Methodenartikel

Visualisierung des Strömungsfeldes um eine vibrierende Pipeline innerhalb eines Gleichgewichts-Scour-Lochs

DOI:

10.3791/59745

⸱

26. August 2019

 ,  ,  , 
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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Ziel des Protokolls ist es, die Visualisierung der detaillierten Strömungsfelder und die Bestimmung der grenznahen Scherung und normaler Spannungen innerhalb eines durch eine vibrierende Rohrleitung induzierten Gleichgewichtsgeißees zu ermöglichen.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In diesem Beitrag wird eine experimentelle Methode vorgestellt, um die Visualisierung der detaillierten Strömungsfelder und die Bestimmung der grenznahen Scherung und normaler Spannungen innerhalb eines durch eine vibrierende Rohrleitung induzierten Gleichgewichtsgeißees zu erleichtern. Diese Methode beinhaltet die Implementierung eines Pipeline-Vibrationssystems in einem geraden Flume, einem zeitaufgelösten Partikelbild-Velocimetrie-System (PIV) für Pipeline-Verschiebungsverfolgung und Flussfeldmessungen. Die Verschiebungszeitreihen der vibrierenden Rohrleitung werden mit Hilfe der Kreuzkorrelationsalgorithmen ermittelt. Die Schritte zur Verarbeitung von rohen Partikeln, die mit Hilfe der zeitaufgelösten PIV erhalten wurden, werden beschrieben. Die detaillierten momentanen Strömungsfelder um die vibrierende Rohrleitung in verschiedenen Vibrationsphasen werden mithilfe eines Kreuzkorrelationsalgorithmus mit mehreren Zeitintervallen berechnet, um Verschiebungsverzerrungsfehler in den Strömungsbereichen mit einem großen Geschwindigkeitsgradienten zu vermeiden. . Durch Anwendung der Wavelet-Transformationstechnik werden die aufgenommenen Bilder mit derselben Vibrationsphase genau katalogisiert, bevor die phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder ermittelt werden. Die wichtigsten Vorteile der in diesem Papier beschriebenen Strömungsmesstechnik sind, dass sie eine sehr hohe zeitliche und räumliche Auflösung hat und gleichzeitig verwendet werden kann, um die Rohrleitungsdynamik, Strömungsfelder und grenznahe Strömungsspannungen zu erhalten. Durch die Verwendung dieser Technik können eingehendere Untersuchungen des 2-dimensionalen Strömungsfeldes in einer komplexen Umgebung, wie z. B. der um eine vibrierende Pipeline, durchgeführt werden, um den damit verbundenen ausgeklügelten Scheuermechanismus besser zu verstehen.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Unterwasser-Pipelines werden häufig in Offshore-Umgebungen für die Förderung von Flüssig- oder Kohlenwasserstoffprodukten eingesetzt. Wenn eine Pipeline auf einem erodierbaren Meeresboden platziert wird, wird sich aufgrund der Wellen, Ströme oder dynamischen Bewegungen der Pipeline selbst (Zwangsschwingung oder Wirbel-induzierte Schwingung) wahrscheinlich ein Scheuerloch um die Pipeline bilden1,2. Um das Verständnis des Scheuermechanismus um eine Unterwasser-Pipeline zu verbessern, sind neben der Messungen der Scheuerbohrung Dimension1,2,3,4,5,6,7. In einer Umgebung, in der die Bettscherung und normale Spannungen extrem schwer zu bestimmen sind, weil das Strömungsfeld unbeständig ist und die untere Grenze rau ist, könnten gemessene unmittelbare Grenzspannungen (bei ca. 2 mm über der Grenze) als Ersatzverwendet 8,9. In den letzten Jahrzehnten wurde die Suche nach einer vibrierenden Pipeline untersucht und veröffentlicht, ohne die Werte der anspruchsvollen Strömungsfelder um die Pipeline innerhalb des Scheuerlochs3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Daher besteht das Ziel dieses Methodenpapiers darin, ein neuartiges experimentelles Protokoll zur Visualisierung der detaillierten Strömungsfelder bereitzustellen und die grenznahe Scherung und die normalen Spannungen innerhalb eines Gleichgewichtsgeißlochs zu bestimmen, das durch eine erzwungene vibrierende Rohrleitung induziert wird. Es sollte beachtet werden, dass sich der Interaktionsprozess zwischen Pipeline und Fluid-Meeresboden in dieser Studie in einer stillen Wasserumgebung befindet und nicht in einer Umgebung mit unidirektionalen Strömungen und Wellen.

