Name: Visualisation du champ de flux autour dun pipeline vibrant dans un trou déquilibre (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 s
Description: Découvrez la visualisation des champs de flux autour d'un pipeline vibrant dans un trou d'équilibre par vélocimétrie par images de particules. Cette méthode permet de mesurer simultanément la dynamique du pipeline et les contraintes de cisaillement près des parois avec une haute résolution.

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Ces travaux ont été soutenus par le Fonds des jeunes scientifiques de la National Natural Science Foundation of China (51709082) et les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (2018B13014).

1. Vérification de sécurité en laboratoire
<ol><li>Revoir les règles de sécurité relatives à l'utilisation du laser et du système de flume.</li>
	<li>Veiller à ce que les exigences de formation en matière de sécurité du laboratoire soient respectées. REMARQUE : Dans cette expérience, un ensemble de laser à ondes continues de refroidissement à l'air de 5W avec une longueur d'onde de 532 nm et un flume droit vitré (figure1) avec des dimensions de 11 m de longueur, 0,6 m de largeur et 0,6 m de profondeur sont utilisés. Les recommandations de sécurité de base pour ces deux appareils sont les suivantes :<ol>
<li>Vérifier les surfaces de réflexion potentielles dans la ligne de visée laser avant les essais; porter des lunettes de sécurité lors de l'utilisation de l'appareil laser.</li>
		<li>Évitez d'avoir des yeux au niveau du faisceau laser pendant les expériences et faites attention aux lumières laser réfléchies lors de la manipulation des éléments optiques ou des outils réfléchissants.</li>
		<li>Assurez-vous que le tuyau d'arrosage ne tombe pas et qu'il n'y a toujours pas d'eau débordant de la cheminée.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Configuration du modèle flume et fond marin
<ol><li>Préparer le modèle de fond marin érodible situé au milieu de la canalise. REMARQUE : Le matériau sédimentaire utilisé dans cette étude était un sable moyen distribué uniformément avec une taille médiane de grain d50 à 0,45 mm, une densité relative de particules submergées de 1,65 et une déviation géométrique standard de 1,30.</li>
	<li>Compacter et niveler le fond marin à l'aide d'un nivelleur de sable.</li>
	<li>Remplissez lentement le canal avec un tuyau d'arrosage et assurez-vous qu'une surface plane du fond marin est intacte pendant le processus de remplissage; cesser de se remplir lorsque le niveau de l'eau a atteint une profondeur de 0,4 m au-dessus du fond marin.</li>
	<li>Effacer la plate-forme supérieure de canalisation et le verre pour la mise en place du modèle de pipeline et le système PIV.</li>
</ol>
3. Configuration du modèle de pipeline et du système de vibration

<ol><li>Utilisez un modèle de pipeline préfabriqué sous la forme d'un cylindre en acrylique d'un diamètre de 35 mm et d'une longueur de 0,56 m.</li>
	<li>Monter le modèle de pipeline sur un cadre de support en aluminium, qui, à son tour, est relié par deux ressorts à un poteau transportable sur un autre cadre fixe qui est verrouillé sur les rails supérieurs de la cheminée, comme illustré à la figure 2. Fixer le cadre de soutien à l'intérieur du cadre fixe en utilisant quatre roulements pour s'assurer que le cadre de soutien ne pouvait librement vibrer que le long de la direction verticale (Figure 2).</li>
	<li>Utilisez une tige de connexion pour attacher le poteau illisible à un moteur servo monté sur le dessus du cadre fixe. Dans cette étude, le poids du système de vibration assemblé, y compris le modèle de pipeline et lescadres en aluminium, est de 1,445 kg, ce qui a un rapport de masse équivalent (m) de 2,682; une fréquence naturelle (fN) de 0,82 Hz; et le ratio d'amortissementde0,124.</li>
	<li>Ajuster le mât transportable et le cadre de soutien pour obtenir un certain rapport d'écart entre le pipeline et le fond marin.  Dans cette étude, G/D no 1, où G est la distance verticale entre le fond du pipeline et la surface initiale du fond marin; et D est le diamètre du pipeline.</li>
	<li>Allumez le moteur servo pour induire une vibration forcée sur le pipeline; ajuster les cadres de soutien et quatre roulements pour s'assurer que la vibration du pipeline est le long de la direction verticale. Éteignez le moteur servo lorsque les réglages des cadres de soutien sont terminés.</li>
	<li>Compacter et niveler le fond marin à nouveau avant d'exécuter l'expérience si le modèle du fond marin est perturbé en 3.5.</li>
</ol>
4. Configuration PIV

