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

Dieses experimentelle Protokoll besteht darin, die Detailflussfelder und den nahen Grenzanteil an normalen Spannungen innerhalb eines Gleichgewichtsgeißlochs zu visualisieren, das durch eine erzwungene vibrierende Pipeline induziert wird. Der Hauptvorteil dieser Messtechnik ist ihre Fähigkeit, gleichzeitig Rohrleitungsdynamik, Strömungsfelder und Grenzströmungsspannungen in hoher Auflösung zu erhalten. Durch die Verwendung dieser Technik können eingehendere Untersuchungen des zweidimensionalen Strömungsfeldes in einer komplexen Umgebung durchgeführt werden, um den Scheuermechanismus besser zu verstehen.

Das Experiment findet in einem 11 Meter langen Rauch statt. Der Querschnitt ist quadratisch mit einer Seitenlänge von 0,6 Metern. Diese schematische Ansicht des Flumes bietet zusätzliche Details, einschließlich der Position eines erodierbaren Meeresbodenmodells.

Der Wasserstand liegt 0,4 Meter über dem Meeresboden. Verwenden Sie im Meeresbodenmodell gleichmäßig verteilten Mittelsand, der verdichtet und eingeebnet wurde. Haben Sie die Struktur für das Vibrationssystem über dem Flume an Ort und Stelle.

Dieser besteht aus einem festen Rahmen, der auf den oberen Schienen des Flusses verriegelt ist. Der feste Rahmen hat einen beweglichen Pol, der einen Aluminiumrahmen unterstützt. Das Aluminium, das den Rahmen stützt, hält das Rohrleitungsmodell über dem Meeresbodenmodell im Flume.

Dieser Schaltplan bietet einen Überblick über das Setup. Beachten Sie, dass es vier Lager gibt, die sicherstellen, dass der Aluminium-Stützrahmen nur vertikal vibrieren kann. Eine Verbindungsstange zwischen dem beweglichen Pol und einem Servomotor treibt die Bewegung des Aluminiumrahmens an.

Das Setup hängt von der Rohrgeometrie ab. Dieses Duplikat des Acryl-Pipelinemodells hat einen Durchmesser von 35 Millimetern. Passen Sie den Stützrahmen und den Pol so an, dass der Boden der Rohrleitung einen Durchmesser über der ursprünglichen Meeresbodenoberfläche hat.

Respektieren Sie alle Lasersicherheitsprotokolle und beginnen Sie mit der Arbeit mit dem Laser. Platzieren Sie den 532 Nanometer Laser und die Optik für die Velocimetrie auf dem Fluss. Die Optik enthält Elemente, um ein Beleuchtungsblatt zu bilden.

Passen Sie mit dem Anschalten des Lasers die Optik so an, dass im Interessenbereich des Flumes eine flache Beleuchtungsplatte gebildet wird. Das Blatt sollte entlang der Rauchmitte und parallel zu seinen Seitenwänden sein. Diese schematischen Front- und Seitenansichten zeigen die Position des Lasers und der Optik sowie das erstellte Laserblatt im Setup an.

Als nächstes richten Sie die Kamera des Partikelbild-Velocimetrie-Geräts ein. Verwenden Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit der entsprechenden Brennweite, die senkrecht zum Laserblech gerichtet ist. Schließen Sie die Kamera mit der richtigen Steuerungssoftware an einen Computer an.

Passen Sie das Sichtfeld mit eingeschalteter Kamera an, um sicherzustellen, dass der Fluid-Meeresbodenbereich der Pipeline sichtbar ist und das Bild klar ist. Um das Setup zu kalibrieren, beginnen Sie mit den Säpartikeln. Dieses Aluminiumpulver bietet Partikel mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern.

Fügen Sie etwa 20 Gramm Säpartikel in den Testabschnitt des Flumes. Stellen Sie sicher, dass die Kamera die Säpartikel in den scharfen Fokus rückt. Platzieren Sie dann ein Kalibrierlineal innerhalb des Sichtfeldes auf der Laserblattebene, und erfassen Sie ein Kalibrierbild.

Nachdem Sie eine Abtastrate für die Datenerfassung ausgewählt haben, schalten Sie den Laser und die Kamera aus. Für das Experiment erhalten Sie eine transparente Acrylplatte. Unterstützen Sie es über das Prüfstand unter der Laserquelle und auf der Wasseroberfläche, um Oberflächenschwankungen zu unterdrücken.

Dieses Diagramm enthält Details zur Verwendung von Strings, die an den Flauschschienen befestigt sind, um die Platte in diesem Setup zu unterstützen. Schalten Sie als Nächstes den Servomotor am Rahmen ein. Dies wird beginnen, erzwungene Vibrationen auf dem Pipeline-Modell zu induzieren.

Halten Sie das Vibrationssystem 24 Stunden am Laufen. Schalten Sie nach 24 Stunden den Laser ein, um das Lichtblatt zu erstellen. Starten Sie die Kamera und ihre Steuerungssoftware mit den kalibrierten Einstellungen.

Schalten Sie dann die Lichter aus, und beginnen Sie mit der Datenerfassung. Überprüfen Sie nach der Erfassung der Daten, ob die Partikeldichte für 32 mal 32 Pixel größer als acht ist, bevor Sie zusätzliche Datasets sammeln. Sobald alle Datensätze gesammelt wurden, beginnen Sie mit der Datenverarbeitung.

