Artículo de método

Visualización del campo de flujo alrededor de una tubería vibratoria dentro de un agujero de barrido de equilibrio

DOI:

10.3791/59745

⸱

26 de agosto de 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

En este artículo

Resumen

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El objetivo del protocolo es permitir la visualización de los campos de flujo detallados y la determinación de la cizalladura cercana al límite y las tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria.

Resumen

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

En este documento se presenta un método experimental para facilitar la visualización de los campos de flujo detallados y la determinación de la cizalladura casi límite y las tensiones normales dentro de un orificio de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria. Este método implica la implementación de un sistema de vibración de tuberías en un flujo recto, un sistema de velocimetría de imagen de partículas (PIV) resuelto en el tiempo para el seguimiento del desplazamiento de la tubería y mediciones de campos de flujo. Las series temporales de desplazamiento de la canalización vibratoria se obtienen mediante los algoritmos de correlación cruzada. Se describen los pasos para procesar imágenes con partículas crudas cargados obtenidos mediante el PIV resuelto en el tiempo. Los campos de flujo instantáneodetallados alrededor de la tubería vibratoria en diferentes fases vibratorias se calculan mediante el uso de un algoritmo de correlación cruzada de intervalo de tiempo múltiple para evitar el error de sesgo de desplazamiento en las regiones de flujo con un gradiente de velocidad grande . Al aplicar la técnica de transformación de la leta de onda, las imágenes capturadas que tienen la misma fase vibratoria se catalogan con precisión antes de obtener los campos de velocidad promediados por fase. Las principales ventajas de la técnica de medición de flujo descrita en este documento son que tiene una resolución temporal y espacial muy alta y se puede utilizar simultáneamente para obtener la dinámica de tubería, los campos de flujo y las tensiones de flujo casi límite. Mediante el uso de esta técnica, se pueden realizar estudios más detallados del campo de flujo de 2 dimensiones en un entorno complejo, como el que rodea una tubería vibratoria, para comprender mejor el sofisticado mecanismo de escariado asociado.

Introducción

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

Las tuberías submarinas se utilizan ampliamente en entornos offshore con el propósito de transportar productos fluidos o hidrocarbonos. Cuando se coloca una tubería en un fondo marino erosionable, es probable que se forme un agujero alrededor de la tubería debido a las ondas, corrientes o movimientos dinámicos de la propia tubería (vibración forzada o vibración inducida por vórtice)1,2. Para mejorar la comprensión del mecanismo de escudería alrededor de una tubería submarina, las mediciones de los campos de flujo turbulento y las estimaciones de la cizalla duradel lecho y las tensiones normales dentro de la región de interacción entre los fluidos y los fondos marinos son esenciales medidas del orificio de escarcha dimensión1,2,3 ,4,5,6,7. En un entorno donde la cizalladura del lecho y las tensiones normales son extremadamente difíciles de determinar porque el campo de flujo es inestable y el límite inferior es áspero, las tensiones instantáneas cercanas a las tensiones (aproximadamente 2 mm por encima del límite) podrían ser utilizado como su sustituto8,9. En las últimas décadas, se ha estudiado y publicado una tubería vibratoria sin presentar cuantitativamente los valoresde los sofisticados campos de flujo alrededor de la tubería dentro del agujero 3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Por lo tanto, el objetivo de este papel de método es proporcionar un protocolo experimental novedoso para visualizar los campos de flujo detallados y determinar la cizallacasiy casi límite y las tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria forzada. Cabe señalar que el proceso de interacción oleoducto-fluido-semillero en este estudio está en un ambiente de agua en reposo en lugar de aquellos con corrientes y ondas unidireccionales.