<ol><li>Placez le dispositif laser sur le dessus de la cheminée et installez la feuille laser formant l'optique.</li>
	<li>Allumez l'appareil laser et ajustez la feuille laser formant l'optique de sorte qu'une feuille plate illuminée à l'intérieur du champ d'intérêt soit formée. REMARQUE : Dans cette étude, la feuille laser verte illuminée est de 1,5 mm d'épaisseur, parallèle aux murs de verre de flume et est projetée vers le bas dans l'eau le long de l'alefdeur. Le champ d'intérêt de cette étude fait référence à la région d'interaction du fond marin du pipeline et se limite à la moitié droite du pipeline. L'ombre du pipeline sera visible sur le côté gauche du pipeline.</li>
	<li>Configurez la caméra haute vitesse. REMARQUE : Pour cette étude, une caméra haute vitesse avec stockage de mémoire de 12 gigaoctets et une résolution maximale de 2,3 Mpx (1920 à 1200) est utilisée (p. ex., Phantom Miro LAB 320). Les procédures d'exploitation détaillées sont les suivantes :<ol>
<li>Montez l'objectif avec la longueur focale appropriée sur la caméra à grande vitesse. Visssez la caméra haute vitesse sur un trépied réglable en hauteur; ajuster la caméra au niveau de la région d'observation avec son axe perpendiculaire à la feuille laser illuminée. REMARQUE : Cette étude utilise une lentille de 60 mm à son ouverture maximale de f/2.8.</li>
		<li>Connectez la caméra à l'ordinateur à l'aide d'un câble Ethernet et activez le logiciel de contrôle de la caméra (p. ex., Phantom PCC 2.6); allumer la caméra et la connecter à l'ordinateur dans l'interface logicielle de contrôle de la caméra.</li>
		<li>Ajuster le trépied pour s'assurer que le champ de vision de la caméra couvre la région d'interaction entre le pipeline et le fond marin; niveler la caméra en utilisant le niveau de bulle intégré sur le trépied; régler l'anneau de mise sur la lentille pour s'assurer que la feuille laser est claire sur le plan focal.</li>
	</ol>
</li>
</ol>
5. Optimisation et étalonnage de configuration expérimentale

<ol><li>Ajouter les particules d'ensemencement PIV à la section d'essai du canal. REMARQUE : Les particules d'ensemencement utilisées dans cette étude étaient des poudres d'aluminium d'un diamètre de 10 m et d'une densité spécifique de 2,7.</li>
	<li>Améliorez l'intensité lumineuse de la feuille laser si nécessaire.</li>
	<li>Vérifier le focus de la caméra en observant les particules d'ensemencement illuminées sur la feuille laser à l'utilisation d'une vue de caméra en direct sur l'ordinateur; affiner l'anneau de mise au point, si nécessaire, pour s'assurer que les particules d'ensemencement sont nettes et au point.</li>
	<li>Placez une règle d'étalonnage à l'intérieur du champ de vision sur le plan de la feuille laser et capturez une image d'étalonnage. REMARQUE : La résolution adoptée de l'image dans cette étude était de 1600 à 1200 pixels.</li>
	<li>Sélectionnez un taux d'échantillonnage approprié pour la collecte de données. REMARQUE : Le taux d'échantillonnage choisi devrait garantir que le déplacement des particules d'ensemencement dans une paire d'images est inférieur à 50 % de la longueur maximale de la fenêtre d'interrogatoire. Dans cette étude, la taille maximale de la fenêtre d'interrogatoire est de 32 à 32 pixels et le taux d'échantillonnage adopté est de 200 images par seconde.</li>
	<li>Éteignez le laser et la caméra lorsque les étapes 5.1-5.5 sont terminées.</li>
</ol>
6. Exécution de l'expérience et de la collecte de données

