Name: 平衡闪烁孔内振动管道周围流动场的可视化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 s
Description: 了解振动管道周围流场的高分辨率可视化方法。本实验结合粒子图像测速技术，可同时获取管道动力学、流场及近边界应力数据，用于研究平衡冲刷坑中的涡流动力学与流固耦合机制。

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本研究受到国家自然科学基金青年科学基金（51709082）和中央高校基本科研业务费专项资金（2018B13014）的资助。

1. 实验室安全检查
<ol>
	<li>复习与激光器和水槽系统使用相关的安全规则。</li>
	<li>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：
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>确保水管不会脱落，并始终防止水槽中的水溢出。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 水槽与海床模型设置
<ol>
	<li>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 σg = 1.30。</li>
	<li>使用砂面整平器对海床进行压实并整平。</li>
	<li>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。</li>
	<li>清理水槽顶部平台及玻璃表面，以便安装管道模型和 PIV 系统。</li>
</ol>

3. 管道模型与振动系统设置

<ol>
	<li>使用一个预制的管道模型，该模型为直径 35 mm、长度 0.56 m 的丙烯酸圆柱体。</li>
	<li>将管道模型安装在一个铝制支撑框架上，该支撑框架通过两个弹簧连接到另一个固定框架上的可移动杆，该固定框架锁定在水槽顶部导轨上，如图 2所示。使用四个轴承将支撑框架固定在固定框架内部，以确保支撑框架仅能沿垂直方向自由振动（图 2）。</li>
	<li>使用连杆将可移动杆与安装在固定框架顶部的伺服电机连接。本研究中，组装后的振动系统（包括管道模型和铝制框架）的质量为 1.445 kg，其等效质量比（m*) 为 2.682；固有频率（fN）为 0.82 Hz；阻尼比（ζ）为 0.124。</li>
	<li>调节可移动杆和支撑框架，使管道与海床之间达到特定的间隙比。本研究中，G/D = 1，其中 G 为管道底部与初始海床表面之间的垂直距离，D 为管道直径。</li>
	<li>启动伺服电机，使管道产生受迫振动；调节支撑框架和四个轴承，以确保管道振动沿垂直方向进行。当支撑框架调节完成后，关闭伺服电机。</li>
	<li>若在步骤 3.5 中海床模型受到扰动，则在开始实验前需再次对海床进行压实和平整处理。</li>
</ol>

4. PIV 实验装置

<ol>
	<li>将激光装置放置在水槽顶部，并安装激光片光成形光学组件。</li>
	<li>开启激光装置，调节激光片光成形光学组件，使在感兴趣区域内形成一个被照亮的平面片光。 
	注：本研究中，绿色激光片光厚度为 1.5 mm，平行于水槽玻璃壁，并沿水槽中心线垂直向下投射入水中。本研究的感兴趣区域指管道-流体-海床相互作用区域，限定于管道右侧半区，管道左侧半区将呈现其阴影。</li>
	<li>设置高速相机。 
	注：本研究采用一台具备 12 GB 内存存储容量、最大分辨率为 2.3 Mpx（1920×1200）的高速相机（例如 Phantom Miro LAB 320）。详细操作步骤如下：
	<ol>
		<li>在高速相机上安装合适焦距的镜头。将高速相机旋紧在可调高度的三脚架上，调整相机至观测区域等高位置，确保其光轴垂直于激光照明片光。 
		注：本研究采用一支 60 mm 定焦镜头，光圈调至最大 f/2.8。</li>
		<li>使用以太网线将相机连接至计算机，并启动相机控制软件（例如 Phantom PCC 2.6）；开启相机，并在控制软件界面中将其与计算机连接。</li>
		<li>调节三脚架，确保相机视场覆盖管道-流体-海床相互作用区域；利用三脚架内置水平气泡使相机保持水平；调节镜头上的对焦环，确保激光片光在焦平面上清晰成像。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