Este método experimental consta de dos componentes importantes, a saber, (1) simulación de vibraciones de tubería (forzadas); y (2) mediciones de los campos de flujo alrededor de la tubería. En el primer componente, la tubería vibratoria se simuló en un flujo experimental mediante el uso de un sistema de vibración, que tiene un servomotor, dos muelles de conexión y marcos de soporte de tubería. Se pueden simular diferentes frecuencias y amplitudes de vibración ajustando la velocidad del motor y la ubicación de los muelles de conexión. En el segundo componente, se adoptaron las técnicas de transformación de la imagen de partícula (PIV) y de la onda resueltas en el tiempo para obtener datos de campo de flujo de resolución temporal y espacial elevados en diferentes fases de vibración de tubería. El sistema PIV resuelto en el tiempo consiste en un láser de onda continua, una cámara de alta velocidad, partículas de sembración y algoritmos de correlación cruzada. Aunque las técnicas PIV se han utilizado ampliamente en la obtención de campos de flujo turbulento constante19,20,21,22,23,24,25, aplicaciones en condiciones complejas de campo de flujo inestable, como casos de interacción de tuberías-fluidos-fondos marinos, son relativamente limitadas8,9,26,27. La razón es probablemente porque el algoritmo tradicional de correlación entre intervalos de tiempo único de las técnicas PIV es incapaz de capturar con precisión las entidades de flujo en campos de flujo inestable donde hay un gradiente de velocidad relativamente alta9, 20. El método descrito en este documento puede resolver este problema utilizando el algoritmo de correlación cruzada de intervalo múltiple9,28.

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Protocolo

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

1. Comprobación de seguridad de laboratorio

  1. Revise las normas de seguridad relativas al uso del sistema láser y de combustión.
  2. Asegurarse de que se han cumplido los requisitos de formación en seguridad del laboratorio.
    NOTA: En este experimento, se utiliza un conjunto de láser de onda continua de enfriamiento de aire de 5W con una longitud de onda de 532 nm y un flujo recto de lado de vidrio (Figura1) con dimensiones de 11 m de longitud, 0,6 m de ancho y 0,6 m de profundidad. Las recomendaciones básicas de seguridad para estos dos aparatos son las siguientes:
    1. Compruebe las superficies de reflexión potenciales en la línea de visión láser antes de la prueba; usar gafas de seguridad cuando utilice el dispositivo láser.
    2. Evite tener ojos a nivel del rayo láser durante los experimentos y tenga cuidado con las luces láser reflejadas al manipular los elementos ópticos o herramientas reflectantes.
    3. Asegúrese de que la manguera de agua no se caiga y de que siempre no haya agua desbordada del flujo.

2. Configuración del modelo de Flume y fondos marinos

  1. Prepare el modelo de lecho marino erosionable situado en el centro del flujo.
    NOTA: El material de sedimento utilizado en este estudio fue una arena media distribuida uniformemente con un tamaño medio de grano d50 x 0,45 mm, densidad de partículas sumergidas relativa s 1,65 y desviación estándar geométrica deg a 1,30.
  2. Compactar y nivelar el fondo marino utilizando un nivelador de arena.
  3. Llene lentamente el flujo con una manguera de agua y asegúrese de que una superficie plana del lecho marino esté intacta durante el proceso de llenado; dejar de llenar cuando el nivel del agua ha alcanzado una profundidad de 0,4 m por encima del fondo marino.
  4. Borre la plataforma superior y el vidrio para configurar el modelo de tubería y el sistema PIV.