<ol><li>Placez une plaque acrylique transparente (20 mm d'épaisseur) sous la source laser et à la surface de l'eau, afin de supprimer les fluctuations de surface de l'eau et d'assurer un accès optique tranquille à la lumière laser.</li>
	<li>Allumez le moteur servo pour induire des vibrations forcées sur le modèle du pipeline. REMARQUE: Dans cette étude, la fréquence induite du moteur servo est f0 - 0,3 Hz.</li>
	<li>Maintenez le système de vibration fonctionnant pendant (t) 1440 min pour obtenir un trou de parcourant de quasi-équilibre sous le pipeline vibrant.</li>
	<li>Allumez le laser et ajustez la puissance de sortie à l'intensité optimisée. Allumez le logiciel de contrôle de la caméra et de la caméra et appliquez les paramètres calibrés à la caméra. Éteignez les lumières de fond du laboratoire.</li>
	<li>Commencez à enregistrer l'image du champ d'écoulement chargé de particules avec le taux d'échantillonnage sélectionné dans 5.6 en cliquant sur le fond de capture dans le logiciel de contrôle logiciel de la caméra. REMARQUE : Pour chaque enregistrement de cette étude, le stockage de la caméra permet de capturer 1 000 images.</li>
	<li>Une fois la collecte de données terminée, examinez la qualité de l'image enregistrée et vérifiez si la densité des particules d'ensemencement par fenêtre d'interrogatoire (32 à 32 pixels) est supérieure à 8. Enregistrer le fichier enregistré s'il est satisfait, sinon, la densité d'ensemencement est augmentée en injectant lentement des solutions d'ensemencement dans la région d'observation, et répétez les étapes 6.3-6.5.</li>
	<li>Répétez les étapes 6.3-6.5 pour collecter plus de jeux de données. REMARQUE : Pour cette étude, plus de 20 000 images ont été prises pour s'assurer que suffisamment de données brutes sont obtenues pour calculer les vitesses d'écoulement, les vorticités, les turbulences et les contraintes proches des limites.</li>
	<li>Éteignez l'appareil laser, la caméra et le moteur du serveur lorsque toutes les collections de données sont terminées; allumer les lumières de fond du laboratoire.</li>
</ol>
7. Traitement des données

