平衡闪烁孔内振动管道周围流动场的可视化

摘要

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

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

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^{的值。 5，10，11，12，13，14，15，16，17， 18}.因此，该方法的目的是为详细流场的可视化提供一种新的实验方案，并确定由强制振动管道引起的平衡冲刷孔内的近边界剪切和法线应力。应该指出的是，本研究中的管道-流体-海底相互作用过程是在静止的水环境中，而不是单向电流和波的。

该实验方法由两个重要部分组成，即:（1）管道（强制）振动模拟;和 （2） 管道周围流动场的测量。在第一个组件中，使用振动系统（具有伺服电机、两个连接弹簧和管道支撑框架）在实验烟道中模拟振动管道。通过调整连接弹簧的电机速度和位置，可以模拟不同的振动频率和振幅。在第二个组件中，采用时间解析粒子图像速度测量（PIV）和小波变换技术，以获得不同管道振动阶段的高时空分辨率流场数据。时间解析的 PIV 系统由连续波激光器、高速摄像机、种子粒子和交叉相关算法组成。虽然PIV技术已被广泛用于获得稳定的湍流场19，20，21，22，23，24，25在复杂的不稳定流动场条件下的应用，如管道-流体-海底相互作用的情况，在8、9、26、27等情况下相对有限。原因可能是PIV技术传统的单时间隔交叉关联算法无法准确捕获存在相对高速梯度的不稳定流动场中的流特征9。 ²⁰.本文所描述的方法可以使用多时间间隔交叉关联算法9，28来解决这个问题。

方案

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。

3. 管道模型和振动系统设置

1. 使用直径为 35 mm、长度为 0.56 m 的丙烯酸圆柱体的预制管道模型。
2. 将管道模型安装在铝支撑架上，然后由两个弹簧连接到另一个固定框架上的可移动杆上，该固定框架锁定在烟道的顶部导轨上，如图 2所示。使用四个轴承固定固定框架内的支撑框架，以确保支撑框架只能沿垂直方向自由振动（图 2）。
3. 使用连杆将可移动杆与安装在固定机架顶部的伺服电机连接。在这项研究中，装配振动系统的重量，包括管道模型和铝框架，是1.445公斤，其等效质量比（m *）为2.682;0.82 Hz 的自然频率 （f_N） ;和阻尼比 （α） 0.124.
4. 调整可移动杆和支撑架，以获得管道与海底之间的一定间隙比。 在本研究中，G /D =1，其中G是管道底部与初始海底表面之间的垂直距离;和D是管道直径。
5. 打开伺服电机，在管道上引起强制振动;调整支撑架和四个轴承，确保管道振动沿垂直方向。调整支撑架后，关闭伺服电机。
6. 如果海底模型在3.5中受到干扰，在进行实验之前，在压缩和平平海底之前，再进行压缩和平平。

4. PIV 设置

1. 将激光装置放在烟道顶部，并安装形成光学元件的激光片。
2. 打开激光装置并调整激光片成型光学元件，以便在感兴趣领域内形成发光的平板。
   注:在本研究中，发光的绿色激光片厚1.5毫米，与烟道玻璃墙平行，沿烟道中心线向下投射到水中。本研究感兴趣的领域是指管道-流体-海底的相互作用区域，并局限于管道的右半侧。管道的阴影将在管道的左半侧看到。
3. 设置高速摄像机。
   注:在本研究中，使用具有 12 GB 内存存储且最大分辨率为 2.3 Mpx （1920*1200） 的高速摄像机（例如，幻影米罗 LAB 320）。具体操作程序如下:
   1. 将镜头以适当的焦距安装在高速摄像机上。将高速摄像机拧到高度可调三脚架上;将摄像机调整到观测区域的水平，其轴垂直于照明的激光片。
      注:本研究使用60毫米质透镜，最大光圈为f/2.8。
   2. 使用以太网电缆将摄像机连接到计算机，并打开摄像机控制软件（例如，幻影 PCC 2.6）;打开相机，并将其连接到相机控制软件界面中的计算机。
   3. 调整三脚架，确保摄像机的视野覆盖管道-流体-海底相互作用区域;使用三脚架上内置气泡水平将摄像机水平;调整镜头上的对焦环，以确保对焦平面上的激光片清晰。

5. 实验设置优化和校准

1. 将 PIV 种子颗粒添加到烟道的测试部分。
   注:本研究中使用的播种颗粒为直径为10μm、特定密度为2.7的铝粉。
2. 如有必要，提高激光片的光强度。
3. 通过计算机上的实时摄像机视图观察激光片上的发光种子颗粒，验证摄像机的对焦;如有必要，微调对焦环，以确保播种颗粒是锋利和聚焦的。
4. 在激光片平面的视场内放置校准标尺，并捕获一个校准图像。
   注:本研究中采用的图像分辨率为1600 ×1200像素。
5. 为数据收集选择适当的采样率。
   注: 所选采样率应确保一对图像中的种子颗粒位移小于最大询问窗口长度的 50%。在本研究中，最大查询窗口大小为32×32像素，采用的采样速率为每秒200帧。
6. 完成步骤 5.1-5.5 后，关闭激光和摄像机。

