per finestra di interrogatorio (32x32 pixel) è maggiore di 8. Salvare il file registrato in caso contrario, la densità di seeding viene aumentata iniettando lentamente le soluzioni di seeding nell'area di osservazione e ripetere i passaggi 6.3-6.5.
  7. Ripetere i passaggi da 6.3 a 6.5 per raccogliere altri set di dati.
    NOTA: Per questo studio sono state scattate più di 20.000 immagini per garantire che vengano ottenuti dati grezzi sufficienti per calcolare le velocità di flusso, le vorticità, le turbolenze e le sollecitazioni vicine al limite.
  8. Spegnere il dispositivo laser, la fotocamera e il motore del server quando tutte le raccolte di dati sono state completate; accendere le luci di sfondo in laboratorio.

7. Trattamento dei dati

  1. Aprire il software; fare clic sul pulsante Cartella file sulla barra degli strumenti e caricare l'immagine di calibrazione scattata nel passaggio 5.4.
    NOTA: utilizzare il programma di elaborazione dati per il software di rilevamento dello spostamento della pipeline e di calcolo dei campi di flusso (ad esempio, PISIOU).
  2. Fare clic sul pulsante Impostazione scala sulla barra degli strumenti; misurare una distanza nota sull'immagine di calibrazione per calcolare la scala dell'immagine.
    NOTA: la scala dell'immagine calcolata era 0,1694 mm/pixel.
  3. Fare clic sul pulsante Origine sulla barra degli strumenti; impostare l'origine delle coordinate su ogni immagine.
  4. Estrarre la serie temporale di spostamento della pipeline vibrante dalle immagini registrate.
    1. Caricare le immagini raw scattate nel passaggio 6. Quindi fate clic sul pannello Parametro , immettete il numero di file di dati e la frequenza di campionamento.
    2. Applicare il filtro Passa basso nel menu Filtro immagine.
      NOTA: questa operazione consentirà di riconoscere facilmente il bordo della pipeline (destinazione) sulle immagini elaborate (vedere la Figura 3a).
    3. Nella barra degli strumenti, fare clic sul modulo PTV. Quindi fare clic sul punto di traccia pulsante, selezionare il punto centrale della pipeline. Vai a Strumenti PTV, regolare Gamma, Light Gate e Filtro mediano per individuare il contorno della pipeline nell'immagine. Fare clic sul pulsante Tracciamento oggetti sulla barra degli strumenti; selezionare l'area di destinazione (cioè la pipeline) sull'immagine elaborata e tenere traccia dello spostamento della pipeline vibrante da immagini elaborate consecutive; registrare la serie temporale di spostamento, s(t) della pipeline vibrante per i successivi processi di dati del campo di flusso (vedere Figura 4).
    4. Esportare e salvare i dati della serie temporale di spostamento della pipeline per ulteriori calcoli.
  5. Determinare i campi di velocità istantanei dalle immagini registrate.
    1. Vai a Strumenti PTV, fare clic su Default pulsante per riprendere l'immagine raw per la successiva analisi PIV. Disattivare il modulo PTV facendo clic sul modulo PTV. Aprire il pannello Parametro sulla barra degli strumenti; specificare il parametro di calcolo del vettore di velocità.
      NOTA: In questo studio, un processo di iterazione multi-pass viene adottato come le finestre di interrogatorio, che è partito da 32 x 32 pixel, quindi passato con 16 x 16 pixel, e termina tolfatto con 8 x 8 pixel; tutte le passate utilizzano una sovrapposizione del 50% tra sottofinestre adiacenti.
    2. Applicare la funzione di filtro Laplacian nel menu Filtro immagine alle immagini non elaborate per evidenziare le particelle di seeding e filtrare la luce di dispersione indesiderabile (vedere Figura 3c).
    3. Fare clic sul pulsante Contorno sulla barra degli strumenti, impostare la maschera geometrica sulle immagini per escludere la regione dei fondali marini per ulteriori calcoli. Fare clic sul pulsante Salva contorno per salvare i dati del contorno.
    4. Fare clic sul pulsante Esegui sulla barra degli strumenti per calcolare i campi di velocità istantanei per diverse fasi di vibrazione utilizzando il metodo di correlazione incrociata.
      NOTA: in questo studio, viene adottato un algoritmo di intervallo di tempo multiplo per ridurre l'errore di distorsione dovuto al gradiente ad alta velocità nel campo di flusso (vedere la figura 5). Gli intervalli a più tempi adottati per i calcoli di correlazione incrociata sono i seguenti valori di z,3t,9 e21 t (t - 5 ms). Il criterio di correlazione soddisfacente è superiore al 70%.
    5. Esportare e salvare i dati dei campi di velocità istantanei per un'ulteriore analisi.
  6. Determinare i campi di velocità media di fase dai campi di velocità istantanea calcolati con l'algoritmo come descritto in Newland 199429,30 e Hsieh 200828.
    NOTA: le procedure di calcolo per questo passaggio sono descritte di seguito:
    1. Applicare la funzione di trasformazione wavelet alla serie temporale di spostamento, s(t), della pipeline vibrante per ottenere la fase istantanea per ogni campo di velocità istantanea. La funzione di trasformazione wavelet è definita come:
      Equation 1(1)
      dove Wè coefficiente wavelet; sono rispettivamente i parametri di scala e di traslazione; la funzione è la funzione Morlet Equation 2 e viene calcolata come ; l'apice """ denota il complesso coniugato. Le fasi istantanee, , della conduttura vibrante che corrispondono ai diversi spostamenti della conduttura possono essere calcolate da:
      Equation 3(2)
    2. Calcolare la media dei campi di velocità istantanei con la stessa fase per ottenere i campi di velocità mediati in fase.
    3. Determinare la vorticità del flusso, ,2, nei campi di velocità calcolati con media di fase da:
      Equation 4(3)
      dove Equation 5 Equation v e sono velocità medie di fase lungo le direzioni x e y.
  7. Caricare i dati calcolati sulla velocità di fase e sulla vorticità nel software Tecplot per la visualizzazione.
  8. Determinare l'esaculare vicino al confine e le sollecitazioni normali dai campi di velocità istantanea calcolati con l'algoritmo come descritto in Hsieh et al. 2016 9. Le procedure di calcolo per questo passaggio sono descritte di seguito:
    1. Estrarre i dati sulla velocità di quasi confine (0-5 mm sopra il fondo marino) dai campi di flusso della velocità media di fase calcolati.
    2. Calcolare le sollecitazioni di taglio vicino al contorno, ts e sollecitazioni normali, tn, lungo il profilo di setacciatura (circa 2 mm sopra il contorno del foro di setaccio) per diverse fasi all'interno di un ciclo vibrante. Note: Le equazioni di calcolo sono le seguenti:
      Equation 7, Equation 8 (4)
      dove, s, viscosità dinamica del fluido (qui preso come 1/10-3 Pas); up - velocità quasi limite parallela al letto; un - velocità quasi limite perpendicolare al letto; n - distanza normale dal letto.
  9. Caricare i dati di taglio calcolati vicino al limite e le sollecitazioni normali in un software (ad esempio Tecplot) per la visualizzazione.