<ol><li>Ouvrez le logiciel; cliquez sur le bouton dossier Fichier sur la barre d'outils et chargez l'image d'étalonnage prise à l'étape 5.4. REMARQUE : Utilisez le programme de traitement des données pour le logiciel de suivi du déplacement des pipelines et de calcul des champs d'écoulement (p. ex., PISIOU).</li>
	<li>Cliquez sur le bouton de configuration scale sur la barre d'outils ; mesurer une distance connue sur l'image d'étalonnage pour calculer l'échelle de l'image. REMARQUE : L'échelle d'image calculée était de 0,1694 mm/pixel.</li>
	<li>Cliquez sur le bouton Origin sur la barre d'outils; définir l'origine des coordonnées sur chaque image.</li>
	<li>Extraire la série temporelle de déplacement du pipeline vibrant des images enregistrées.<ol>
<li>Chargez les images brutes prises à l'étape 6. Cliquez ensuite sur le panneau Paramètres, entrez le nombre de fichiers de données et le taux d'échantillonnage.</li>
		<li>Appliquer le filtre Low pass dans le menu filtre Image. REMARQUE : Cette opération permettra de reconnaître facilement le bord du pipeline (cible à suivre) sur les images traitées (voir la figure 3a).</li>
		<li>Dans la barre d'outils, cliquez sur le module PTV. Cliquez ensuite sur le bouton point de traçage, sélectionnez le point central du pipeline. Passez aux outils PTV, ajustez Gamma, Light Gate et Median Filter pour indiquer le contour du pipeline dans l'image. Cliquez sur le bouton de suivi d'objets sur la barre d'outils; sélectionner la région cible (c.-à-d. le pipeline) sur l'image traitée et suivre le déplacement du pipeline vibrant à partir d'images traitées consécutives; enregistrer la série chronologique de déplacement, (t), du pipeline vibrant pour les processus ultérieurs de données sur le champ d'écoulement (voir la figure 4).</li>
		<li>Exporter et enregistrer les données de la série temporelle de déplacement du pipeline pour d'autres calculs.</li>
	</ol></li>
	<li>Déterminer les champs de vitesse instantanés à partir des images enregistrées.<ol>
<li>Aller aux outils PTV, cliquez sur bouton par défaut pour reprendre l'image brute pour l'analyse PIV ultérieure. Désactiver le module PTV en cliquant sur le module PTV. Ouvrez le panneau de paramètres sur la barre d'outils; spécifier le paramètre de calcul du vecteur de vitesse. REMARQUE : Dans cette étude, un processus d'itération multi-passes est adopté comme fenêtres d'interrogatoire, qui a commencé à partir de 32 x 32 pixels, puis passé avec 16 x 16 pixels, et s'est terminée avec 8 à 8 pixels; tous les laissez-passer utilisent un chevauchement de 50 % entre les sous-fenêtres adjacentes.</li>
		<li>Appliquer la fonction filtre laplacien dans le menu du filtre Image sur les images brutes pour mettre en évidence les particules d'ensemencement et filtrer la lumière de diffusion indésirable (voir Figure 3c).</li>
		<li>Cliquez sur le bouton Boundary sur la barre d'outils, fixez le masque géométrique sur les images pour exclure la région des fonds marins pour un calcul plus approfondi. Cliquez sur le bouton Boundary Save pour enregistrer les données limites.</li>
		<li>Cliquez sur le bouton Exécuter sur la barre d'outils pour calculer les champs de vitesse instantanée pour différentes phases de vibration à l'aide de la méthode de corrélation croisée. REMARQUE : Dans cette étude, un algorithme d'intervalle multi-temps est adopté pour réduire l'erreur de biais due au gradient de vitesse élevé dans le champ d'écoulement (voir La figure 5). Les intervalles de temps multiples adoptés pour les calculs de corrélation croisée sontde3t,9t et 21t (t ' 5 ms). Le critère de corrélation satisfaisant est supérieur à 70 %.</li>
		<li>Exporter et enregistrer les données instantanées des champs de vitesse pour une analyse plus approfondie.</li>
	</ol></li>
	<li>Déterminer les champs de vitesse moyenne en phase à partir des champs de vitesse instantanée calculés avec l'algorithme tel que décrit dans Newland 19,30 et Hsieh 200828. REMARQUE : Les procédures de calcul de cette étape sont décrites comme suit :<ol>
<li>Appliquer la fonction de transformation de l'onde à la série temporelle de déplacement, (t), du pipeline vibrant pour obtenir la phase instantanée pour chaque champ de vitesse instantanée. La fonction de transformation des ondes est définie comme : <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq1.jpg">(1) où West coefficient d'onde; les paramètres d'échelle et de traduction, respectivement; la fonction est la fonction Morlet <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq2.jpg"> et est calculée comme ; le superscript « ô » désigne le conjugué complexe. Les phases instantanées, de la canalisation vibrante qui correspondent aux différents déplacements de pipeline, peuvent être calculées à partir de : <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq3.jpg">(2)</li>
		<li>Moyenne des champs de vitesse instantanée avec la même phase pour obtenir les champs de vitesse moyenne de phase.</li>
		<li>Déterminer la vorticité du débit,no 2, dans les champs de vitesse moyenne de phase calculés à partir de : <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq4.jpg">(3) <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq5.jpg"> où <img alt="Equation v" src="/files/ftp_upload/59745/59745eqv.jpg"> et sont des vitesses moyennes de phase le long des directions x et y.</li>
	</ol></li>
	<li>Chargez les données calculées de vitesse et de vorticité par phase moyenne dans le logiciel Tecplot pour la visualisation.</li>
	<li>Déterminer le cisaillement proche de la frontière et les contraintes normales à partir des champs de vitesse instantanée calculés avec l'algorithme décrit dans Hsieh et al. 2016 9. Les procédures de calcul de cette étape sont décrites comme suit :<ol>
<li>Extraire les données de vitesse proche de la limite (0-5 mm au-dessus du fond marin) des champs d'écoulement de vitesse par phase calculée.</li>
		<li>Calculez les contraintes de cisaillement, les contraintes tet les contraintes normales, tn, le long du profil de récurage (environ 2 mm au-dessus de la limite du trou d'affouillement) pour différentes phases au sein d'un cycle vibrant. Remarque : Les équations de calcul sont les suivantes : <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq7.jpg">, <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq8.jpg"> (4) où, la viscosité dynamique du fluide (ici prise en tant que 1-10-3 Pas); up - vitesse proche de la limite parallèle au lit; un - vitesse proche de la limite perpendiculaire au lit; n - distance normale du lit.</li>
	</ol></li>
	<li>Chargez les données calculées de cisaillement proche de la limite et les contraintes normales dans un logiciel (p. ex., Tecplot) pour la visualisation.</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>
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<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>
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<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>
<li>Guan, D., Chiew, Y. -M., Wei, M., Hsieh, S. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+horseshoe+vortex+in+a+developing+scour+hole+at+a+cylindrical+bridge+pier%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Sediment+Research%22%5BJournal%5D)">Characterization of horseshoe vortex in a developing scour hole at a cylindrical bridge pier.</a> International Journal of Sediment Research. , (2018).</li>
<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>