Diese experimentelle Methode besteht aus zwei wichtigen Komponenten, nämlich (1) Simulation von Rohrleitungsschwingungen (zwangs) Schwingungen; und (2) Messungen der Strömungsfelder um die Rohrleitung herum. In der ersten Komponente wurde die vibrationsende Rohrleitung in einem experimentellen Flume mit einem Vibrationssystem simuliert, das über einen Servomotor, zwei Verbindungsfedern und Rohrleitungsstützrahmen verfügt. Verschiedene Schwingungsfrequenzen und Amplituden können simuliert werden, indem die Motordrehzahl und die Position der Verbindungsfedern eingestellt werden. In der zweiten Komponente wurden die zeitaufgelöste Partikelbild-Velocimetrie (PIV) und Die Wavelet-Transformationstechniken übernommen, um daten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in verschiedenen Pipeline-Schwingungsphasen zu erhalten. Das zeitaufgelöste PIV-System besteht aus einem kontinuierlichen Wellenlaser, einer Hochgeschwindigkeitskamera, Säpartikeln und Kreuzkorrelationsalgorithmen. Obwohl PIV-Techniken weit verbreitet sind, um stetige turbulente Strömungsfelder zu erhalten19,20,21,22,23,24,25, Anwendungen unter komplexen unbeständigen Strömungsfeldbedingungen, wie z. B. Bei Rohrleitungs-Fluid-Seeboden-Wechselwirkungen, sind relativ begrenzt8,9,26,27. Der Grund dafür ist wahrscheinlich, dass der herkömmliche Einzeitintervall-Kreuzkorrelationsalgorithmus von PIV-Techniken nicht in der Lage ist, die Strömungs-Features in unsicheren Strömungsfeldern, in denen ein relativ hoher Geschwindigkeitsgradient vorhanden ist, genau zu erfassen9, 20. Die in diesem Dokument beschriebene Methode kann dieses Problem mithilfe desKreuzkorrelationsalgorithmus 9,28mit mehreren Zeitintervallen lösen.

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Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Laborsicherheitsprüfung

  1. Überprüfen Sie die Sicherheitsvorschriften für den Einsatz des Laser- und Flume-Systems.
  2. Stellen Sie sicher, dass die Sicherheitsanforderungen des Labors erfüllt sind.
    HINWEIS: In diesem Experiment wird ein Satz von 5W Luftkühlung kontinuierlichen Wellenlaser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einem glasseitigen geraden Flume (Abbildung 1) mit Abmessungen von 11 m Länge, 0,6 m Breite und 0,6 m Tiefe verwendet. Die grundlegenden Sicherheitsempfehlungen für diese beiden Geräte lauten wie folgt:
    1. Überprüfen Sie die potentiellen Reflexionsflächen in der Lasersichtlinie vor der Prüfung; Schutzbrille beim Betrieb des Lasergeräts tragen.
    2. Vermeiden Sie es, während der Experimente Augen auf der Ebene des Laserstrahls zu haben, und achten Sie beim Umgang mit optischen Elementen oder reflektierenden Werkzeugen auf reflektierte Laserlichter.
    3. Stellen Sie sicher, dass der Wasserschlauch nicht abfällt und immer kein Wasser aus dem Rauch überfließt.

2. Flume und Meeresboden Modell-Setup

  1. Bereiten Sie das erodierbare Meeresbodenmodell in der Mitte des Flusses vor.
    ANMERKUNG: Das in dieser Studie verwendete Sedimentmaterial war ein gleichmäßig verteilter mittlerer Sand mit einer mittleren Korngröße d50 = 0,45 mm, einer relativen untergetauchten Partikeldichte = 1,65 und einer geometrischen Standardabweichungvon g = 1,30.
  2. Kompakt und ebnen Sie den Meeresboden mit einem Sandnivellierer.
  3. Füllen Sie den Rauch langsam mit einem Wasserschlauch und stellen Sie sicher, dass eine flache Meeresbodenoberfläche während des Füllvorgangs intakt ist; beenden Sie die Füllung, wenn der Wasserstand eine Tiefe von 0,4 m über dem Meeresboden erreicht hat.
  4. Löschen Sie die Flausch-Top-Plattform und Glas für die Einrichtung des Rohrleitungsmodells und des PIV-Systems.