3. Configuración del modelo de tubería y del sistema de vibración

  1. Utilice un modelo de tubería prefabricado en forma de cilindro de acrílico con un diámetro de 35 mm y una longitud de 0,56 m.
  2. Montar el modelo de tubería en un marco de soporte de aluminio, que, a su vez, está conectado por dos muelles a un poste movible en otro marco fijo que está bloqueado en los rieles superiores del flujo, como se ilustra en la Figura2. Fijar el marco de soporte dentro del marco fijo mediante el uso de cuatro rodamientos para asegurarse de que el marco de soporte podría vibrar libremente sólo a lo largo de la dirección vertical (Figura2).
  3. Utilice una biela para atar el poste movible a un servomotor montado en la parte superior del bastidor fijo. En este estudio, el peso del sistema vibratorio ensamblado, incluyendo el modelo de tubería y los marcos dealuminio, es de 1.445 kg, que tiene una relación de masa equivalente (m *) de 2.682; una frecuencia natural (fN) de 0,82 Hz; y la relaciónde amortiguación (-) de 0,124.
  4. Ajuste el polo movible y el bastidor de apoyo para obtener una cierta relación de separación entre la tubería y el fondo marino.  En este estudio, G/D n.o 1, donde G es la distancia vertical entre el fondo de la tubería y la superficie inicial del lecho marino; y D es el diámetro de la tubería.
  5. Encienda el servomotor para inducir una vibración forzada en la tubería; ajuste los bastidores de apoyo y cuatro rodamientos para asegurarse de que la vibración de la tubería está a lo largo de la dirección vertical. Apague el servomotor cuando se hayan completado los ajustes de los bastidores de soporte.
  6. Compactar y nivelar el fondo marino de nuevo antes de ejecutar el experimento si el modelo de fondo marino se ve perturbado en 3.5.

4. Configuración de PIV

  1. Coloque el dispositivo láser en la parte superior del flujo e instale la óptica de formación de láminas láser.
  2. Encienda el dispositivo láser y ajuste la óptica de formación de láminas láser para que se forme una hoja plana iluminada dentro del campo de interés.
    NOTA: En este estudio, la lámina láser verde iluminada es de 1,5 mm de espesor, paralela a las paredes de vidrio de combustión y se lanza hacia abajo en el agua a lo largo de la línea central del flujo. El campo de interés de este estudio se refiere a la región de interacción del fondo de gasoducto-fluido-mar y se limita a la mitad derecha del oleoducto. La sombra de la tubería se verá en la mitad izquierda de la tubería.
  3. Configure la cámara de alta velocidad.
    NOTA: Para este estudio, se utiliza una cámara de alta velocidad con almacenamiento de memoria de 12 gigabytes y una resolución máxima de 2,3 Mpx (1920-1200) (por ejemplo, Phantom Miro LAB 320). Los procedimientos de operación detallados son los siguientes:
    1. Monte la lente con la distancia focal adecuada en la cámara de alta velocidad. Atornille la cámara de alta velocidad en un trípode ajustable en altura; ajustar la cámara al nivel de la región de observación con su eje perpendicular a la hoja láser iluminada.
      NOTA: Este estudio utiliza una lente principal de 60 mm en su apertura máxima de f/2.8.
    2. Conecte la cámara al ordenador mediante un cable Ethernet y encienda el software de control de la cámara (por ejemplo, Phantom PCC 2.6); encienda la cámara y conéctela al ordenador en la interfaz del software de control de la cámara.
    3. Ajuste el trípode para asegurarse de que el campo de visión de la cámara cubre la región de interacción tubería-fluido-mar; nivelar la cámara utilizando el nivel de burbuja incorporado en el trípode; ajuste el anillo de enfoque en la lente para asegurarse de que la hoja láser está clara en el plano focal.

5. Optimización y calibración de la configuración experimental

  1. Agregue partículas de sembración de PIV a la sección de prueba del flujo.
    NOTA: Las partículas de sembrado utilizadas en este estudio fueron polvos de aluminio con un diámetro de 10 m y una densidad específica de 2,7.
  2. Mejorar la intensidad de la luz de la hoja láser si es necesario.
  3. Verifique el enfoque de la cámara observando las partículas de sembración iluminadas en la hoja láser a través de una vista de cámara en vivo en el ordenador; ajuste el anillo de enfoque, si es necesario, para asegurarse de que las partículas de sembración estén afiladas y enfocadas.
  4. Coloque una regla de calibración dentro del campo de visión en el plano de la hoja láser y capture una imagen de calibración.
    NOTA: La resolución adoptada de la imagen en este estudio fue de 1600 x 1200 píxeles.
  5. Seleccione una frecuencia de muestreo adecuada para la recopilación de datos.
    NOTA: La frecuencia de muestreo elegida debe garantizar que el desplazamiento de partículas de sembrado dentro de un par de imágenes sea inferior al 50% de la longitud máxima de la ventana de interrogación. En este estudio, el tamaño máximo de la ventana de interrogación es de 32 x 32 píxeles y la frecuencia de muestreo adoptada es de 200 fotogramas por segundo.
  6. Apague el láser y la cámara cuando se completen los pasos 5.1-5.5.