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Le protocole présenté dans cet article décrit une méthode de visualisation des champs d'écoulement bidimensionnels et la détermination des champs de stress d'écoulement proche de la frontière autour d'un pipeline vibrant forcé dans un trou d'équilibre de récurage en utilisant les techniques De PIV. Étant donné que le mouvement du pipeline conçu est unidimensionnel le long de la direction y, la préparation et l'ajustement du modèle de pipeline et du système de vibration pour atteindre cet objectif sont des condi...

Les pipelines sous-marins sont largement utilisés dans les environnements extracôtiers à des fins de transport de produits fluides ou hydro-carbone. Lorsqu'un pipeline est placé sur un fond marin érodable, un trou de récurage autour du pipeline est susceptible de se former en raison des vagues, des courants ou des mouvements dynamiques du pipeline lui-même (vibration forcée ou vibration induite par le vortex)1,2. Pour améliorer la compréhension du mécanisme d'affouillement autour d'un pipeline sous-marin, des mesures des champs d'écoulement turbulents et des estimations du cisaillement du lit et des contraintes normales dans la région d'interaction entre les fluides et les fonds marins sont essentielles en plus de mesures de la dimension trou d'affouillement1,2,3,4,5,6,7. Dans un environnement où le cisaillement du lit et les contraintes normales sont extrêmement difficiles à déterminer parce que le champ d'écoulement est instable et que la limite inférieure est rugueuse, des contraintes instantanées mesurées (à environ 2 mm au-dessus de la limite) pourraient être utilisé comme leur substitut8,9. Au cours des dernières décennies, l'affouillement autour d'un pipeline vibrant a été étudié et publié sans présenter quantitativement les valeurs des champs d'écoulement sophistiqués autour du pipeline dans le trou de récurage3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Par conséquent, l'objectif de ce document de méthode est de fournir un nouveau protocole expérimental pour visualiser les champs d'écoulement détaillés et de déterminer le cisaillement proche de la frontière et les contraintes normales dans un trou d'équilibre induit par un pipeline vibrant forcé. Il convient de noter que le processus d'interaction entre les pipelines et les fonds marins dans le présent cours de cette étude se trouve dans un environnement aquatique calme plutôt que dans un environnement où il y a des courants et des vagues unidirectionnels.
Cette méthode expérimentale se compose de deux composants importants, à savoir (1) la simulation des vibrations de pipeline (forcées); et (2) les mesures des champs d'écoulement autour du pipeline. Dans le premier composant, le pipeline vibrant a été simulé dans un canal expérimental à l'aide d'un système vibrant, qui a un moteur servo, deux ressorts de raccordement, et des cadres de soutien de pipeline. Différentes fréquences de vibration et amplitudes peuvent être simulées en ajustant la vitesse du moteur et l'emplacement des ressorts de connexion. Dans le deuxième composant, les techniques de velocimétrie d'image de particules résolues dans le temps (PIV) et de transformation des ondes ont été adoptées pour obtenir des données temporelles et spatiales de champ de flux à haute résolution temporelle et spatiale à différentes phases de vibration du pipeline. Le système PIV résolu dans le temps se compose d'un laser à ondes continues, d'une caméra haute vitesse, de particules d'ensemencement et d'algorithmes de corrélation croisée. Bien que les techniques PIV ont été largement utilisés dans l'obtention de champs de flux turbulents réguliers19,20,21,22,23,24,25, les applications dans des conditions complexes de champ d'écoulement instable, telles que les cas d'interaction pipeline-fluides-fonds marins, sont relativement limitées8,9,26,27. La raison en est probablement parce que l'algorithme traditionnel de corrélation croisée à intervalle unique des techniques PIV est incapable de capturer avec précision les caractéristiques de débit dans les champs d'écoulement instables où un gradient de vitesse relativement élevé est présent9, 20. La méthode décrite dans cet article peut résoudre ce problème en utilisant l'algorithme de corrélation croisée à intervalles multiples9,28.

