平衡スカウトホール内の振動パイプライン周辺の流れ場の可視化

サマリー

このプロトコルの目的は、詳細な流れフィールドの可視化を可能にし、振動パイプラインによって誘導される平衡調査穴内の近境界せん断および通常の応力の決定を可能にすることです。

要約

本論文では、振動パイプラインによって誘導される平衡スカウト穴内の詳細な流れ場の可視化と、近境界せん断と正常応力の決定を容易にする実験的方法を紹介する。この方法は、直線フルーム、パイプライン変位追跡および流れ場測定のための時間分解粒子画像ベロシメトリー(PIV)システムにおけるパイプライン振動システムの実装を含む。振動パイプラインの変位時系列は、相互相関アルゴリズムを使用して取得されます。時間分解PIVを用いて得られた生粒子積み込み画像を処理する手順について説明する。異なる振動相での振動パイプラインの周りの詳細な瞬間流れフィールドは、速度勾配が大きい流れ領域の変位バイアス誤差を回避するために、複数回間隔の相互相関アルゴリズムを使用して計算されます。.ウェーブレット変換技術を適用することにより、同じ振動相を持つキャプチャされた画像は、位相平均速度フィールドが得られる前に正確にカタログ化されます。このホワイト ペーパーで説明するフロー測定手法の主な利点は、時間分解能と空間分解能が非常に高く、パイプラインダイナミクス、流れフィールド、および境界付近の流力応力を同時に得るために使用できることです。この手法を用いることで、振動パイプラインの周囲など、複雑な環境での2次元流れ場のより詳細な研究を行い、関連する高度なスカウトメカニズムをより深く理解することができる。

概要

海底パイプラインは、流体またはハイドロカーボン製品の搬送を目的として、オフショア環境で広く使用されています。パイプラインが浸食可能な海底に置かれると、パイプライン自体の波、電流または動的な動き(強制振動または渦誘発振動)1、2のためにパイプラインの周りのスカウト穴が形成される可能性があります。海底パイプラインの周りのスカウトメカニズムの理解を深めるためには、流流れの乱流フィールドの測定と、パイプライン流体海底相互作用領域内のベッドせん断と正常応力の推定が不可欠です。スカウト穴寸法1、2、3、4、5、6、7の測定値。流れ場が不安定で底辺が荒いため、ベッドせん断と通常の応力が非常に困難な環境では、瞬時に境界付近の応力を測定する(境界より約2mm上)可能性があります。彼らのサロゲート8、9として使用されます。過去数十年の間に、振動パイプラインの周りの精査は、スカウトホール3、4内のパイプラインの周りの洗練された流れフィールドの値を定量的に提示することなく研究され、公開され^{てきました。 5,10,11},^{12,13,14,15,16,17, 18}.したがって、この方法論文の目的は、詳細な流れ場を可視化するための新しい実験プロトコルを提供し、強制振動パイプラインによって誘導される平衡スカウト穴内の近境界せん断および正常応力を決定することです。この研究におけるパイプライン流体海底相互作用プロセスは、単方向電流と波を持つものではなく、静止した水環境にあることに留意すべきである。

この実験方法は、(1)パイプライン(強制)振動のシミュレーションという2つの重要なコンポーネントで構成されています。(2) パイプライン周辺の流れフィールドの測定値。最初のコンポーネントでは、振動パイプラインは、サーボモータ、2つの接続スプリング、およびパイプライン支持フレームを有する振動システムを使用して実験用煙道でシミュレートされました。モータの速度と接続スプリングの位置を調整することで、異なる振動周波数と振幅をシミュレートできます。2番目の成分では、時間分解粒子画像ベロシメトリー(PIV)とウェーブレット変換技術を採用し、異なるパイプライン振動相で高時間分解能および空間分解能フローフィールドデータを取得しました。時間分解性PIVシステムは、連続波レーザー、高速カメラ、種分粒子、および相互相関アルゴリズムで構成されています。PIV技術は、安定した乱流フィールド19、20、21、22、23、24、25を得る上で広く使用され^{てきました}が、パイプライン流体と海底相互作用の場合など、複雑な不安定な流れ場条件のアプリケーションは、比較的限られた8、9、26、27 です。その理由は、PIV技術の従来の単一時間間隔相互相関アルゴリズムが、比較的高い速度勾配^{が存在する}不安定な流れ場の流れ特徴を正確に捕捉できないため、おそらく9、 ²⁰.このホワイト ペーパーで説明する方法は、複数時間間隔の相互相関アルゴリズム^9,28を使用してこの問題を解決できます。