5. 实验装置优化与校准

<ol>
	<li>将示踪粒子加入水槽试验段中。 
	注：本研究使用的示踪粒子为直径10 μm、比重为2.7的铝粉。</li>
	<li>必要时增强激光片光源的光强。</li>
	<li>通过计算机上的实时相机画面观察激光片光平面上被照亮的示踪粒子，检查相机的聚焦情况；如有必要，微调对焦环，确保示踪粒子成像清晰、聚焦准确。</li>
	<li>在激光片光平面内、视场范围内放置校准尺，并采集一张校准图像。 
	注：本研究采用的图像分辨率为1600 × 1200像素。</li>
	<li>为数据采集选择合适的采样频率。 
	注：所选采样频率应确保一对图像之间示踪粒子的位移小于最大 interrogation 窗口长度的50%。本研究中，最大 interrogation 窗口尺寸为32 × 32像素，采用的采样频率为200帧每秒。</li>
	<li>完成步骤5.1–5.5后，关闭激光器和相机。</li>
</ol>

6. 实验运行与数据采集

<ol>
	<li>在激光源下方及水面之上放置一块透明亚克力板（厚度为 20 mm），以抑制水面波动，确保激光光路具有稳定的光学通路。</li>
	<li>启动伺服电机，使管道模型产生受迫振动。 
	注意：本研究中，伺服电机的激励频率为 f0 = 0.3 Hz。</li>
	<li>保持振动系统持续运行（时间 t =）1440 分钟，以在振动管道下方形成准平衡状态的冲刷坑。</li>
	<li>开启激光器，并将输出功率调节至最佳强度；开启相机及相机控制软件，并将已校准的参数设置应用于相机；关闭实验室内的背景光源。</li>
	<li>在相机控制软件中点击采集按钮，以 5.6 节选定的采样率开始记录示踪粒子携带流场的图像。 
	注意：本研究中每次单次记录，相机存储最多可采集 1,000 张图像。</li>
	<li>数据采集完成后，检查所记录图像的质量，并确认每个 interrogation window（32×32 像素）内的示踪粒子密度是否大于 8。若满足要求，则保存记录文件；否则，通过缓慢向观测区域注入示踪溶液以提高示踪粒子密度，并重复步骤 6.3–6.5。</li>
	<li>重复步骤 6.3–6.5，以采集更多数据集。 
	注意：本研究共采集了超过 20,000 张图像，以确保获得足够的原始数据用于计算流速、涡量、湍流特性及近壁面应力。</li>
	<li>完成全部数据采集后，关闭激光器、相机和伺服电机；开启实验室背景光源。</li>
</ol>

