可视化平衡冲刷坑内振动管道周围的流场

摘要

本实验方案的目标是实现对振动管道引起的平衡冲刷坑内详细流场的可视化，并确定近边界处的剪切应力和法向应力。

摘要

本文介绍了一种实验方法，用于可视化由振动管道引起的平衡冲刷坑内的详细流场，并确定近壁面剪切应力和法向应力。该方法包括在直水槽中构建管道振动系统，以及采用时间分辨粒子图像测速（PIV）系统对管道位移进行追踪并测量流场。通过互相关算法获取振动管道的位移时间序列。文中描述了处理时间分辨PIV所获得的原始含粒子图像的步骤。利用多时间间隔互相关算法计算不同振动相位下振动管道周围的瞬时流场，以避免在速度梯度较大的区域出现位移偏差误差。通过应用小波变换技术，在获得相位平均速度场之前，对具有相同振动相位的捕获图像进行精确分类。本文所述流场测量技术的主要优势在于其具有极高的时间和空间分辨率，并可同时用于获取管道动力学特性、流场信息及近壁面流动应力。利用该技术，可在诸如振动管道周围的复杂环境中开展更深入的二维流场研究，从而更好地理解相关的复杂冲刷机理。

引言

海底管道广泛用于海洋环境中输送流体或碳氢化合物产品。当管道铺设在可侵蚀的海床上时，由于波浪、海流或管道自身产生的动态运动（强迫振动或涡激振动），管道周围容易形成冲刷坑^1,2。为了更好地理解海底管道周围的冲刷机理，除了测量冲刷坑的尺寸外，对管道-流体-海床相互作用区域内的湍流流场进行测量，并估算床面剪切应力和法向应力，是至关重要的^{1,2,3,4,5,6,7}。在床面剪切应力和法向应力极难直接测定的环境中，由于流场非定常且底边界粗糙，可将近壁面瞬时应力（距边界约2 mm处）作为其替代参数^8,9。在过去几十年中，关于振动管道周围冲刷现象的研究已有发表，但尚未定量呈现冲刷坑内管道周围复杂流场的具体数值³....

方案

1. 实验室安全检查

1. 复习与激光器和水槽系统使用相关的安全规则。
2. 确保已满足实验室的安全培训要求。
   注意：本实验使用一台5 W风冷连续波激光器（波长532 nm）和一个玻璃侧壁的直通式水槽（图1），其尺寸为长11 m、宽0.6 m、深0.6 m。针对这两套设备的基本安全建议如下：
   1. 测试前检查激光光路中可能产生反射的表面；操作激光设备时佩戴安全护目镜。
   2. 实验过程中避免眼睛处于激光束同一水平面，操作光学元件或反光工具时需注意防范反射激光。
   3. 确保水管不会脱落，并始终防止水槽中的水溢出。

2. 水槽与海床模型设置

1. 准备位于水槽中部的可冲刷海床模型。
   注：本研究使用的沉积物材料为均匀分布的中砂，其中值粒径 d₅₀ = 0.45 mm，颗粒相对 submerged 密度 Δ = 1.65，几何标准偏差 σ_g = 1.30。
2. 使用砂面整平器对海床进行压实并整平。
3. 通过水管缓慢向水槽注水，并确保在注水过程中海床表面保持平整；当水位达到海床以上 0.4 m 深度时，停止注水。
4. 清理水槽顶部平台及玻璃表面....

结果

管道位移追踪与瞬时速度计算的原始图像与处理后图像对比示例如图3所示。如图3b所示，原始图像中的示踪粒子和噪声被滤除，仅保留明亮的管道边缘，以获取位移时间序列。如图3c所示，示踪粒子周围、管道边缘及海床表面的光散射/反射通过拉普拉斯滤波器被滤除。振动管道的位移时间序列示例如图4所示。管道的振动几乎呈正弦波形，其振动频率和振幅分别为0.3 Hz和约50 mm。

图6展示了准平衡冲刷剖面及管道振动在 t = 1440 min 时的图像示例，本研究的坐标系（x-O-y）原点设定在原始海床表面与管道竖直中心线的交点处。如图6所示，除了示踪粒子外，流场中几乎观察.......

讨论

本文介绍的实验方案描述了一种利用粒子图像测速技术（PIV）对处于平衡冲刷坑中的受迫振动管道周围的二维流场进行可视化，并测定近壁面流动应力场的方法。由于设计的管道运动是沿y方向的一维运动，因此制备并调整管道模型及振动系统以实现这一目标，是获得成功结果的关键前提。管道在x方向上的任何非预期运动都可能在振动管道周围引发非对称流场和冲刷坑的形成。除了装置本身的影响外，实验中管道振动频率和振幅的选择对于在管道周围诱导出对称流场也至关重要。事实上，在静止水体条件下，Lin 等人³¹的研究表明，当无量纲时间T_D = t_DU_D/D < 5 时，突然启动的圆形圆柱体后方的回流结构可保持其对称性，其中t_D为圆柱体运动时间，U_D为圆柱体运动速度。当T_D > 5 时，圆柱体周围可能出现倾斜的.......

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、图像数据采集与处理
相机镜头	Nikon Chiyoda		Nikor  60mm，f=2.8 定焦镜头
连续波激光器	北京激光波光电技术有限公司		PIV 激光光源；Nd:YAG 激光器，532 nm；风冷
高速相机	Vision Research	Phantom Miro LAB 320	图像数据记录
激光片光成形光学元件	Thorlabs Inc		将点状激光转换为薄片状激光
管道模型	ZONCEPZ SOLUTIONS		直径为 35 mm 的亚克力圆柱管
管道振动系统	ZONCEPZ SOLUTIONS		由伺服电机、两个连接弹簧和管道支撑框架组成
PIV 计算软件	AXESEA 工程技术有限公司	PISIOU	用于获取流场和管道位移的图像数据处理
PIV 示踪粒子材料	Shimakyu		粒径为 10 µm 的铝粉
循环水槽	SZU ENGINEERING PTE LTD		玻璃侧壁，长 11 m，宽 0.6 m，深 0.6 m
三脚架	MANFROTTO	SKU MT190GOC4US 410	相机支撑