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Representative Results

Un esempio del confronto tra l'immagine raw e l'immagine elaborata del rilevamento degli spostamenti della pipeline e il calcolo della velocità istantanea è illustrato nella Figura 3. Come mostrato nella Figura 3b, le particelle di seeding e il disturbo nell'immagine raw vengono filtrati e il bordo della pipeline brillante viene mantenuto per ottenere la serie temporale di spostamento. Come mostrato nelle figure 3c,la luce si disperde/riflessi intorno alle particelle di seeding, il bordo della tubazione e la superficie del fondale vengono filtrati dal filtro Laplacian. Un esempio della serie temporale di spostamento della pipeline vibrante è illustrato nella Figura 4. La vibrazione della conduttura è quasi sinusoidale, e la frequenza vibrante e l'ampiezza sono rispettivamente di 0,3 e 50 mm.

La figura 6 mostra un esempio dell'immagine del profilo di setaccio quasi-equilibrio e della conduttura vibrante a t - 1440 min, in cui l'origine della coordinata (x-O-y) di questo studio è impostata nel punto di intersezione del superficie del fondale marino originale e l'asse verticale della conduttura. Come mostrato nella Figura 6, oltre alle particelle di seeding, si possono osservare pochissime particelle di sedimenti sospese nel flusso; pertanto, la qualità dell'immagine raw non è stata compromessa. Ciò indica anche che è stata raggiunta una fase di quasi-equilibrio per il processo di acidazione della conduttura.