7. 数据处理

<ol>
	<li>打开软件；点击工具栏上的文件夹按钮，加载步骤 5.4 中拍摄的标定图像。 
	注意：使用用于管道位移追踪和流场计算的数据处理程序（例如 PISIOU）。</li>
	<li>点击工具栏上的标尺设置按钮；在标定图像上测量一个已知距离，以计算图像的比例尺。 
	注意：计算得到的图像比例尺为 0.1694 mm/像素。</li>
	<li>点击工具栏上的原点按钮；在每幅图像上设置坐标系的原点。</li>
	<li>从记录的图像中提取振动管道的位移时间序列。
	<ol>
		<li>加载步骤 6 中获取的原始图像，然后点击参数面板，输入数据文件数量和采样频率。</li>
		<li>在图像滤波菜单中应用低通滤波器。 
		注意：该操作将使管道边缘（待追踪目标）在处理后的图像中更容易被识别（见图 3a）。</li>
		<li>在工具栏中点击PTV 模块，然后点击追踪点按钮，选择管道的中心点。进入PTV 工具，调节Gamma、光闸和中值滤波器，以突出图像中管道的轮廓。点击工具栏上的目标追踪按钮；在处理后的图像上选择目标区域（即管道），并从连续的处理图像中追踪振动管道的位移；记录振动管道的位移时间序列 η(t)，用于后续的流场数据处理（见图 4）。</li>
		<li>导出并保存管道位移时间序列数据，用于进一步计算。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从记录的图像中确定瞬时速度场。
	<ol>
		<li>进入PTV 工具，点击默认按钮以恢复原始图像，用于后续的 PIV 分析。通过点击PTV 模块关闭 PTV 模块。打开工具栏上的参数面板，设定速度矢量计算参数。 
		注意：本研究采用多步迭代法作为查询窗口，初始为 32 × 32 像素，随后为 16 × 16 像素，最终为 8 × 8 像素；所有步骤中相邻子窗口之间重叠率为 50%。</li>
		<li>在图像滤波菜单中对原始图像应用拉普拉斯滤波函数，以增强示踪粒子的可见性，并滤除不必要的散射光（见图 3c）。</li>
		<li>点击工具栏上的边界按钮，在图像上设置几何掩膜，以排除海底区域参与后续计算。点击保存边界按钮以保存边界数据。</li>
		<li>点击工具栏上的运行按钮，使用互相关方法计算不同振动相位下的瞬时速度场。 
		注意：本研究采用多时间间隔算法，以减小因流场中高速梯度引起的偏差误差（见图 5）。所采用的多个互相关时间间隔为 Δt、3Δt、9Δt 和 21Δt（Δt = 5 ms）。满意的相关性判据大于 70%。</li>
		<li>导出并保存瞬时速度场数据，用于进一步分析。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据 Newland 199429,30 和 Hsieh 200828 中描述的算法，从计算得到的瞬时速度场中确定相位平均速度场。 
	注意：本步骤的计算过程如下：
	<ol>
		<li>对振动管道的位移时间序列 η(t) 应用小波变换函数，以获得每个瞬时速度场的瞬时相位。小波变换函数定义为： 
		<img alt="小波变换方程 \( W_\psi = \frac{1}{\sqrt{\alpha}} \int_{-\infty}^{\infty} \eta(t) \, \left[ \psi \left( \frac{t - \beta}{\alpha} \right) \right]^* \, dt \)，用于信号分析。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 1">                   (1) 
		其中，WΨ 为小波系数；α 和 β 分别为尺度和位移参数；函数 Ψ 为 Morlet 函数，其表达式为 <img alt="波函数 ψ(t) 傅里叶变换方程，量子力学公式，示意图。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 2">；上标“*”表示复共轭。对应于不同管道位移的振动管道瞬时相位 Φ 可由下式计算： 
		<img alt="数学公式 Φ(α, β) = arg(Wψ)，方程，符号表示。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 3">                 (2)</li>
		<li>将具有相同相位的瞬时速度场进行平均，以获得相位平均速度场。</li>
		<li>从计算得到的相位平均速度场中确定流场涡量 ω2： 
		<img alt="流体力学方程，ωz=∂v̅/∂x-∂u̅/∂y，描述涡量分量。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 4">            (3) 
		其中，<img alt="矢量符号，数学符号，统计，均值分析。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq5.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 5"> 和 <img alt="散度算子 (∇·)，矢量微积分，数学符号，用于流体动力学分析。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eqv.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 v"> 分别为沿 x 和 y 方向的相位平均速度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在 Tecplot 软件中加载计算得到的相位平均速度和涡量数据，进行可视化处理。</li>
	<li>根据 Hsieh et al. 20169 中描述的算法，从计算得到的瞬时速度场中确定近壁面剪切应力和法向应力。本步骤的计算过程如下：
	<ol>
		<li>从计算得到的相位平均速度场中提取近壁面速度数据（海底上方 0–5 mm 范围内）。</li>
		<li>在振动周期内的不同相位下，沿冲刷剖面（约在冲刷坑边界上方 2 mm 处）计算近壁面剪切应力 ts 和法向应力 tn。注意：计算公式如下： 
		<img alt="剪切应力方程，τs=μ(∂up/∂n)；流体力学概念；数学公式。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq7.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 7">, <img alt="应力张量方程 τn=μ∂un/∂n，公式，力学平衡分析。" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq8.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程 8">              (4) 
		其中，μ = 流体的动力粘度（此处取为 1×10-3 Pa∙s）；up = 沿床面方向的近壁面速度；un = 垂直于床面的近壁面速度；n = 从床面起算的法向距离。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在软件（例如 Tecplot）中加载计算得到的近壁面剪切应力和法向应力数据，进行可视化处理。</li>
</ol>

