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

Este protocolo experimental es para visualizar los campos de flujo de detalle y la cuota de límite cercano en tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria forzada. La ventaja clave de esta técnica de medición es su capacidad para obtener simultáneamente dinámica de tuberías, campos de flujo y tensiones de flujo de límite cercano en alta resolución. Mediante el uso de esta técnica, se pueden realizar estudios más detallados del campo de flujo bidimensional en un entorno complejo para comprender mejor el mecanismo de barrido.

El experimento tiene lugar en un flujo de 11 metros de largo. La sección transversal es cuadrada con una longitud lateral de 0,6 metros. Esta vista esquemática del flume proporciona detalles adicionales, incluida la ubicación de un modelo de fondo marino erosionable.

El nivel del agua es de 0,4 metros por encima del fondo marino. En el modelo de fondo marino, utilice arena media distribuida uniformemente que haya sido compactada y nivelada. Tener la estructura para el sistema de vibración en su lugar sobre el flume.

Consiste en un marco fijo que está bloqueado en los rieles superiores del flume. El marco fijo tiene un poste móvil que soporta un marco de aluminio. El aluminio que soporta el marco sostiene el modelo de tubería por encima del modelo de fondo marino en el flume.

Este esquema proporciona una visión general de la configuración. Tenga en cuenta que hay cuatro rodamientos que aseguran que el bastidor de soporte de aluminio sólo puede vibrar verticalmente. Una biela entre el poste móvil y un servomotor impulsa el movimiento del marco de aluminio.

La configuración depende de la geometría de la tubería. Este duplicado del modelo de tubería de acrílico tiene un diámetro de 35 milímetros. Ajuste el marco y el poste de soporte para que la parte inferior de la tubería sea un diámetro por encima de la superficie inicial del lecho marino.

Respete todos los protocolos de seguridad láser y comience a trabajar con el láser. Coloque el láser y la óptica de 532 nanómetros para la velocimetría en la parte superior del flumo. La óptica incluye elementos para formar una hoja de iluminación.

Con el láser encendido, ajuste la óptica de modo que se forme una hoja plana de iluminación en el campo de interés en el flumo. La lámina debe estar a lo largo del centro del flumo y paralela a sus paredes laterales. Estas vistas frontales y laterales esquemáticas indican la posición del láser y la óptica y la hoja láser creada en la configuración.

A continuación, configure la cámara del aparato de velocimetría de imagen de partícula. Utilice una cámara de alta velocidad con la distancia focal adecuada dirigida perpendicularmente a la hoja láser. Conecte la cámara a un ordenador con el software de control correcto.

Con la cámara encendida, ajuste el campo de visión para asegurarse de que la región de los fondos marinos fluidos de la tubería sea visible y la imagen esté clara. Para calibrar la configuración, comience con las partículas de siembra. Este polvo de aluminio proporciona partículas con un diámetro de 10 micras.

Añadir unos 20 gramos de partículas de siembra a la sección de prueba del flumo. Compruebe que la cámara pone las partículas de siembra en un enfoque nítido. A continuación, coloque una regla de calibración dentro del campo de visión en el plano de la hoja láser y capture una imagen de calibración.

Después de elegir una frecuencia de muestreo para la recopilación de datos, apague el láser y la cámara. Para el experimento, obtenga una placa acrílica transparente. Apoyarlo sobre el banco de pruebas debajo de la fuente láser y sobre la superficie del agua para suprimir las fluctuaciones superficiales.

Este diagrama proporciona detalles del uso de cuerdas unidas a los rieles de flume para apoyar la placa en esta configuración. A continuación, encienda el servomotor del bastidor. Esto comenzará a inducir vibraciones forzadas en el modelo de tubería.

Mantenga el sistema de vibración funcionando durante 24 horas. Después de 24 horas, encienda el láser para crear la hoja de luz. Inicie la cámara y su software de control utilizando los ajustes calibrados.

A continuación, apague las luces y comience la recopilación de datos. Una vez recopilados los datos, compruebe que la densidad de partículas de propagación de la ventana de interrogación de 32 por 32 píxeles sea mayor que ocho antes de recopilar conjuntos de datos adicionales. Una vez recopilados todos los conjuntos de datos, comience el procesamiento de datos.