Esempi del campo di velocità media di fase visualizzato e delle dinamiche di vorticità sono illustrati nella Figura 7. Va notato che a causa dell'ombra della pipeline durante le misurazioni PIV, l'area sul lato sinistro della pipeline non contiene dati (vedere sottotrame in Figura 7). Come si vede nella Figura7, vengono presentate nove fasi discrete del campo di flusso all'interno di un ciclo di vibrazioni. Durante le fasi di caduta della conduttura (0 - t0/T < 0,5, dove T è il periodo di vibrazione e t0 è il tempo varia da 0 a T), una coppia di vortici con motivi simmetrici viene generata dalla cesoia su entrambi i lati della pipeline vibrante. Immediatamente dopo che la conduttura ha raggiunto il fondo della trincea perlustro (t0/T - 4/8), il vortice in senso antiorario viene distorto e aspirato nella trincea perlustro mentre la conduttura sale dal fondo marino. Per il periodo delle fasi ascendenti della pipeline (0,5 , t0/T < 1), un'altra coppia di vortici con direzioni rotanti opposte a quelle nella fase discendente viene generata simmetricamente intorno al bordo superiore della conduttura. Per una migliore osservazione delle dinamiche di flusso in Figura 7, viene fornito un video corrispondente (Video 1) costituito da 72 fasi (frame) di campi di flusso per un ciclo di vibrazione della conduttura.

Un esempio delle sollecitazioni di taglio vicino al confine, Ts e sollecitazioni normali, Tn evoluzione lungo il profilo di setacciamento all'interno di un ciclo vibrante è presentato in Figura 8. Poiché il campo di flusso è simmetrico rispetto all'asse y, le sollecitazioni di taglio vicino al limite e le sollecitazioni normali presentate in questo studio sono limitate alla metà destra del profilo di setto (0 < x < 5). Come mostrato nella Figura8, queste due sollecitazioni sono normalizzate dal valore dello stress critico di taglio del letto, Tc (ottenuto dalla curva di Shields come 0,243 Pa) delle particelle di sabbia su una condizione del letto piano. I valori assoluti di Ts e Tn all'interno della trincea perdono e sotto la conduttura vibrante aumentano in modo significativo quando la conduttura sta cadendo al letto o salendo dal letto. Le regioni in cui Ts e Tn presentano i valori massimo e minimo sono coerenti con l'evoluzione dei campi di flusso tra la pipeline vibrante e il limite di pour, come illustrato nella Figura 7.

Figure 1
Figura 1 : Schematica del flume sperimentale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Schema del modello di conduttura e configurazione del sistema di vibrazione. (a) Vista di sezione, (b) Vista laterale. Questa cifra è stata modificata da8. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : esempio di confronto tra immagini raw ed elaborate. (a) l'immagine raw, (b) l'immagine elaborata per il tracciamento degli spostamenti della pipeline e (c) l'immagine elaborata per il calcolo della velocità istantanea. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : Esempio della serie temporale di spostamento della pipeline vibrante presso t - 1440 min . Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 : confronto tra algoritmo di correlazione incrociata a intervallo di tempo singolo e a intervalli multifase. Questa cifra è riprodotta da9. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6 : Immagine di esempio del profilo di acour quasi-equilibrio a t - 1440 min. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7 : Esempi di campo di velocità media di fase visualizzato e dinamiche di vorticità. Questa cifra è riprodotta da8. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8 : Esempio di evoluzioni di ts e tn lungo il profilo di setacciamento all'internodi un ciclo vibrante . I tempi di touchdown e di decollo si riferiscono ai tempi in cui il fondo della conduttura tocca e sale rispettivamente dal contorno del foro di foratura. Questa cifra è riprodotta da8. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Video 1
Video 1: Evoluzione del campo di flusso intorno alla conduttura vibrante all'interno del foro di perlissimento dell'equilibrio. Il video è costituito da 72 fasi (fotogrammi) di campi di flusso per un ciclo di vibrazione della conduttura. Questo video è riprodotto da8. Clicca qui per vedere questo video. (Fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare.)

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Discussion

Il protocollo presentato in questo documento descrive un metodo per la visualizzazione dei campi di flusso bidimensionali e la determinazione dei campi di sollecitazione del flusso vicino al limite intorno a una conduttura vibrante forzata in un foro acicolo di equilibrio utilizzando le tecniche PIV. Poiché il movimento della conduttura progettato è unidimensionale lungo la direzione y, la preparazione e la regolazione del modello di tubazione e del sistema di vibrazione per raggiungere questo obiettivo sono prerequisiti fondamentali per un esito positivo. Eventuali movimenti indesiderati della conduttura lungo la direzione x possono indurre campi di flusso asimmetrici e perlustrere la formazione del foro intorno alla tubazione vibrante. Oltre agli effetti dell'apparato, la selezione della frequenza di vibrazione e dell'ampiezza della conduttura per gli esperimenti è importante anche per indurre un campo di flusso simmetrico intorno alla conduttura. Infatti, in una condizione di acqua quiescente, Lin et al.31 ha mostrato che la struttura di ricircolo del flusso dietro un cilindro circolare impulsivamente avviato può mantenere la sua simmetria quando il tempo non-dimensionale TD D/D < 5, dove tD - tempo di movimento del cilindro; e UD - velocità del cilindro. Per la condizione in cui TD > 5, lo spargimento di vortice obliquo può verificarsi intorno al cilindro. In questo studio, la velocità massima della conduttura può essere stimata in 2, A0, e il tempo di movimento del cilindro può essere preso come 1/2 , quindi il tempo massimo non dimensionale TD - A0/D - 4,48.