<ol><li>Fredsøe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pipeline-seabed+interaction%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Pipeline-seabed interaction.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (6), 03116002(2016).</li>
<li>Larsen, B. E., Fuhrman, D. R., Sumer, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simulation+of+wave-plus-current+scour+beneath+submarine+pipelines%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Simulation of wave-plus-current scour beneath submarine pipelines.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (5), 04016003(2016).</li>
<li>Chiew, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanics+of+local+scour+around+submarine+pipelines%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Hydraulic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Mechanics of local scour around submarine pipelines.</a> Journal of Hydraulic Engineering. 116 (4), 515-529 (1990).</li>
<li>Chiew, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+maximum+scour+depth+at+submarine+pipelines%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Hydraulic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines.</a> Journal of Hydraulic Engineering. 117 (4), 452-466 (1991).</li>
<li>Gao, F. -P., Yang, B., Wu, Y. -X., Yan, S. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Steady+current+induced+seabed+scour+around+a+vibrating+pipeline%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Ocean+Research%22%5BJournal%5D)">Steady current induced seabed scour around a vibrating pipeline.</a> Applied Ocean Research. 28 (5), 291-298 (2006).</li>
<li>Wu, Y., Chiew, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanics+of+three-dimensional+pipeline+scour+in+unidirectional+steady+current%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Pipeline+Systems+Engineering+and+Practice%22%5BJournal%5D)">Mechanics of three-dimensional pipeline scour in unidirectional steady current.</a> Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice. 4 (1), 3-10 (2013).</li>
<li>Zhu, Y., Xie, L., Su, T. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+tests+on+scour+rates+below+pipelines+in+steady+currents%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Hydraulic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Visualization tests on scour rates below pipelines in steady currents.</a> Journal of Hydraulic Engineering. 145 (4), 04019005(2019).</li>
<li>Guan, D., Hsieh, S. -C., Chiew, Y. -M., Low, Y. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+scour+around+a+forced+vibrating+pipeline+in+quiescent+water%5BTitle%5D)+AND+%22Coastal+Engineering%22%5BJournal%5D)">Experimental study of scour around a forced vibrating pipeline in quiescent water.</a> Coastal Engineering. 143, 1-11 (2019).</li>
<li>Hsieh, S. -C., Low, Y. M., Chiew, Y. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+characteristics+around+a+circular+cylinder+subjected+to+vortex-induced+vibration+near+a+plane+boundary%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Flow characteristics around a circular cylinder subjected to vortex-induced vibration near a plane boundary.</a> Journal of Fluids and Structures. 65, 257-277 (2016).</li>
<li>Sumer, B., Fredsøe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scour+below+pipelines+in+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Scour below pipelines in waves.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 116 (3), 307-323 (1990).</li>
<li>Sumer, B. M., Fredsøe, J., Gravesen, H., Bruschi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Response+of+marine+pipelines+in+scour+trenches%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Response of marine pipelines in scour trenches.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 115 (4), 477-496 (1989).</li>
<li>Çevik, E., Yüksel, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scour+under+submarine+pipelines+in+waves+in+shoaling+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Scour under submarine pipelines in waves in shoaling conditions.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 125 (1), 9-19 (1999).</li>
<li>Sumer, B. M., Truelsen, C., Sichmann, T., Fredsøe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Onset+of+scour+below+pipelines+and+self-burial%5BTitle%5D)+AND+%22Coastal+Engineering%22%5BJournal%5D)">Onset of scour below pipelines and self-burial.</a> Coastal Engineering. 42 (4), 313-335 (2001).</li>
<li>Li, F., Cheng, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+lee-wake+scouring+of+pipelines+in+currents%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Prediction of lee-wake scouring of pipelines in currents.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 127 (2), 106-112 (2001).</li>
<li>Yang, B., Gao, F. -P., Jeng, D. -S., Wu, Y. -X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+vortex-induced+vibrations+of+a+pipeline+near+an+erodible+sandy+seabed%5BTitle%5D)+AND+%22Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Experimental study of vortex-induced vibrations of a pipeline near an erodible sandy seabed.</a> Ocean Engineering. 35 (3), 301-309 (2008).</li>
<li>Zhao, M., Cheng, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+investigation+of+local+scour+below+a+vibrating+pipeline+under+steady+currents%5BTitle%5D)+AND+%22Coastal+Engineering%22%5BJournal%5D)">Numerical investigation of local scour below a vibrating pipeline under steady currents.</a> Coastal Engineering. 57 (4), 397-406 (2010).</li>
<li>Fu, S., Xu, Y., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Seabed+effects+on+the+hydrodynamics+of+a+circular+cylinder+undergoing+vortex-induced+vibration+at+high+reynolds+number%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Seabed effects on the hydrodynamics of a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration at high reynolds number.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 140 (3), 04014008(2014).</li>
<li>Guo, Z., Jeng, D. -S., Zhao, H., Guo, W., Wang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+seepage+flow+on+sediment+incipient+motion+around+a+free+spanning+pipeline%5BTitle%5D)+AND+%22Coastal+Engineering%22%5BJournal%5D)">Effect of seepage flow on sediment incipient motion around a free spanning pipeline.</a> Coastal Engineering. 143, 50-62 (2019).</li>
<li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Particle-imaging+techniques+for+experimental+fluid+mechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).</li>
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<li>Piirto, M., Saarenrinne, P., Eloranta, H., Karvinen, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+turbulence+energy+with+piv+in+a+backward-facing+step+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Measuring turbulence energy with piv in a backward-facing step flow.</a> Experiments in Fluids. 35 (3), 219-236 (2003).</li>
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<li>Guan, D., Agarwal, P., Chiew, Y. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quadrant+analysis+of+turbulence+in+a+rectangular+cavity+with+large+aspect+ratios%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Hydraulic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Quadrant analysis of turbulence in a rectangular cavity with large aspect ratios.</a> Journal of Hydraulic Engineering. 144 (7), 04018035(2018).</li>
<li>Kim, J. -T., Kim, D., Liberzon, A., Chamorro, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+particle+tracking+velocimetry+for+turbulence+applications%3A+Case+of+a+jet+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications: Case of a jet flow.</a> Journal of Visualized Experiments. (108), e53745(2016).</li>
<li>Lu, L., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+particle+image+velocimetry+near+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">High-speed particle image velocimetry near surfaces.</a> Journal of Visualized Experiments. (76), e50559(2013).</li>
<li>Lin, W. -J., Lin, C., Hsieh, S. -C., Dey, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+characteristics+around+a+circular+cylinder+placed+horizontally+above+a+plane+boundary%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Engineering+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Flow characteristics around a circular cylinder placed horizontally above a plane boundary.</a> Journal of Engineering Mechanics. 135 (7), 697-716 (2009).</li>
<li>Hsieh, S. -C., Low, Y. M., Chiew, Y. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+characteristics+around+a+circular+cylinder+undergoing+vortex-induced+vibration+in+the+initial+branch%5BTitle%5D)+AND+%22Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Flow characteristics around a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration in the initial branch.</a> Ocean Engineering. 129, 265-278 (2017).</li>
<li>Hsieh, S. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Establishment+of+high+time-resolved+piv+system+with+application+to+the+characteristics+of+a+near+wake+flow+behind+a+circular+cylinder%5BTitle%5D)+AND+%22National+Chung+Hsing+University%22%5BJournal%5D)">Establishment of high time-resolved piv system with application to the characteristics of a near wake flow behind a circular cylinder.</a> National Chung Hsing University. , (2008).</li>
<li>Newland, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wavelet+analysis+of+vibration%3A+Part+1-theory%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vibration+and+Acoustics%22%5BJournal%5D)">Wavelet analysis of vibration: Part 1-theory.</a> Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 409-416 (1994).</li>
<li>Newland, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wavelet+analysis+of+vibration%3A+Part+2-wavelet+maps%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vibration+and+Acoustics%22%5BJournal%5D)">Wavelet analysis of vibration: Part 2-wavelet maps.</a> Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 417-425 (1994).</li>
<li>Lin, C., Hsieh, S. -C., Lin, W. -J., Raikar, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characteristics+of+recirculation+zone+structure+behind+an+impulsively+started+circular+cylinder%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Engineering+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Characteristics of recirculation zone structure behind an impulsively started circular cylinder.</a> Journal of Engineering Mechanics. 138 (2), 184-198 (2012).</li>
<li>Sarpkaya, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+critical+review+of+the+intrinsic+nature+of+vortex-induced+vibrations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+and+Structures%22%5BJournal%5D)">A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations.</a> Journal of Fluids and Structures. 19 (4), 389-447 (2004).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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TD = tDUD/D &#60; 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tD为圆柱体运动时间，UD为圆柱体运动速度。当TD &#62; 5 时，圆柱体周围可能出现倾斜的...

