方法文章

平衡闪烁孔内振动管道周围流动场的可视化

DOI：

10.3791/59745

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2019年8月26日

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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

本文内容

摘要

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该协议的目标是使详细流动场可视化，并在振动管道引起的平衡冲刷孔中确定近边界剪切和正常应力。

摘要

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本文提出了一种实验方法，用于对振动管道引起的平衡冲刷孔内的详细流动场进行可视化，确定近边界剪切和法线应力。该方法涉及在直线烟道中实现管道振动系统，用于管道位移跟踪和流量场测量的时间解析粒子图像速度测量（PIV）系统。利用交叉相关算法获得振动管道的位移时间序列。介绍了使用时间解析的 PIV 获取的原始粒子载重图像的步骤。使用多时间间隔交叉关联算法计算振动管道周围不同振动阶段的详细瞬时流量场，以避免具有较大速度梯度的流区域的位移偏置误差.通过应用小波变换技术，在获得相平均速度场之前，可以准确采集具有相同振动相的捕获图像。本文所述流量测量技术的主要优点是具有非常高的时空分辨率，可同时用于获取管道动力学、流场和近边界流应力。通过利用这一技术，可以更深入地研究复杂环境中的二维流场，例如振动管道周围的流场，以更好地了解相关的复杂冲刷机制。

引言

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海底管道广泛用于海上环境，用于流体或氢碳产品输送。当管道被放置在可腐蚀的海底时，由于管道本身的波浪、电流或动态运动（强迫振动或涡旋引起的振动）1、2 ，管道周围的冲刷孔可能会形成。为了增进对海底管道周围冲刷机制的理解，除了管道-流体-海底相互作用区域内的湍流场测量和床切和正常应力估计外，还有必要测量冲刷孔尺寸1，2，3，4，5，6，7。在床切和正常应力极难确定的环境中，由于流场不稳定且底部边界粗糙，可测量瞬时近边界应力（在边界上方约 2 mm 处）用作他们的代理8，9。在过去的几十年中，在振动管道周围的冲刷被研究和出版，没有定量地呈现在冲刷孔3，4，管道周围复杂的流动场<....

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方案

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1. 实验室安全检查

  1. 查看与使用激光和烟道系统相关的安全规则。
  2. 确保满足实验室的安全培训要求。
    注:在本实验中，使用了一组波长为532nm的5W空气冷却连续波激光器，以及一个尺寸为11米、宽0.6米、深度0.6米的玻璃面直流波激光器（图1）。这两种装置的基本安全建议如下:
    1. 在测试前检查激光视线中的潜在反射表面;操作激光设备时佩戴安全护目镜。
    2. 在实验过程中，避免眼睛照射在激光束的水平，在处理光学元件或反射工具时要小心反射激光。
    3. 确保水管不脱落，并且始终没有水从烟道溢出。

2. 流和海底模型设置

  1. 准备位于烟道中间的可腐蚀海底模型。
    注:本研究中使用的沉积物材料为均匀分布的中沙，晶粒尺寸为d 50 × 0.45 mm，相对浸没颗粒密度 = ± 1.65，几何标准差=g = 1.30。
  2. 使用沙平器紧凑和平平海底。
  3. 用水管缓慢地填充烟道，并确保在填充过程中，平坦的海底表面完好无损;当水位达到高于海底0.4米的深度时，停止加注。
  4. 清除用于设置管道模型和 PIV 系统的烟道顶部平台和玻璃。

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结果

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图3显示了管道位移跟踪和瞬时速度计算的原始图像与处理图像的比较示例。如图3 b所示，对原始图像中的播种颗粒和噪声进行过滤，并保留闪亮的管道边缘，以获得位移时间序列。如图3c所示，拉普拉西亚滤波器过滤出种子颗粒、管道边缘和海底表面周围的光散射/反射。振动管道的位移时间序列示例如图4所示。管道振动几乎正弦，振动频率和振幅分别为0.3赫兹和±50mm。

图 6显示了在 t = 1440 min 处的准平衡冲刷轮廓和振动管道的图像示例，其中本研究坐标 （x-O-y）的原点设置在原始海底表面和管道垂直中心线。如图6所示，除了播种颗粒外，在流动中可以观察到的悬浮.......

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讨论

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本文提出的方案描述了一种利用PIV技术在平衡冲刷孔中对二维流动场进行可视化和在强制振动管道周围近边界流动应力场的测定方法。由于设计的管道运动沿y方向是一维的，因此准备和调整管道模型和振动系统以实现这一目标是成功实现的关键前提。管道沿x方向的任何不良运动都可能导致不对称的流动场和围绕振动管道的冲刷孔形成。除装置效果外，为实验选择管道的振动频率和振幅对诱导管道周围对称的流量场也很重要。事实上，在静止的水中，Lin等人31表明，当非维时间T D = t D U时，冲动启动的圆形圆柱体后面的流动再循环结构可以保持其对称性。 D/D < 5，其中tD = 气缸移动时间;和UD = 气缸速度。对于 T D > 5 时的情况，在气缸周围可能发生倾斜涡流脱落。在本研究中，最大管道速度可以估计.......

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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这项工作得到了国家自然科学基金（51709082）和中央大学基础研究基金（2018B13014）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
相机控制软件Vision ResearchPhantom PCC 2.6相机控制、图像数据采集和处理
相机镜头尼康千代田Nikor  60mm， f=2.8 定焦镜头
连续波激光器 北京激光波光电科技有限公司PIV 激光源;Nd：YAG 激光，532 nm;风冷
高速相机Vision ResearchPhantom Miro LAB 320图像数据记录
激光片材成型光学器件 Thorlabs Inc将点激光器转换为薄激光板
管道模型ZONCEPZ SOLUTIONS直径为 35 mm 的亚克力圆柱体
管道振动系统ZONCEPZ SOLUTIONS由一个伺服电机、两个连接弹簧和管道支撑框架组成。
PIV 计算软件AXESEA Engineering Technology Limited Co.PISIOU用于获取流场和管道位移的图像数据处理
PIV 种子材料直径为 10um的岛急
循环水槽 SZU ENGINEERING PTE LTD玻璃面，长 11 米，宽 0.6 米，深 0.6 米
三脚架曼富图SKU MT190GOC4US 410卡马拉支架
铝粉

参考文献

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  1. Fredsøe, J. Pipeline-seabed interaction. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (6), 03116002(2016).
  2. Larsen, B. E., Fuhrman, D. R., Sumer, B. M. Simulation of wave-plus-current scour beneath submarin....

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重印与许可

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