3. Rohrleitungsmodell und Vibrationssystem-Setup

  1. Verwenden Sie ein vorgefertigtes Rohrleitungsmodell in Form eines Acrylzylinders mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Länge von 0,56 m.
  2. Montieren Sie das Rohrleitungsmodell auf einem Aluminium-Stützrahmen, der wiederum durch zwei Federn mit einem beweglichen Pol an einem anderen festen Rahmen verbunden ist, der auf den oberen Schienen des Flumes verriegelt ist, wie in Abbildung 2dargestellt. Befestigen Sie den Stützrahmen innerhalb des festen Rahmens, indem Sie vier Lager verwenden, um sicherzustellen, dass der Stützrahmen nur entlang der vertikalen Richtung frei vibrieren konnte (Abbildung 2).
  3. Verwenden Sie eine Verbindungsstange, um den beweglichen Pol an einen Servomotor zu binden, der oben auf dem festen Rahmen montiert ist. In dieser Studie beträgt das Gewicht des montierten Vibrationssystems, einschließlich des Rohrleitungsmodells und der Aluminiumrahmen,1,445 kg, was ein äquivalentes Massenverhältnis (m *) von 2,682 aufweist; eine Natürliche Frequenz (fN) von 0,82 Hz; dämpfungsverhältnis (n) von 0,124.
  4. Passen Sie den beweglichen Pol und den Stützrahmen an, um ein bestimmtes Spaltverhältnis zwischen Rohrleitung und Meeresboden zu erhalten.  In dieser Studie, G/D =1, wobei G der vertikale Abstand zwischen dem Boden der Pipeline und der ursprünglichen Meeresbodenoberfläche ist; und D ist der Rohrleitungsdurchmesser.
  5. Schalten Sie den Servomotor ein, um eine erzwungene Vibration an der Rohrleitung auszulösen; stellen Sie die Stützrahmen und vier Lager ein, um sicherzustellen, dass sich die Schwingung der Rohrleitung in vertikaler Richtung befindet. Schalten Sie den Servomotor aus, wenn die Einstellungen der Stützrahmen abgeschlossen sind.
  6. Kompakt und ebnen Sie den Meeresboden wieder, bevor Sie das Experiment ausführen, wenn das Meeresbodenmodell in 3.5 gestört wird.

4. PIV-Einrichtung

  1. Legen Sie das Lasergerät auf die Oberseite des Flumes und installieren Sie die Laserblechformoptik.
  2. Schalten Sie das Lasergerät ein und passen Sie die Laserblechformoptik so an, dass sich ein beleuchtetes Flachblech im Interessenfeld bildet.
    HINWEIS: In dieser Studie ist die beleuchtete grüne Laserplatte 1,5 mm dick, parallel zu den Flauschglaswänden und wird entlang der Mittellinie des Rauchwassers nach unten ins Wasser geworfen. Das Interessengebiet dieser Studie bezieht sich auf den Interaktionsbereich des Pipeline-Fluid-Meeresbodens und ist auf die rechte Seite der Pipeline beschränkt. Der Schatten der Pipeline wird auf der linken Seite der Pipeline zu sehen sein.
  3. Richten Sie die Hochgeschwindigkeitskamera ein.
    HINWEIS: Für diese Studie wird eine Hochgeschwindigkeitskamera mit 12-Gigabyte-Speicher und einer maximalen Auflösung von 2,3 Mpx (1920 x 1200) verwendet (z. B. Phantom Miro LAB 320). Die detaillierten Arbeitsabläufe sind wie folgt:
    1. Montieren Sie das Objektiv mit entsprechender Brennweite an der Hochgeschwindigkeitskamera. Schrauben Sie die Hochgeschwindigkeitskamera auf ein höhenverstellbares Stativ; passen Sie die Kamera an die Ebene des Beobachtungsbereichs mit ihrer Achse senkrecht zum beleuchteten Laserblatt an.
      HINWEIS: Diese Studie verwendet ein 60-mm-Primobjektiv mit einer maximalen Blende von f/2.8.
    2. Schließen Sie die Kamera über ein Ethernet-Kabel an den Computer an und schalten Sie die Kamerasteuerungssoftware ein (z. B. Phantom PCC 2.6); schalten Sie die Kamera ein und schließen Sie sie an den Computer in der Software-Schnittstelle zur Kamerasteuerung an.
    3. Passen Sie das Stativ an, um sicherzustellen, dass das Sichtfeld der Kamera den Interaktionsbereich Pipeline-Fluid-Seeboden abdeckt; nivellieren Sie die Kamera mit der eingebauten Blasenebene auf dem Stativ; Den Fokusring auf die Linse einstellen, um sicherzustellen, dass das Laserblech auf der Brennebene klar ist.