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3,4,5,10,11,12,13,14,15,16,17,18。因此，本文的方法学目标是提供一种新颖的实验方案，用于可视化由强迫振动管道诱导的平衡冲刷坑内的详细流场，并测定近壁面的剪切应力和法向应力。需要指出的是，本研究中的管道-流体-海床相互作用过程处于静水环境，而非存在单向水流或波浪的环境。
该实验方法包含两个重要组成部分：（1）管道（强迫）振动的模拟；以及（2）管道周围流场的测量。在第一部分中，通过使用包含伺服电机、两个连接弹簧和管道支撑框架的振动系统，在实验水槽中模拟振动管道。通过调节电机转速和连接弹簧的位置，可模拟不同的振动频率和振幅。在第二部分中，采用时间分辨粒子图像测速技术（PIV）和小波变换技术，获取不同管道振动相位下具有高时间与空间分辨率的流场数据。时间分辨PIV系统由连续波激光器、高速相机、示踪粒子和互相关算法组成。尽管PIV技术已广泛应用于稳态湍流流场的测量19,20,21,22,23,24,25，但在诸如管道-流体-海床相互作用等复杂非定常流场条件下的应用仍相对有限8,9,26,27。其原因可能是传统的单时间间隔互相关PIV算法难以准确捕捉存在较高速度梯度的非定常流场中的流动特征9,20。本文所述方法通过采用多时间间隔互相关算法，可有效解决这一问题9,28。