6. Ejecución del experimento y recopilación de datos

  1. Coloque una placa de acrílico transparente (20 mm de espesor) por debajo de la fuente láser y sobre la superficie del agua, para suprimir las fluctuaciones de la superficie del agua y garantizar un acceso óptico tranquilo para la luz láser.
  2. Encienda el servomotor para inducir vibraciones forzadas en el modelo de tubería.
    NOTA: En este estudio, la frecuencia inducida del servomotor es f0 a 0,3 Hz.
  3. Mantenga el sistema de vibración funcionando durante (t) 1440 min para obtener un agujero de estropajo de cuasi-equilibrio debajo de la tubería vibratoria.
  4. Encienda el láser y ajuste la potencia de salida a la intensidad optimizada. Encienda el software de control de la cámara y la cámara y aplique los ajustes calibrados a la cámara. Apague las luces de fondo en el laboratorio.
  5. Comience a grabar la imagen de campo de flujo cargado de partículas de sembración con la frecuencia de muestreo seleccionada en 5.6 haciendo clic en Capturar fondo en el software de control de software de la cámara.
    NOTA: Por cada grabación de este estudio, el almacenamiento de la cámara permite capturar 1.000 imágenes.
  6. Una vez completada la recopilación de datos, revise la calidad de la imagen registrada y compruebe si la densidad de partículas de sembración por ventana de interrogación (32 x 32 píxeles) es mayor que 8. Guarde el archivo grabado si se satisface, de lo contrario, la densidad de sembración aumenta inyectando lentamente soluciones de solución en la región de observación, y repita los pasos 6.3-6.5.
  7. Repita los pasos 6.3-6.5 para recopilar más conjuntos de datos.
    NOTA: Para este estudio, se tomaron más de 20.000 imágenes para garantizar que se obtuvieran suficientes datos sin procesar para calcular las velocidades de flujo, las vorticidades, las turbulencias y las tensiones casi límites.
  8. Apague el dispositivo láser, la cámara y el motor del servidor cuando se completen todas las colecciones de datos; encienda las luces de fondo en el laboratorio.