5. Experimentelle Setup-Optimierung und Kalibrierung

  1. Fügen Sie PIV-Saatpartikel in den Testabschnitt des Flumes ein.
    ANMERKUNG: Bei den in dieser Studie verwendeten Säpartikeln handelte es sich um Aluminiumpulver mit einem Durchmesser von 10 m und einer spezifischen Dichte von 2,7.
  2. Verbessern Sie bei Bedarf die Lichtintensität des Laserblechs.
  3. Überprüfen Sie den Fokus der Kamera, indem Sie die beleuchteten Säpartikel auf dem Laserblatt durch eine Live-Kameraansicht auf dem Computer beobachten; Feinabstimmung des Fokusrings, falls erforderlich, um sicherzustellen, dass die Säpartikel scharf und fokussiert sind.
  4. Platzieren Sie ein Kalibrierlineal innerhalb des Sichtfelds auf der Ebene des Laserblatts, und erfassen Sie ein Kalibrierbild.
    HINWEIS: Die angenommene Auflösung des Bildes in dieser Studie betrug 1600 x 1200 Pixel.
  5. Wählen Sie eine ordnungsgemäße Abtastrate für die Datenerfassung aus.
    HINWEIS: Die gewählte Abtastrate sollte sicherstellen, dass die Saatpartikelverschiebung innerhalb eines Bildpaares weniger als 50 % der maximalen Verhörfensterlänge beträgt. In dieser Studie beträgt die maximale Verhörfenstergröße 32 x 32 Pixel und die angenommene Abtastrate 200 Bilder pro Sekunde.
  6. Schalten Sie den Laser und die Kamera aus, wenn die Schritte 5.1-5.5 abgeschlossen sind.

6. Ausführen des Experiments und der Datenerfassung

  1. Legen Sie eine transparente Acrylplatte (20 mm dick) unter die Laserquelle und auf die Wasseroberfläche, um Wasseroberflächenschwankungen zu unterdrücken und einen ruhigen optischen Zugang für das Laserlicht zu gewährleisten.
  2. Schalten Sie den Servomotor ein, um erzwungene Vibrationen am Rohrleitungsmodell auszulösen.
    HINWEIS: In dieser Studie ist die induzierte Frequenz des Servomotors f0 = 0,3 Hz.
  3. Halten Sie das Vibrationssystem für (t =)1440 min am Laufen, um ein Quasi-Gleichgewichts-Scheuerloch unter der vibrierenden Rohrleitung zu erhalten.
  4. Schalten Sie den Laser ein und passen Sie die Ausgangsleistung an die optimierte Intensität an. Schalten Sie die Kamera- und Kamerasteuerungssoftware ein und wenden Sie die kalibrierten Einstellungen auf die Kamera an. Schalten Sie die Hintergrundbeleuchtung im Labor aus.
  5. Beginnen Sie mit der Aufzeichnung des partikelbeladenen Flussfeldbildes mit der in 5.6 ausgewählten Abtastrate, indem Sie in der Softwaresteuerungssoftware der Kamerasoftware auf Capture Bottom klicken.
    HINWEIS: Für jede einzelne Aufnahme in dieser Studie ermöglicht der Kameraspeicher die Aufnahme von 1.000 Bildern.
  6. Überprüfen Sie nach Abschluss der Datenerfassung die aufgezeichnete Bildqualität, und überprüfen Sie, ob die Partikeldichte pro Abfragefenster (32 x 32 Pixel) größer als 8 ist. Speichern Sie die aufgezeichnete Datei, wenn sie erfüllt ist, andernfalls wird die Saatdichte erhöht, indem langsam Sälösungen in den Beobachtungsbereich injiziert und die Schritte 6.3-6.5 wiederholt werden.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 6.3-6.5, um weitere Datensätze zu sammeln.
    HINWEIS: Für diese Studie wurden mehr als 20.000 Bilder aufgenommen, um sicherzustellen, dass genügend Rohdaten für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeiten, Wirbel, Turbulenzen und grenznahen Spannungen gewonnen werden.
  8. Schalten Sie das Lasergerät, die Kamera und den Servermotor aus, wenn alle Datensammlungen abgeschlossen sind. die Hintergrundbeleuchtung im Labor einschalten.