<table><tbody><tr><td>相机控制软件</td><td>Vision Research</td><td>Phantom PCC 2.6</td><td>相机控制、图像数据采集与处理</td></tr><tr><td>相机镜头</td><td>Nikon Chiyoda</td><td></td><td>Nikor&amp;nbsp; 60mm，f=2.8 定焦镜头</td></tr><tr><td>连续波激光器&amp;nbsp;</td><td>北京激光波光电技术有限公司</td><td></td><td>PIV 激光光源；Nd:YAG 激光器，532 nm；风冷</td></tr><tr><td>高速相机</td><td>Vision Research</td><td>Phantom Miro LAB 320</td><td>图像数据记录</td></tr><tr><td>激光片光成形光学元件&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs Inc</td><td></td><td>将点状激光转换为薄片状激光</td></tr><tr><td>管道模型</td><td>ZONCEPZ SOLUTIONS</td><td></td><td>直径为 35 mm 的亚克力圆柱管</td></tr><tr><td>管道振动系统</td><td>ZONCEPZ SOLUTIONS</td><td></td><td>由伺服电机、两个连接弹簧和管道支撑框架组成</td></tr><tr><td>PIV 计算软件</td><td>AXESEA 工程技术有限公司</td><td>PISIOU</td><td>用于获取流场和管道位移的图像数据处理</td></tr><tr><td>PIV 示踪粒子材料</td><td>Shimakyu</td><td></td><td>粒径为 10 µm 的铝粉</td></tr><tr><td>循环水槽&amp;nbsp;</td><td>SZU ENGINEERING PTE LTD</td><td></td><td>玻璃侧壁，长 11 m，宽 0.6 m，深 0.6 m</td></tr><tr><td>三脚架</td><td>MANFROTTO</td><td>SKU MT190GOC4US 410</td><td>相机支撑</td></tr></tbody></table>

可视化平衡冲刷坑内振动管道周围的流场

Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole

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。

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...