Trabaje con el software de velocimetría de imagen de partícula con la imagen de calibración abierta. A continuación, vaya a la barra de herramientas y haga clic en el botón de configuración de escala. Mueva los pelos cruzados a una marca en la imagen de la regla y márquela.

A continuación, etiquete una segunda marca en la imagen de la regla. En el cuadro de diálogo que se abre, introduzca la distancia entre las marcas según la regla. Tenga en cuenta la escala que se calcula.

Vuelva a la barra de herramientas y haga clic en el botón de origen. A partir de ahí, utilice el ratón para establecer el origen de las coordenadas de todas las imágenes de datos. Haga clic en Sí cuando haya terminado.

A continuación, haga clic en el menú de archivos y cargue la primera de las imágenes sin procesar que se recopilaron como datos. Compruebe que los demás archivos son accesibles pero vuelvan al primer archivo. A continuación, haga clic en el menú de parámetros.

En el cuadro de diálogo, escriba el número de archivos de datos y la frecuencia de muestreo para cargar todas las imágenes. Guarde los valores y cierre el cuadro. Ahora, vaya al menú de filtro de imagen.

Allí, aplique el filtro de paso bajo. En la barra de herramientas, haga clic en el módulo PTV. Siga esto haciendo clic en punto de seguimiento.

A continuación, en la imagen, busque el punto central en la mitad derecha de la circunferencia de la tubería y selecciónelo. De acuerdo la selección antes de hacer clic en las herramientas de PTV en la barra de herramientas. En el cuadro de diálogo que se abre, ajuste la configuración de gamma, puerta de luz y filtro de mediana para seleccionar el contorno de la canalización en la imagen.

Después de aprobar los cambios, haga clic en el botón de seguimiento de objetos. Utilice el mouse para seleccionar una parte identificable de la canalización en la imagen procesada. Una vez hecho esto, el software rastrea el desplazamiento en las imágenes y registra la serie temporal.

Después de guardar los datos, vaya y haga clic en las herramientas de PTV. En el cuadro de diálogo, haga clic en el botón predeterminado y en Aceptar para recuperar la imagen sin procesar para su posterior análisis. Haga clic en el módulo PTV para desactivar el módulo.

Permanezca en la barra de herramientas y abra el panel de parámetros. Compruebe el parámetro de cálculo del vector de velocidad y otros antes de cerrar el cuadro de diálogo. A continuación, vaya al menú de filtro de imagen.

Aplique una función de filtro laplaciano a las imágenes sin procesar para resaltar las partículas de siembra y filtrar la luz dispersa no deseada. Ahora, vuelva a la barra de herramientas y haga clic en el límite. Utilice el ratón para establecer la máscara geométrica en las imágenes para excluir la región del fondo marino.

Confirme que se ha establecido el límite. Cuando haya terminado, haga clic en Guardar límite para guardar los datos de contorno. Por último, vaya a la barra de herramientas y haga clic en el botón Ejecutar para calcular los campos de velocidad instantáneos utilizando el método de correlación cruzada.

Exporte y guarde los datos del campo de velocidad instantánea para su posterior análisis. Esta es una imagen de un perfil de barrido cuasi-equilibrio y tubería vibratoria tomada después de 24 horas de vibración de la tubería. El origen para el análisis se establece en el punto de intersección en la superficie del lecho marino original y la línea central vertical de la tubería.

Las partículas de siembra son visibles, pero muy pocas partículas de sedimento se suspenden en el flujo, lo que sugiere que el sistema está en una etapa de cuasi-equilibrio. Los datos recopilados con el protocolo permiten visualizar el campo de velocidad promediado de fase y la dinámica de vorticidad. Este vídeo consta de 72 fotogramas de campos de flujo de un ciclo de vibración de tubería.

Este método también se puede aplicar para investigar procesos de vibración inducida por vórtice, como la vibración de tubería inducida por el desprendimiento de vórtice de asimetría.