7. Procesamiento de datos

  1. Abra el software; haga clic en el botón Carpeta de archivos en la barra de herramientas y cargue la imagen de calibración tomada en el paso 5.4.
    NOTA: Utilice el programa de procesamiento de datos para el seguimiento de desplazamiento de tuberías y el software de cálculo de campos de flujo (por ejemplo, PISIOU).
  2. Haga clic en el botón Configuración de escala de la barra de herramientas; medir una distancia conocida en la imagen de calibración para calcular la escala de la imagen.
    NOTA: La escala de imagen calculada fue de 0,1694 mm/píxel.
  3. Haga clic en el botón Origen de la barra de herramientas; establecer el origen de las coordenadas en cada imagen.
  4. Extraiga la serie temporal de desplazamiento de la tubería vibratoria de las imágenes grabadas.
    1. Cargue las imágenes sin procesar tomadas en el paso 6. A continuación, haga clic en el panel Parámetro, introduzca el número de archivos de datos y la frecuencia de muestreo.
    2. Aplique el filtro Paso bajo en el menú Filtro de imagen.
      NOTA: Esta operación permitirá que el borde de la canalización (se va a rastrear el objetivo) se reconozca fácilmente en las imágenes procesadas (consulte la figura 3a).
    3. En la barra de herramientas, haga clic en el módulo PTV. A continuación, haga clic en el botón Punto de seguimiento, seleccione el punto central de la canalización. Vaya a Herramientas DeP,ajuste Gamma, Puerta de luz y Filtro mediano para seleccionar el contorno de la canalización en la imagen. Haga clic en el botón Seguimiento de objetos de la barra de herramientas; seleccionar la región de destino (es decir, la canalización) en la imagen procesada y realizar un seguimiento del desplazamiento de la canalización vibratoria de imágenes procesadas consecutivas; registrar las series temporales de desplazamiento,s (t), de la tubería vibratoria para los procesos de datos de campo de flujo posteriores (consulte la figura 4).
    4. Exporte y guarde los datos de la serie temporal de desplazamiento de tubería para obtener más cálculos.
  5. Determine los campos de velocidad instantáneos a partir de las imágenes grabadas.
    1. Vaya a Herramientas de PTV, haga clic en el botón Predeterminado para reanudar la imagen sin procesar para el análisis PIV posterior. Desactive el módulo PTV haciendo clic en el módulo PTV. Abra el panel Parámetro en la barra de herramientas; especificar el parámetro de cálculo del vector de velocidad.
      NOTA: En este estudio, se adopta un proceso de iteración de varias pasadas como las ventanas de interrogación, que comenzaron a partir de 32 x 32 píxeles, luego pasaron con 16 x 16 píxeles, y terminaron con 8 x 8 píxeles; todas las pasadas utilizan una superposición del 50% entre las subventanas adyacentes.
    2. Aplique la función de filtro Laplacian en el menú Filtro de imagen a las imágenes sin procesar para resaltar las partículas de sembración y filtrar la luz de dispersión indeseable (consulte la figura 3c).
    3. Haga clic en el botón Límite de la barra de herramientas, establezca la máscara geométrica en las imágenes para excluir la región del fondo marino para su cálculo posterior. Haga clic en el botón Guardar límite para guardar los datos de contorno.
    4. Haga clic en el botón Ejecutar de la barra de herramientas para calcular los campos de velocidad instantánea para diferentes fases vibratorias mediante el método de correlación cruzada.
      NOTA: En este estudio, se adopta un algoritmo de intervalo de tiempo múltiple para reducir el error de sesgo debido al gradiente de alta velocidad en el campo de flujo (consulte la figura 5). Los intervalos de tiempo múltiple adoptados para los cálculos de correlación cruzada sont, 3t, 9t y 21t (t a 5 ms). El criterio de correlación satisfactoria es superior al 70%.
    5. Exporte y guarde los datos de campos de velocidad instantáneos para su posterior análisis.
  6. Determine los campos de velocidad promediados por fases a partir de los campos de velocidad instantánea calculados con el algoritmo descrito en Newland 199429,30 y Hsieh 200828.
    NOTA: Los procedimientos de cálculo para este paso se describen de la siguiente manera:
    1. Aplique la función de transformación de wavelet a la serie temporal de desplazamiento, s(t), de la tubería vibratoria para obtener la fase instantánea para cada campo de velocidad instantánea. La función de transformación de wavelet se define como:
      figure-protocol-1(1)
      donde Wes coeficiente de onda; Los parámetros de escala y traducción, respectivamente; la función á es la función figure-protocol-2 Morlet y se calcula como ; el superíndice "*" denota el complejo conjugado. Las fases instantáneas, s, de la tubería vibratoria que corresponden a los diferentes desplazamientos de tubería se pueden calcular a partir de:
      figure-protocol-3(2)
    2. Promedio de los campos de velocidad instantánea con la misma fase para obtener los campos de velocidad promediados por fase.
    3. Determine la vorticidad del flujo,2, en los campos de velocidad promediados por fase calculados a partir de:
      figure-protocol-4(3)
      donde figure-protocol-5 figure-protocol-6 y son velocidades promediadas por fases a lo largo de las direcciones x e y.
  7. Cargue los datos calculados de velocidad y vorticidad de fase en el software Tecplot para su visualización.
  8. Determine la cizalladura cercana al límite y las tensiones normales a partir de los campos de velocidad instantánea calculados con el algoritmo descrito en Hsieh et al. 2016 9. Los procedimientos de cálculo para este paso se describen de la siguiente manera:
    1. Extraiga los datos de velocidad casi límite (0-5 mm por encima del lecho marino) de los campos de flujo de velocidad promediados por fase calculados.
    2. Calcular las tensiones de cizallamiento casi límites, ts y tensiones normales, tn, a lo largo del perfil de escarcha (aproximadamente 2 mm por encima del límite del agujero de escarcha) para diferentes fases dentro de un ciclo de vibración. Nota: Las ecuaciones de cálculo son las siguientes:
      figure-protocol-7, figure-protocol-8 (4)
      donde, - viscosidad dinámica del líquido (en lo sucesivo, tomada como 1 x 10-3 Pa's); up - velocidad cercana al límite paralela a la cama; un - velocidad cercana al límite perpendicular a la cama; n A una distancia normal de la cama.
  9. Cargue los datos calculados de cizallamiento casi límite y tensiones normales en un software (por ejemplo, Tecplot) para su visualización.