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。

本文提出了一种实验方法，以促进详细流场的可视化，并确定近壁面剪切力及……

本实验方案旨在可视化由强制振动管道引起的平衡冲刷坑内的详细流场及近边界剪切应力分布。该测量技术的主要优势在于能够同时高分辨率地获取管道动力学、流场以及近边界流动应力信息。利用该技术，可在复杂环境中对二维流场开展更深入的研究，从而更好地理解冲刷机理。实验在一个长11米的水槽中进行。其横截面为正方形，边长为0.6米。该水槽的示意图提供了更多细节，包括可侵蚀海床模型的位置。水位高于海床0.4米。在海床模型中，使用已压实并整平的均匀分布的中砂。将振动系统的结构安装在水槽上方。该装置由一个固定在水槽顶部导轨上的固定框架组成。固定框架上设有可移动的立柱，用于支撑一个铝制框架。该铝制框架将管道模型悬置于水槽中海底模型的上方。该示意图展示了整个装置的概览。需要注意的是，共有四个轴承，可确保铝制支撑架仅能沿垂直方向振动。连接杆将可动磁极与伺服电机相连，驱动铝制框架的运动。该装置的设置取决于管道的几何形状。这个丙烯酸管道模型的复制品直径为35毫米。调节支撑架和立杆，使管道底部位于初始海床表面以上一个管道直径的高度。遵守所有激光安全规程，并开始使用激光。将532纳米激光器及用于测速的光学元件放置在水槽上方。光学元件包括用于形成照明光片的组件。打开激光器后，调整光学元件，使在水槽的感兴趣区域内形成一个平坦的照明光片。该光片应位于水槽中心，并与侧壁平行。这些示意图的正面和侧面视图展示了实验装置中激光器、光学元件以及所形成的激光光片的位置。接下来，设置粒子图像测速装置的相机。使用具有适当焦距的高速相机，并将其对准垂直于激光片的方向。将相机连接到装有正确控制软件的计算机上。打开摄像机后，调整视野，确保管道流体海底区域可见且图像清晰。为校准装置，首先使用示踪粒子。这种铝粉提供的颗粒直径为10微米。向水槽的测试段加入约 20 克示踪粒子。确认相机能将示踪粒子清晰聚焦。然后，将校准标尺放置在激光片光平面内的视场中，并拍摄一张校准图像。选择数据采集的采样率后，关闭激光器和相机。实验时，取一块透明亚克力板，将其支撑在激光源下方的试验台上方，并置于水面上，以抑制表面波动。该示意图详细展示了如何利用连接在水槽导轨上的绳索来支撑此装置中的平板。接下来，启动框架上的伺服电机，这将开始对管道模型施加强迫振动。使振动系统持续运行24小时。24小时后，打开激光器以生成光片。使用已校准的设置启动相机及其控制软件。然后，关闭灯光并开始数据采集。数据采集完成后，检查32乘32像素 interrogation window 的示踪粒子密度是否大于8，然后再采集额外的数据集。所有数据集采集完毕后，开始数据处理。使用粒子图像测速软件并打开校准图像。接着，进入工具栏并点击比例设置按钮。将十字光标移至标尺图像上的一个刻度标记处并进行标记。接下来，在尺子图像上标记第二个刻度。在打开的对话框中，根据尺子输入两个标记之间的距离。注意记录计算出的标尺值。返回工具栏并单击原点按钮。然后，使用鼠标为所有数据图像设置坐标原点。完成后单击“是”。然后，点击文件菜单并加载作为数据采集的原始图像中的第一幅图像。检查其他文件是否可访问，然后返回到第一幅图像。接着，点击参数菜单。在对话框中输入数据文件的数量和采样率以加载所有图像。保存数值后关闭对话框。接下来，进入图像滤波菜单。然后，应用低通滤波器。在工具栏中，点击 PTV 模块。接着点击追踪点。然后在图像中找到管道圆周右侧半部分的中心点并选中。在点击工具栏中的 PTV 工具之前，确认选择无误。在打开的对话框中，调节伽马值、光闸和中值滤波器设置，以突出图像中的管道轮廓。批准更改后，点击对象跟踪按钮。使用鼠标在处理后的图像上选择管道的一个可识别区域。完成此操作后，软件将跟踪图像中的位移并记录时间序列。数据保存后，前往并点击 PTV 工具。在对话框中，点击默认按钮，然后点击“确定”以恢复原始图像，用于后续分析。点击 PTV 模块以停用该模块。停留在工具栏中并打开参数面板。在关闭对话框之前，验证速度矢量计算参数及其他参数。然后，进入图像滤波菜单。对原始图像应用拉普拉斯滤波函数，以突出示踪粒子并滤除不需要的散射光。现在，返回工具栏并点击边界。使用鼠标在图像上设置几何掩膜，以排除海底区域。确认边界已设置完毕。完成后，单击“保存边界”以保存边界数据。最后，转到工具栏并单击“运行”按钮，使用互相关方法计算瞬时速度场。导出并保存瞬时速度场的数据以供进一步分析。此图为管道振动24小时后拍摄的准平衡冲刷剖面与振动管道的图像。分析的原点设定在原始海床表面与管道垂直中心线的交点处。示踪粒子可见，但悬浮在流体中的沉积物颗粒极少，表明系统处于准平衡阶段。通过该方案采集的数据可用于可视化相位平均速度场和涡量动力学。本视频包含一个管道振动周期内72帧的流场图像。该方法还可用于研究涡流诱导振动过程，例如由非对称涡流脱落引起的管道振动。