<table><tbody><tr><td>Logiciel de contrôle de caméra</td><td>Vision Research</td><td>Phantom PCC 2.6</td><td>Contrôle de caméra, acquisition et traitement des données d’image</td></tr><tr><td>Objectif de caméra</td><td>Nikon Chiyoda</td><td></td><td>Nikor&nbsp ; 60mm, f=2.8</td></tr><tr><td>objectif principal Laser à ondes continues&nbsp ;</td><td>Beijing Laserwave optoelectronics technology co. ltd.</td><td></td><td>Source laser PIV ; Laser Nd :YAG, 532 nm ; refroidissement par air</td></tr><tr><td>Caméra haute vitesse</td><td>Recherche de vision</td><td>Phantom Miro LAB 320</td><td>Enregistrement des données d’image</td></tr><tr><td>Optique de formation de feuilles laser&nbsp ;</td><td>Thorlabs Inc</td><td></td><td>Transformer le laser ponctuel en une fine feuille laser</td></tr><tr><td>Modèle de pipeline</td><td>ZONCEPZ SOLUTIONS</td><td></td><td>Cylindre acrylique d’un diamètre de 35 mm</td></tr><tr><td>Système de vibration de pipeline</td><td>ZONCEPZ SOLUTIONS</td><td></td><td>Se compose d’un moteur de serveur, de deux ressorts de liaison et de cadres de support de pipeline.</td></tr><tr><td>Logiciel de calcul PIV</td><td>AXESEA Engineering Technology Limited Co.</td><td>PISIOU</td><td>Traitement des données d’image pour l’obtention des champs d’écoulement et des déplacements de canalisations</td></tr><tr><td>Matériaux d’ensemencement PIV</td><td>Shimakyu</td><td></td><td>Poudre d’aluminium d’un diamètre de 10um</td></tr><tr><td>Canal de recirculation&nbsp ;</td><td>SZU ENGINEERING PTE LTD</td><td></td><td>Tri-pod à parois vitrées, 11 m de long, 0,6 m de large et 0,6 m de profondeur</td></tr><tr><td></td><td>MANFROTTO</td><td>SKU MT190GOC4US 410</td><td>Camara support</td></tr></tbody></table>

visualisation du champ de flux autour d'un pipeline vibrant dans un trou d'équilibre

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

Une méthode expérimentale est présentée dans cet article pour faciliter la visualisation des champs d'écoulement détaillés et la détermination du cisaillement proche de la frontière et des contraintes normales dans un trou d'équilibre induit par un pipeline vibrant. Cette méthode implique la mise en œuvre d'un système de vibration de pipeline dans un canal istitule droite, un système de vélocimétrie d'image de particules résolu par le temps (PIV) pour le suivi des déplacements de pipeline et les mesures des champs d'écoulement. Les séries chronologiques de déplacement du pipeline vibrant sont obtenues à l'aide des algorithmes de corrélation croisée. Les étapes de traitement des images chargées de particules brutes obtenues à l'aide du PIV résolu dans le temps sont décrites. Les champs d'écoulement instantanés détaillés autour du pipeline vibrant à différentes phases vibrantes sont calculés à l'aide d'un algorithme de corrélation croisée à intervalles multiples pour éviter l'erreur de biais de déplacement dans les régions de débit avec un gradient de vitesse élevé . En appliquant la technique de transformation des ondes, les images capturées qui ont la même phase vibrante sont cataloguées avec précision avant que les champs de vitesse moyenne de phase ne soient obtenus. Les principaux avantages de la technique de mesure du débit décrite dans cet article sont qu'elle a une résolution temporelle et spatiale très élevée et peut être utilisée simultanément pour obtenir la dynamique du pipeline, les champs d'écoulement et les contraintes de débit proches des limites. En utilisant cette technique, des études plus approfondies du champ d'écoulement bidimensionnel dans un environnement complexe, comme celle autour d'un pipeline vibrant, peuvent être menées pour mieux comprendre le mécanisme d'affouillement sophistiqué associé.

Un exemple de comparaison entre l'image brute et l'image traitée du suivi des déplacements de pipeline et le calcul instantané de la vitesse est illustré à la figure 3. Comme le montre la figure 3b, les particules d'ensemencement et le bruit dans l'image brute sont filtrés et le bord brillant du pipeline est conservé pour obtenir la série chronologique de déplacement. Comme le montre les figures 3c, la lumière se disperse/réflex...