7. Datenverarbeitung

  1. Öffnen Sie die Software; Klicken Sie auf die Schaltfläche Ordner Datei auf der Symbolleiste, und laden Sie das Inschritt 5.4 aufgenommene Kalibrierungsbild.
    HINWEIS: Verwenden Sie das Datenverarbeitungsprogramm für die Pipelineverschiebungsverfolgungs- und Durchflussfeldberechnungssoftware (z. B. PISIOU).
  2. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf die Schaltfläche Setup skalieren. messen Sie einen bekannten Abstand auf dem Kalibrierbild, um den Maßstab des Bildes zu berechnen.
    HINWEIS: Die berechnete Bildskala betrug 0,1694 mm/Pixel.
  3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ursprung auf der Symbolleiste. legen Sie den Ursprung der Koordinaten für jedes Bild fest.
  4. Extrahieren Sie die Verschiebungszeitreihen der vibrierenden Pipeline aus den aufgezeichneten Bildern.
    1. Laden Sie die rohen Bilder, die in Schritt 6 aufgenommen wurden. Klicken Sie dann auf das Parameter-Bedienfeld, geben Sie die Anzahl der Datendateien und die Abtastrate ein.
    2. Wenden Sie den Tiefpassfilter im Menü Bildfilter an.
      HINWEIS: Mit diesem Vorgang kann der Rand der Pipeline (Ziel verfolgt) auf den verarbeiteten Bildern leicht erkannt werden (siehe Abbildung 3a).
    3. Klicken Sie in der Symbolleiste auf das PTV-Modul. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Ablaufverfolgungspunkt, und wählen Sie den Mittelpunkt der Pipeline aus. Wechseln Sie zu PTV-Tools, passen Sie Gamma, Light Gate und Median Filter an, um die Pipeline-Umrisslinie im Bild herauszufiltern. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf die Schaltfläche Objektverfolgung. wählen Sie den Zielbereich (d. h. die Pipeline) auf dem verarbeiteten Bild aus, und verfolgen Sie die Verschiebung der vibrierenden Pipeline aus aufeinanderfolgenden verarbeiteten Bildern; erfassen Sie die Verschiebungszeitreihen , (t), der vibrierenden Rohrleitung für nachfolgende Strömungsfelddatenprozesse (siehe Abbildung 4).
    4. Exportieren und speichern Sie die Pipelineverschiebungsdaten für weitere Berechnungen.
  5. Bestimmen Sie die Momentangeschwindigkeitsfelder aus den aufgezeichneten Bildern.
    1. Wechseln Sie zu PTV-Tools, klicken Sie auf Standardtaste, um das Rohbild für die nachfolgende PIV-Analyse fortzusetzen. Deaktivieren Sie das PTV-Modul, indem Sie auf das PTV-Modulklicken. Öffnen Sie das Parameterbedienfeld auf der Symbolleiste. geben Sie den Berechnungsparameter für Geschwindigkeitsvektoren an.
      ANMERKUNG: In dieser Studie wird ein Multi-Pass-Iterationsprozess als Abfragefenster übernommen, die von 32 x 32 Pixeln ausgingen, dann mit 16 x 16 Pixeln übergeben und mit 8 x 8 Pixeln endeten; Alle Durchläufe verwenden eine 50%ige Überlappung zwischen benachbarten Unterfenstern.
    2. Wenden Sie die Laplacian-Filterfunktion im Bildfiltermenü auf die Rohbilder an, um die Säpartikel hervorzuheben und unerwünschtes Streulicht herauszufiltern (siehe Abbildung 3c).
    3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Begrenzung auf der Symbolleiste, und legen Sie die geometrische Maske auf den Bildern fest, um den Meeresbodenbereich für die weitere Berechnung auszuschließen. Klicken Sie auf Die Schaltfläche Grenzspeichern, um die Begrenzungsdaten zu speichern.