Durante la fase di impostazione PIV, il foglio laser e le regolazioni della telecamera e la selezione delle particelle di semina sono i passaggi del protocollo critico per ottenere dati di campo di flusso di alta qualità. La direzione di ripresa della fotocamera deve essere perpendicolare al foglio laser, altrimenti le distorsioni prospettiche verranno visualizzate nelle immagini acquisite. Poiché questo metodo mira ad ottenere le sollecitazioni di flusso vicino al limite in un campo di flusso instabile, l'intensità del laser e la posizione del campo visivo devono essere impostate correttamente per evitare una forte riflessione della luce del contorno. Le particelle di seeding scelte devono disperdere efficacemente il foglio laser illuminante ed essere in grado di seguire il flusso semplifica senza un insediamento eccessivo20. Sulla base di questa considerazione, le particelle di seeding utilizzate in questo studio erano polveri di alluminio, la cui velocità di assestamento è stata stimata a 92,6 mm/s utilizzando la legge di Stoke. Questa velocità di assestamento è trascurabile rispetto alle velocità di flusso (0,1-0,2 m/s) vicino alla tubazione vibrante. Per ottimizzare la configurazione sperimentale, anche la verifica della messa a fuoco della fotocamera e la determinazione della frequenza di campionamento della telecamera sono passaggi cruciali per misurazioni affidabili.

Per la fase del processo dati, ci sono due sfide per ottenere campi di flusso di alta qualità media di fase e sollecitazioni di flusso vicino al limite: (1) calcolare con precisione i campi di flusso istantanei ed evitare l'errore di distorsione dello spostamento nelle regioni di flusso con un gradiente di velocità elevato; e (2) catalogare con precisione le immagini catturate che hanno la stessa fase vibrante. Per calcolare i campi di flusso istantanei, il metodo di correlazione incrociata PIV tradizionale 19 determina il vettore di velocità tra due immagini consecutive con un intervallo di tempo fisso( vedere Figura 5a). Questo metodo tradizionale potrebbe non essere adatto per questo studio perché il campo di flusso calcolato può avere errori di distorsione di spostamento significativi vicino alla pipeline vibrante e ai confini dei fondali marini. Per risolvere questo problema, in questo studio viene adottato un algoritmo a intervalli di tempo multiplo (vedere la figura 5b).  Utilizzando questo metodo, gli interrogatori delle immagini vengono eseguiti in modo ripetitivo su coppie di immagini diverse per diversi intervalli selezionati. Il vettore di velocità in ogni punto della griglia viene determinato in base alle stime dell'intervallo di tempo adatto9,27,28. Va notato che quando si utilizza questo metodo, i set di dati di immagine raw devono essere acquisiti da un PIV risolto nel tempo con una fotocamera ad alta frequenza di campionamento e laser a onda continua. Per superare la seconda sfida, questo documento fornisce una tecnica di trasformazione wavelet. Applicando la funzione di trasformazione wavelet alla serie temporale di spostamento della tubazione, è possibile calcolare con precisione la fase istantanea di ogni immagine acquisita. Questo metodo può essere applicato anche per studiare i processi di vibrazione indotta dal vortice, come la vibrazione della conduttura indotta dall'asimmetria del vortice spargendo15,27,32.

I vantaggi principali della tecnica di misurazione del flusso descritta in questo documento sono l'alta risoluzione temporale e spaziale e la capacità di ottenere simultaneamente le dinamiche della conduttura, i campi di flusso e le sollecitazioni di flusso vicino al limite. Utilizzando questa tecnica, è possibile effettuare studi più approfonditi sulla perlustrazione delle tubazioni in ambienti complessi e il complesso meccanismo di perlustrazione intorno alla tubazione vibrante potrebbe essere meglio compreso.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto dal Fondo per giovani scienziati della National Natural Science Foundation of China (51709082) e dai Fondi fondamentali di ricerca per le università centrali (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

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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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