visualization-flow-field-around-vibrating-pipeline-within-an

Research

科研

JoVE Journal

Environment

环境

平衡闪烁孔内振动管道周围流动场的可视化

本文介绍了一种用于多种流体流动的定量三维（3D）成像技术。基于光场成像领域的原理，我们从图像阵列中重建三维体积。我们的三维结果涵盖广泛，包括速度场和多相气泡尺寸分布。...

通过多相机光场成像确定三维流场

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利用表面声波驱动的声学逆流微流控器件的制备、操作与流场可视化

声带息肉可能干扰声带的动态功能，从而对患者的沟通能力造成严重影响。本研究采用粒子图像测速技术、壁面摩擦线可视化方法以及壁面压力测量，考察了壁面固定模型息肉引起的三维流动分离及其对壁面压力载荷的影响。...

研究模型声带息肉引起的三维流动分离

在狭窄的动脉弯曲处植入支架后，容易发生涉及支架完全横向断裂及断裂部分线性位移的“IV型”失效。本文介绍了一种用于检测临床相关“IV型”支架失效下游弯曲动脉模型中二次流（涡旋）结构的实验方案。...

180°弯曲动脉测试段中IV型支架失效模型下游二次流动结构的实验研究

本文描述了如何在水槽中生成规则的床面形态，可视化流体在床面形态中的流动，并利用计算机模拟来仿真潜流带水流。计算机模拟结果与实验观测结果吻合良好。这种耦合模拟与实验的方法非常适合用于科研和教学目的。...

利用染料示踪实验与模拟可视化潜流带中床面形态内的水流过程

本文介绍了一种实验上可实现的模拟方法，用于研究稠密流体中的分子流体动力学过程。该技术利用振动下高恢复系数颗粒堆的粒子图像测速法，能够直接在宏观尺度上观测到强相互作用、高密度气体和液体中已知或预测存在的动力学过程。...

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提出了一种快速且可靠的控制单个被捕获声学气泡形状振荡的技术，该技术基于两个气泡之间的聚并方法。这种稳态、对称性可控的气泡形状振荡可用于分析气泡界面附近产生的流体流动。...

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地表更新是一种微气象学方法，正被越来越多地用于测定能量通量，但其技术复杂性使其难以被广泛使用。本文描述了建立和校准地表更新野外观测站、采集和处理数据以及正确解释结果所需的各个步骤。...

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我们提供一种保存完整树木韧皮部并对其进行观察前处理的技术。我们构建了一种称为“韧皮部三明治”的装置，可用于引入并观察栖息于韧皮部组织中的节肢动物、微生物及其他生物体。...

研究树木组织内节肢动物与微生物群落的技术

了解振动管道周围流场的高分辨率可视化方法。本实验结合粒子图像测速技术，可同时获取管道动力学、流场及近边界应力数据，用于研究平衡冲刷坑中的涡流动力学与流固耦合机制。

可视化平衡冲刷坑内振动管道周围的流场

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