    4. Klicken Sie auf der Symbolleiste auf die Schaltfläche Ausführen, um die Momentangeschwindigkeitsfelder für verschiedene Vibrationsphasen mithilfe der Kreuzkorrelationsmethode zu berechnen.
      ANMERKUNG: In dieser Studie wird ein Mehrzeitintervallalgorithmus verwendet, um den Verzerrungsfehler aufgrund eines hohen Geschwindigkeitsgradienten im Strömungsfeld zu reduzieren (siehe Abbildung 5). Die angenommenen Mehrzeitintervalle für Kreuzkorrelationsberechnungen betragent, t,t , 9t und 21t (t = 5 ms). Das zufriedenstellende Korrelationskriterium liegt bei über 70 %.
    5. Exportieren und speichern Sie die Daten der Instant-Geschwindigkeitsfelder für die weitere Analyse.
  6. Bestimmen Sie die phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder aus den berechneten Momentgeschwindigkeitsfeldern mit dem Algorithmus, wie in Newland 199429,30 und Hsieh 200828beschrieben.
    HINWEIS: Die Berechnungsverfahren für diesen Schritt werden wie folgt beschrieben:
    1. Wenden Sie die Wavelet-Transformationsfunktion auf die Verschiebungszeitreihe (t) der vibrierenden Rohrleitung an, um die momentane Phase für jedes Momentane-Geschwindigkeitsfeld zu erhalten. Die Wavelet-Transformationsfunktion ist definiert als:
      figure-protocol-1(1)
      wobei w-Wert der Wellen-Koeffizient ist; die Maßstabs- bzw. Übersetzungsparameter sind; die Funktion ist die Morlet-Funktion figure-protocol-2 und wird als berechnet; das Hochgestellte "*" bezeichnet das komplexe Konjugat. Die momentanen Phasen der vibrierenden Rohrleitung, die den verschiedenen Rohrleitungsverschiebungen entsprechen, können berechnet werden aus:
      figure-protocol-3(2)
    2. Durchschnitten Sie die Momentangeschwindigkeitsfelder mit derselben Phase, um die phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder zu erhalten.
    3. Bestimmen Sie die Strömungsvortizität,2, in den berechneten phasengemittelten Geschwindigkeitsfeldern aus:
      figure-protocol-4(3)
      wobei figure-protocol-5 figure-protocol-6 und sind phasengemittelte Geschwindigkeiten entlang x- und y-Richtungen.
  7. Laden Sie die berechneten phasengemittelten Geschwindigkeits- und Wirbeldaten zur Visualisierung in die Tecplot-Software.
  8. Bestimmen Sie die Grenznahspannung und die Normalspannungen aus den berechneten Momentgeschwindigkeitsfeldern mit dem Algorithmus, wie in Hsieh et al. 2016 9beschrieben. Die Berechnungsverfahren für diesen Schritt werden wie folgt beschrieben:
    1. Extrahieren Sie die Grenzgeschwindigkeitsdaten (0-5 mm über dem Meeresboden) aus den berechneten phasengemittelten Geschwindigkeitsflussfeldern.
    2. Berechnen Sie die grenznahen Scherspannungen, ts und normalspannungen, tn, entlang des Scheuerprofils (ca. 2 mm über der Scheuerlochgrenze) für verschiedene Phasen innerhalb eines Vibrationszyklus. Anmerkung: Die Berechnungsgleichungen lauten wie folgt:
      figure-protocol-7, figure-protocol-8 (4)
      wobei , n = dynamische Viskosität der Flüssigkeit (hier in der Als 1-10-3 Pas) aufgenommen; up = Grenzgeschwindigkeit parallel zum Bett; un = Grenzgeschwindigkeit senkrecht zum Bett; n = normaler Abstand vom Bett.
  9. Laden Sie die berechneten Grenznahrist- und Normalspannungendaten in eine Software (z.B. Tecplot) zur Visualisierung.