Arbeiten Sie mit der Partikelbild-Velocimetrie-Software, wobei das Kalibrierbild geöffnet ist. Wechseln Sie als Nächstes zur Symbolleiste und klicken Sie auf die Schaltfläche "Einrichtung skalieren". Verschieben Sie die Querhaare auf eine Markierung auf dem Bild des Lineals, und markieren Sie es.

Markieren Sie als Nächstes eine zweite Markierung auf dem Bild des Lineals. Geben Sie im Dialogfeld, das sich öffnet, den Abstand zwischen den Markierungen entsprechend dem Lineal ein. Beachten Sie den Maßstab, der berechnet wird.

Kehren Sie zur Symbolleiste zurück, und klicken Sie auf die Ursprungsschaltfläche. Verwenden Sie von dort aus die Maus, um den Ursprung der Koordinaten für alle Datenbilder festzulegen. Klicken Sie auf Ja, wenn Sie fertig sind.

Klicken Sie dann auf das Dateimenü und laden Sie das erste der Rohbilder, die als Daten gesammelt wurden. Überprüfen Sie, ob auf die anderen Dateien zugegriffen werden kann, kehren Sie jedoch zur ersten Datei zurück. Klicken Sie als Nächstes auf das Parametermenü.

Geben Sie im Dialogfeld die Anzahl der Datendateien und die Abtastrate ein, um alle Bilder zu laden. Speichern Sie die Werte, und schließen Sie das Feld. Wechseln Sie nun zum Bildfiltermenü.

Wenden Sie dort den Tiefpassfilter an. Klicken Sie in der Symbolleiste auf das PTV-Modul. Folgen Sie diesem Beispiel, indem Sie auf Ablaufverfolgungspunkt klicken.

Suchen Sie dann im Bild den Mittelpunkt in der rechten Hälfte des Pipelineumfangs, und wählen Sie ihn aus. Okay, die Auswahl, bevor Sie auf PTV-Tools in der Symbolleiste klicken. Passen Sie im geöffneten Dialogfeld die Einstellungen für Gamma, Lichttor und Medianfilter an, um die Rohrleitungskontur im Bild herauszufiltern.

Nachdem Sie die Änderungen genehmigt haben, klicken Sie auf die Schaltfläche Objektverfolgung. Verwenden Sie die Maus, um einen identifizierbaren Teil der Pipeline auf dem verarbeiteten Bild auszuwählen. Sobald dies geschehen ist, verfolgt die Software die Verschiebung in den Bildern und zeichnet die Zeitreihen auf.

Nachdem die Daten gespeichert wurden, gehen Sie zu PTV-Tools und klicken Sie auf. Klicken Sie im Dialogfeld auf die Standardschaltfläche und OK, um das Rohbild für die nachfolgende Analyse wiederherzustellen. Klicken Sie auf das PTV-Modul, um das Modul zu deaktivieren.

Bleiben Sie in der Symbolleiste, und öffnen Sie das Parameterfenster. Überprüfen Sie den Parameter für die Berechnung des Geschwindigkeitsvektors und andere, bevor Sie das Dialogfeld schließen. Wechseln Sie dann zum Bildfiltermenü.

Wenden Sie eine Laplacian-Filterfunktion auf die Rohbilder an, um die Säpartikel hervorzuheben und unerwünschtes Streulicht herauszufiltern. Kehren Sie nun zur Symbolleiste zurück und klicken Sie auf die Grenze. Verwenden Sie die Maus, um die geometrische Maske auf den Bildern festzulegen, um den Meeresbodenbereich auszuschließen.

Bestätigen Sie, dass die Grenze festgelegt wurde. Klicken Sie anschließend auf Grenzenspeichern, um die Begrenzungsdaten zu speichern. Gehen Sie schließlich zur Symbolleiste und klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen, um die Momentgeschwindigkeitsfelder mithilfe der Kreuzkorrelationsmethode zu berechnen.

Exportieren und speichern Sie die Daten des Instantaneous Velocity-Feldes für weitere Analysen. Dies ist ein Bild eines Quasi-Gleichgewicht Scour Profil und vibrierende Pipeline nach 24 Stunden Pipeline Vibration aufgenommen. Der Ursprung für die Analyse wird am Schnittpunkt an der ursprünglichen Meeresbodenoberfläche und der vertikalen Rohrleitungslinie festgelegt.

Säpartikel sind sichtbar, aber nur sehr wenige Sedimentpartikel werden im Fluss suspendiert, was darauf hindeutet, dass sich das System in einem Quasi-Gleichgewichtsstadium befindet. Die mit dem Protokoll gesammelten Daten ermöglichen die Visualisierung des phasengemittelten Geschwindigkeitsfelds und der Wirbeldynamik. Dieses Video besteht aus 72 Rahmen von Strömungsfeldern aus einem Pipeline-Vibrationszyklus.

Diese Methode kann auch angewendet werden, um Wirbel-induzierte Schwingungsprozesse wie Pipeline-Vibrationen zu untersuchen, die durch Asymmetriewirbelabwurf induziert werden.