L'objectif du protocole est de permettre la visualisation des champs d'écoulement détaillés et la détermination du cisaillement proche de la frontière et des contraintes normales dans un trou d'équilibre induit par un pipeline vibrant.

Visualisation du champ de flux autour d'un pipeline vibrant dans un trou d'équilibre

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and ...

Ce protocole expérimental est de visualiser les champs d’écoulement des détails et la part proche des limites dans les contraintes normales dans un trou d’affouillement d’équilibre induit par un pipeline vibrant forcé. Le principal avantage de cette technique de mesure est sa capacité à obtenir simultanément la dynamique des pipelines, les champs d’écoulement et les contraintes de débit près des limites en haute résolution. En utilisant cette technique, des études plus approfondies du champ d’écoulement bidimensionnel dans un environnement complexe peuvent être menées pour mieux comprendre le mécanisme d’affouillement.L’expérience se déroule dans un flume de 11 mètres de long. La section transversale est carrée avec une longueur latérale de 0,6 mètres. Cette vue schématique du flume fournit des détails supplémentaires, y compris l’emplacement d’un modèle de fond marin érodable.Le niveau de l’eau est de 0,4 mètre au-dessus du fond marin. Dans le modèle des fonds marins, utilisez du sable moyen uniformément distribué qui a été compacté et nivelé. Avoir la structure pour le système de vibration en place sur le flume.Il s’agit d’un cadre fixe qui est verrouillé sur les rails supérieurs de la flume. Le cadre fixe a un poteau déplaçable qui prend en charge un cadre en aluminium. L’aluminium soutenant le cadre maintient le modèle de pipeline au-dessus du modèle de fond marin dans le flume.Ce schéma donne un aperçu de la configuration. Notez qu’il y a quatre roulements qui assurent que le cadre de soutien en aluminium ne peut vibrer verticalement. Une tige de raccordement entre le poteau mobile et un moteur servo entraîne le mouvement du cadre en aluminium.La configuration dépend de la géométrie du tuyau. Ce double du modèle de pipeline acrylique a un diamètre de 35 millimètres. Ajustez le cadre et le poteau de soutien de sorte que le fond du pipeline se trouve à un diamètre au-dessus de la surface initiale du fond marin.Respectez tous les protocoles de sécurité laser et commencez à travailler avec le laser. Placez le laser et l’optique de 532 nanomètres pour la vélocimétrie au-dessus du flume. L’optique comprend des éléments pour former une feuille d’éclairage.Avec le laser sur, ajuster l’optique de sorte qu’une feuille plate d’éclairage est formé dans le domaine d’intérêt dans le flume. La feuille doit être le long du centre flume et parallèle à ses parois latérales. Ces vues schématiques avant et latérale indiquent la position du laser et de l’optique et la feuille laser créée dans la configuration.Ensuite, installez la caméra de l’appareil de vélocimétrie de l’image des particules. Utilisez une caméra à grande vitesse avec la longueur focale appropriée dirigée perpendiculairement à la feuille laser. Connectez la caméra à un ordinateur avec le logiciel de commande correct.Avec la caméra en place, ajustez le champ de vision pour vous assurer que la région du fond marin fluide du pipeline est visible et que l’image est claire. Pour calibrer la configuration, commencez par les particules d’ensemencement. Cette poudre d’aluminium fournit aux particules un diamètre de 10 microns.Ajouter environ 20 grammes de particules d’ensemencement à la section d’essai du flume. Vérifiez que la caméra met les particules d’ensemencement au point. Ensuite, placez une règle d’étalonnage à l’intérieur du champ de vision sur le plan de la feuille laser et capturez une image d’étalonnage.Après avoir choisi un taux d’échantillonnage pour la collecte de données, éteignez le laser et la caméra. Pour l’expérience, obtenir une plaque acrylique transparente. Soutenez-le sur le lit d’essai sous la source laser et à la surface de l’eau pour supprimer les fluctuations de surface.Ce diagramme fournit des détails sur l’utilisation de cordes attachées aux rails flume pour soutenir la plaque dans cette configuration. Ensuite, allumez le moteur servo sur le cadre. Cela va commencer à induire des vibrations forcées sur le modèle de pipeline.Gardez le système de vibration en marche pendant 24 heures. Après 24 heures, allumez le laser pour créer la feuille de lumière. Démarrez