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Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ein Beispiel für den Vergleich zwischen dem Rohbild und dem verarbeiteten Bild der Pipelineverschiebungsverfolgung und der sofortigen Geschwindigkeitsberechnung ist in Abbildung 3dargestellt. Wie in Abbildung 3bdargestellt, werden die Säpartikel und das Rauschen im Rohbild herausgefiltert und die glänzende Rohrleitungskante beibehalten, um die Verschiebungszeitreihen zu erhalten. Wie in den Abbildungen 3cdargestellt, werden Lich...

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Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das in diesem Beitrag vorgestellte Protokoll beschreibt eine Methode zur Visualisierung der zweidimensionalen Strömungsfelder und zur Bestimmung der grenznahen Strömungsspannungsfelder um eine erzwungene vibrierende Rohrleitung in einem Gleichgewichtsgeißel mit den PIV-Techniken. Da die entworfene Rohrleitungsbewegung entlang der y-Richtung eindimensional ist, sind die Vorbereitung und Anpassung des Rohrleitungsmodells und des Schwingungssystems zur Erfüllung dieses Ziels entscheidende Voraussetzungen für ein e...

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Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde vom Young Scientists Fund der National Natural Science Foundation of China (51709082) und den Fundamental Research Funds for the Central Universities (2018B13014) unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
KamerasteuerungssoftwareVision ResearchPhantom PCC 2.6Kamerasteuerung, Bilddatenerfassung und -verarbeitung
KameraobjektivNikon ChiyodaNikor  60mm, f=2,8 Festbrennweite
Dauerstrichlaser Peking Laserwave Optoelektronik Technologie Co., Ltd.PIV-Laserquelle; Nd:YAG-Laser, 532 nm; Luftkühlung
HochgeschwindigkeitskameraVision Research PhantomMiro LAB 320Bilddatenerfassung
Laser-Sheetforming-OptikenThorlabs IncVerwandeln Sie den Punktlaser in eine dünne Laserplatte
Pipeline-ModellZONCEPZ SOLUTIONSAcrylzylinder mit einem Durchmesser von 35
mm Pipeline-VibrationssystemZONCEPZ SOLUTIONSBesteht aus einem Trennmotor, zwei Verbindungsfedern und Rohrleitungsstützrahmen.
PIV-BerechnungssoftwareAXESEA Engineering Technology Limited Co.PISIOUBilddatenverarbeitung zur Ermittlung von Strömungsfeldern und Rohrleitungsverdrängungen
PIV-SämaterialienShimakyuAluminiumpulver mit einem Durchmesser von 10 μm
UmlaufrinneSZU ENGINEERING PTE LTDGlasseitiges, 11 m langes, 0,6 m breites und 0,6 m
tiefes DreibeinstativMANFROTTOSKU MT190GOC4US 410Camara Unterstützung