6. 运行实验和数据收集

1. 在激光源下方和水面上放置透明丙烯酸板（20毫米厚），抑制水面波动，确保激光透光的光线进入。
2. 打开伺服电机，在管道模型上引起强制振动。
   注:在本研究中，伺服电机的感应频率为f ₀ ± 0.3 Hz。
3. 保持振动系统运行（t =）1440分钟，以获得振动管道下方的准平衡冲刷孔。
4. 打开激光，并将输出功率调整到优化的强度。打开相机和摄像机控制软件，并将校准的设置应用于摄像机。关闭实验室的背景灯。
5. 单击相机软件控制软件中的"捕获底部"，开始记录在 5.6 中选择的采样率的颗粒载流场图像。
   注:对于本研究中的每个记录，摄像机存储允许捕获 1，000 张图像。
6. 数据收集完成后，查看记录的图像质量，并检查每个询问窗口的种子颗粒密度（32×32 像素）是否大于 8。如果满足，请保存记录的文件，否则，通过在观察区域中缓慢注入播种溶液会增加播种密度，并重复步骤 6.3-6.5。
7. 重复步骤 6.3-6.5 以收集更多数据集。
   注:在本研究中，拍摄了 20，000 多张图像，以确保获得足够的原始数据，用于计算流速、涡流、湍流和近边界应力。
8. 完成所有数据收集后，关闭激光设备、摄像机和服务器电机;打开实验室的背景灯。

7. 数据处理

1. 打开软件;单击工具栏上的"文件夹"按钮并加载步骤 5.4 中拍摄的校准图像。
   注:使用数据处理程序进行管道位移跟踪和流量场计算软件（例如，PISIOU）。
2. 单击工具栏上的"缩放设置"按钮;单击"缩放设置"按钮。测量校准图像上的已知距离以计算图像的比例。
   注:计算出的图像比例为0.1694毫米/像素。
3. 单击工具栏上的"原点"按钮;设置每个图像上的坐标原点。
4. 从记录的图像中提取振动管道的位移时间序列。
   1. 加载步骤 6 中拍摄的原始图像。然后单击"参数"面板，输入数据文件的数量和采样率。
   2. 在"图像"滤镜菜单中应用"低通"滤镜。
      注: 此操作将允许在已处理的图像上轻松识别管道边缘（要跟踪的目标）（参见图 3a）。
   3. 在工具栏中，单击PTV 模块。然后单击"跟踪点"按钮，选择管道的中心点。转到PTV工具，调整伽玛、光栅和中值滤镜以在图像中挑出管道轮廓。单击工具栏上的对象跟踪按钮;单击"对象跟踪"按钮。选择已处理图像上的目标区域（即管道），并从连续处理的图像跟踪振动管道的位移;记录后续流场数据处理的振动管道的位移时间序列 [（t ）]（参见图 4）。
   4. 导出并保存管道位移时间序列数据，以便进一步计算。
5. 从记录的图像中确定瞬时速度场。
   1. 转到PTV工具，单击"默认"按钮以恢复原始图像，以便进行后续 PIV 分析。单击PTV模块，停用 PTV 模块。打开工具栏上的参数面板;指定速度矢量计算参数。
      注:在本研究中，采用多通道迭代过程作为查询窗口，从32×32像素开始，然后以16×16像素通过，以8×8像素结束;所有刀路使用相邻子窗口之间的 50% 重叠。
   2. 将图像滤镜菜单中的Laplacian 滤镜功能应用于原始图像，以突出显示播种颗粒并滤掉不需要的散射光（参见图 3c）。
   3. 单击工具栏上的"边界"按钮，在图像上设置几何蒙版以排除海底区域以进行进一步计算。单击"边界保存"按钮以保存边界数据。
   4. 单击工具栏上的"运行"按钮，使用交叉关联方法计算不同振动相的瞬时速度字段。
      注:本研究采用多时间间隔算法，以减少流场中高速梯度引起的偏置误差（见图5）。 交叉相关计算采用的多时间间隔为 μ t、3μt、9°t和 21μt （+t = 5 ms）。满意的相关标准大于70%。
   5. 导出并保存瞬时速度字段数据，以便进一步分析。
6. 使用新大陆1994^29，30和谢2008²⁸中描述的算法，从计算的瞬时速度场确定相位平均速度场。
   注: 此步骤的计算过程描述如下:
   1. 将小波变换函数应用于振动管道的位移时间序列[t]，以获得每个瞬时速度场的瞬时相位。 小波变换函数定义为:
      (1)
      其中 W₊是小波系数;* 和 α 分别是比例和平移参数;函数 # 是 Morlet 函数，计算为 ;上标"*"表示复杂的偶联体。振动管道的瞬时相位，即*，对应于不同的管道位移，可以从以下方法计算:
      (2)
   2. 以相同相位的瞬时速度场求平均值，以获得相位平均速度场。
   3. 确定从以下值计算的相位平均速度场中的流动涡流 ，#2:
      (3)
      沿 x和y方向的相位平均速度。
7. 在 Tecplot 软件中加载计算的相位平均速度和涡流数据，以便进行可视化。
8. 使用Hsieh 等人2016 ⁹中所述的算法，确定计算瞬时速度场的近边界剪切和法线应力。此步骤的计算过程描述如下:
   1. 从计算出的相平均速度流场中提取近边界速度数据（在海底上方0-5毫米）。
   2. 在一个振动周期内，沿冲刷轮廓（在冲刷孔边界上方约 2 mm）计算接近边界的剪切应力、t _s和正态应力 t。"注:计算公式如下:
      ， （4）
      其中， = = 流体的动态粘度 （本文采取为 1×10^-3 Paμs）;u_p = 与床平行的近边界速度;u_n = 垂直于床的近边界速度;_n = 与床的正常距离。
9. 在软件（例如 Tecplot）中加载计算的近边界剪切和法线应力数据以进行可视化。

结果

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...

讨论

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t_D = 气缸移动时间;和U_D = 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...

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 Research	Phantom 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 Research	Phantom 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