la caméra et son logiciel de contrôle en utilisant les paramètres calibrés.Ensuite, éteignez les lumières et commencez la collecte de données. Une fois les données recueillies, vérifiez que la densité des particules d’ensemencement pour la fenêtre d’interrogation de 32 par 32 pixels est supérieure à huit avant de recueillir des ensembles de données supplémentaires. Une fois que tous les ensembles de données ont été collectés, commencer le traitement des données.Travaillez avec le logiciel de vélocimétrie d’image de particule avec l’image d’étalonnage ouverte. Ensuite, allez à la barre d’outils et cliquez sur le bouton de configuration de l’échelle. Déplacez les poils croisés sur une marque sur l’image de la règle et étiqueter.Ensuite, marquez une deuxième marque sur l’image du souverain. Dans la boîte de dialogue qui s’ouvre, entrez la distance entre les marques selon la règle. Notez l’échelle calculée.Retournez à la barre d’outils et cliquez sur le bouton d’origine. De là, utilisez la souris pour définir l’origine des coordonnées pour toutes les images de données. Cliquez oui une fois terminé.Ensuite, cliquez sur le menu du fichier et chargez la première des images brutes qui ont été collectées sous forme de données. Vérifiez que les autres fichiers sont accessibles mais revenez au premier fichier. Ensuite, cliquez sur le menu paramètres.Dans la boîte de dialogue, entrez le nombre de fichiers de données et le taux d’échantillon pour charger toutes les images. Enregistrez les valeurs et fermez la boîte. Maintenant, allez au menu du filtre d’image.Là, appliquez le filtre de passage bas. Dans la barre d’outils, cliquez sur le module PTV. Suivez ceci en cliquant sur le point de traçage.Ensuite, dans l’image, trouver le point central à la moitié droite de la circonférence du pipeline et le sélectionner. Ok la sélection avant de cliquer sur les outils PTV dans la barre d’outils. Dans la boîte de dialogue qui s’ouvre, ajustez les paramètres gamma, de la porte de lumière et du filtre médian pour définir le contour du pipeline dans l’image.Après avoir approuvé les modifications, cliquez sur le bouton de suivi de l’objet. Utilisez la souris pour sélectionner une partie identifiable du pipeline sur l’image traitée. Une fois cela fait, le logiciel suit le déplacement dans les images et enregistre les séries de temps.Une fois les données enregistrées, allez cliquer sur les outils PTV. Dans la boîte de dialogue, cliquez sur le bouton par défaut et OK pour récupérer l’image brute pour une analyse ultérieure. Cliquez sur le module PTV pour désactiver le module.Restez dans la barre d’outils et ouvrez le panneau de paramètres. Vérifiez le paramètre de calcul du vecteur de vitesse et d’autres avant de fermer la boîte de dialogue. Ensuite, allez au menu du filtre d’image.Appliquez une fonction de filtre laplacien sur les images brutes pour mettre en évidence les particules d’ensemencement et filtrer la lumière dispersée non désirée. Maintenant, retournez à la barre d’outils et cliquez sur la limite. Utilisez la souris pour définir le masque géométrique sur les images pour exclure la région des fonds marins.Confirmez que la limite a été définie. Lorsque c’est fait, cliquez sur enregistrer les limites pour enregistrer les données de limite. Enfin, allez à la barre d’outils et cliquez sur le bouton d’exécuteur pour calculer les champs de vitesse instantanée en utilisant la méthode de corrélation croisée.Exportez et enregistrez les données du champ de vitesse instantanée pour une analyse plus approfondie. Il s’agit d’une image d’un profil d’affouillement quasi-équilibre et d’un pipeline vibrant pris après 24 heures de vibrations du pipeline. L’origine de l’analyse est définie au point d’intersection à la surface originale du fond marin et à la ligne centrale verticale du pipeline.Les particules d’ensemencement sont visibles, mais très peu de particules sédimentaires sont en suspension dans le flux, ce qui suggère que le système est à un stade de quasi-équilibre. Les données recueillies avec le protocole permettent de visualiser le champ de vitesse moyen de phase et la dynamique de vorticité. Cette vidéo se compose de 72 images de champs d’écoulement à partir d’un cycle de vibration de pipeline.Cette méthode peut également être appliquée pour étudier les processus de vibration induits par le vortex tels que les vibrations du pipeline induites par l’excrétion du vortex d’asymétrie.

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