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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 submarine pipelines. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (5), 04016003(2016).
  3. Chiew, Y. Mechanics of local scour around submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 116 (4), 515-529 (1990).
  4. Chiew, Y. Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 117 (4), 452-466 (1991).
  5. Gao, F. -P., Yang, B., Wu, Y. -X., Yan, S. -M. Steady current induced seabed scour around a vibrating pipeline. Applied Ocean Research. 28 (5), 291-298 (2006).
  6. Wu, Y., Chiew, Y. Mechanics of three-dimensional pipeline scour in unidirectional steady current. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice. 4 (1), 3-10 (2013).
  7. Zhu, Y., Xie, L., Su, T. -C. Visualization tests on scour rates below pipelines in steady currents. Journal of Hydraulic Engineering. 145 (4), 04019005(2019).
  8. Guan, D., Hsieh, S. -C., Chiew, Y. -M., Low, Y. M. Experimental study of scour around a forced vibrating pipeline in quiescent water. Coastal Engineering. 143, 1-11 (2019).
  9. Hsieh, S. -C., Low, Y. M., Chiew, Y. -M. Flow characteristics around a circular cylinder subjected to vortex-induced vibration near a plane boundary. Journal of Fluids and Structures. 65, 257-277 (2016).
  10. Sumer, B., Fredsøe, J. Scour below pipelines in waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 116 (3), 307-323 (1990).
  11. Sumer, B. M., Fredsøe, J., Gravesen, H., Bruschi, R. Response of marine pipelines in scour trenches. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 115 (4), 477-496 (1989).
  12. Çevik, E., Yüksel, Y. Scour under submarine pipelines in waves in shoaling conditions. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 125 (1), 9-19 (1999).
  13. Sumer, B. M., Truelsen, C., Sichmann, T., Fredsøe, J. Onset of scour below pipelines and self-burial. Coastal Engineering. 42 (4), 313-335 (2001).
  14. Li, F., Cheng, L. Prediction of lee-wake scouring of pipelines in currents. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 127 (2), 106-112 (2001).
  15. Yang, B., Gao, F. -P., Jeng, D. -S., Wu, Y. -X. Experimental study of vortex-induced vibrations of a pipeline near an erodible sandy seabed. Ocean Engineering. 35 (3), 301-309 (2008).
  16. Zhao, M., Cheng, L. Numerical investigation of local scour below a vibrating pipeline under steady currents. Coastal Engineering. 57 (4), 397-406 (2010).
  17. Fu, S., Xu, Y., Chen, Y. Seabed effects on the hydrodynamics of a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration at high reynolds number. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 140 (3), 04014008(2014).
  18. Guo, Z., Jeng, D. -S., Zhao, H., Guo, W., Wang, L. Effect of seepage flow on sediment incipient motion around a free spanning pipeline. Coastal Engineering. 143, 50-62 (2019).
  19. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  20. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. Berlin Heidelberg. (2007).
  21. Piirto, M., Saarenrinne, P., Eloranta, H., Karvinen, R. Measuring turbulence energy with piv in a backward-facing step flow. Experiments in Fluids. 35 (3), 219-236 (2003).
  22. Guan, D., Chiew, Y. -M., Wei, M., Hsieh, S. -C. Characterization of horseshoe vortex in a developing scour hole at a cylindrical bridge pier. International Journal of Sediment Research. , (2018).
  23. Guan, D., Agarwal, P., Chiew, Y. -M. Quadrant analysis of turbulence in a rectangular cavity with large aspect ratios. Journal of Hydraulic Engineering. 144 (7), 04018035(2018).
  24. Kim, J. -T., Kim, D., Liberzon, A., Chamorro, L. P. Three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications: Case of a jet flow. Journal of Visualized Experiments. (108), e53745(2016).
  25. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. (76), e50559(2013).
  26. Lin, W. -J., Lin, C., Hsieh, S. -C., Dey, S. Flow characteristics around a circular cylinder placed horizontally above a plane boundary. Journal of Engineering Mechanics. 135 (7), 697-716 (2009).
  27. Hsieh, S. -C., Low, Y. M., Chiew, Y. -M. Flow characteristics around a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration in the initial branch. Ocean Engineering. 129, 265-278 (2017).
  28. Hsieh, S. -C. Establishment of high time-resolved piv system with application to the characteristics of a near wake flow behind a circular cylinder. National Chung Hsing University. , (2008).
  29. Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 1-theory. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 409-416 (1994).
  30. Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 2-wavelet maps. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 417-425 (1994).
  31. Lin, C., Hsieh, S. -C., Lin, W. -J., Raikar, R. V. Characteristics of recirculation zone structure behind an impulsively started circular cylinder. Journal of Engineering Mechanics. 138 (2), 184-198 (2012).
  32. Sarpkaya, T. A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations. Journal of Fluids and Structures. 19 (4), 389-447 (2004).

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Vibrating PipelineEquilibrium Scour HoleFlow Field VisualizationParticle Image VelocimetryPipeline Vibration SystemNear Boundary StressesFlume ExperimentVortex Induced VibrationVelocity Field MeasurementSeabed Erosion

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