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Resultados

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En la Figura 3se muestra un ejemplo de la comparación entre la imagen sin procesar y la imagen procesada del seguimiento de desplazamientos de tuberías y el cálculo instantáneo de la velocidad. Como se muestra en la Figura 3b, las partículas de sembrado y el ruido de la imagen sin procesar se filtran y se conserva el borde de tubería brillante para obtener la serie temporal de desplazamiento. Como se muestra en las figuras 3c,la...

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Discusión

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

El protocolo presentado en este documento describe un método para la visualización de los campos de flujo bidimensionales y la determinación de los campos de tensión de flujo cercano según la frontera alrededor de una tubería vibratoria forzada en un agujero de barrido de equilibrio mediante el uso de las técnicas PIV. Dado que el movimiento de tubería diseñado es unidimensional a lo largo de la dirección y, preparar y ajustar el modelo de tubería y el sistema de vibración para cumplir este objetivo son requisi...

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Divulgaciones

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

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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

Este trabajo fue apoyado por el Fondo de Jóvenes Científicos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51709082) y los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales (2018B13014).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Software de control de cámaraVision ResearchPhantom PCC 2.6Control de cámara, adquisición y procesamiento de datos de imágenes
Lente de cámaraNikon ChiyodaNikor  60mm, f=2.8 lente prime
Láser de onda continua Beijing Laserwave optoelectronics technology co., ltd.Fuente láser PIV; Láser Nd:YAG, 532 nm; refrigeración por aire
Cámara de alta velocidadVision ResearchPhantom Miro LAB 320Registro de datos de imagen
Óptica de formación de láminas por láser Thorlabs IncTransforme el láser de punto en una lámina láser delgada
Modelo de tuberíaZONCEPZ SOLUTIONSCilindro acrílico con un diámetro de 35 mm
Sistema de vibración de tuberíasZONCEPZ SOLUTIONSConsta de un motor de corte, dos resortes de conexión y marcos de soporte de tuberías.
software de cálculo PIVAXESEA Engineering Technology Limited Co.PISIOUProcesamiento de datos de imágenes para la obtención de campos de flujo y desplazamientos de tuberías Materiales
de siembra PIVShimakyuPolvo de aluminio con un diámetro de 10um
Canal de recirculación SZU ENGINEERING PTE LTDTrípode de 11 m de largo, 0,6 m de ancho y 0,6 m
deMANFROTTOSKU MT190GOC4US 410Camara
profundidad

Referencias

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