プロトコル

1. 実験室の安全チェック

1. レーザーおよびフルームシステムの使用に関する安全規則を確認します。
2. 実験室の安全訓練の条件が満たされていることを確認してください。
   注:この実験では、波長532nmの5W空冷連続波レーザーと、長さ11m、幅0.6m、深さ0.6mのガラス側直流フルーム(図1)を使用しています。これら 2 つの装置の基本的な安全に関する推奨事項は次のとおりです。
   1. テストの前に、レーザー線の反射面の潜在的な反射面を確認してください。レーザー装置を操作する際は安全ゴーグルを着用してください。
   2. 実験中にレーザー光のレベルで目を離さないようにし、光学要素や反射ツールを取り扱う際には反射レーザー光に注意してください。
   3. 水ホースが落ちず、煙道から水があふれないようにしてください。

2. フルームおよび海底モデルのセットアップ

1. 煙道の真ん中にある浸食可能な海底モデルを準備します。
   注:この研究で使用した堆積物材料は、中央粒径d ₅₀ = 0.45 mm、相対水中粒子密度Δ = 1.65および幾何学標準偏差σ _g = 1.30の均一に分布した媒体砂であった。
2. 砂のレベラーを使用して海底を密集し、水平にする。
3. ゆっくりと水ホースで煙道を充填し、充填プロセス中に平らな海底表面が無傷であることを確認してください。水位が海底の上に0.4メートルの深さに達したとき、充填を停止します。
4. パイプライン モデルと PIV システムをセットアップするためのフルームトップ プラットフォームとガラスをクリアします。

3. パイプラインモデルと振動システムのセットアップ

1. 直径35mm、長さ0.56mのアクリルシリンダーの形でプレハブパイプラインモデルを使用してください。
2. 図 2に示すように、パイプライン モデルをアルミニウム支持フレームに取り付けます。4 つのベアリングを使用して固定フレーム内の支持フレームを固定し、支持フレームが垂直方向にのみ自由に振動できるようにします(図2)。
3. 固定フレームの上部に取り付けられたサーボモーターに移動可能なポールを結ぶには、接続ロッドを使用します。本研究では、パイプラインモデルとアルミフレームを含む組み立て振動システムの重量は1.445kgで、同等の質量比(m*)を有する2.682です。0.82Hz の自然周波数 (f N)。減衰率 (ε) は 0.124 です。
4. パイプラインと海底の間に一定のギャップ比を得るために、可動ポールと支持フレームを調整します。 この研究では、G /D =1は、Gがパイプラインの底部と最初の海底表面との間の垂直距離である。 Dはパイプラインの直径です。
5. サーボモータをオンにして、パイプラインに強制振動を誘導します。支持フレームと 4 つのベアリングを調整して、パイプラインの振動が垂直方向に沿っていることを確認します。支持フレームの調整が完了したら、サーボモータの電源を切ります。
6. 海底モデルが3.5で妨げられる場合は、実験を実行する前に再び海底を水平にします。

4. PIVの設定

1. レーザー装置をフルームの上に置き、光学系を形成するレーザーシートを取り付けます。
2. レーザー装置の電源を入れ、対象分野内の照明フラットシートが形成されるように、レーザーシート成形光学系を調整します。
   注:この研究では、照明された緑色のレーザーシートは、フルームガラス壁に平行な1.5ミリメートルの厚さであり、煙道の中心線に沿って水に下方にキャストされます。この研究の対象分野は、パイプライン流体海底の相互作用領域を指し、パイプラインの右側に限定されます。パイプラインの左側にパイプラインの影が見えます。
3. 高速カメラをセットアップします。
   注:本研究では、12ギガバイトのメモリストレージと最大解像度2.3 Mpx(1920×1200)の高速カメラを使用しています(ファントムミロLAB 320など)。詳細な操作手順は次のとおりです。
   1. 高速カメラに適切な焦点距離を持つレンズを取り付けます。高さ調節可能な三脚に高速カメラをねじ込みます。カメラを照射されたレーザーシートに対して垂直な軸で観測領域のレベルに調整します。
      注:この研究は、f/2.8の最大絞りで60ミリメートル素数レンズを使用しています。
   2. イーサネット ケーブルを使用してカメラをコンピュータに接続し、カメラ制御ソフトウェア (ファントム PCC 2.6 など) をオンにします。カメラの電源を入れ、カメラコントロールソフトウェアインターフェイスのコンピュータに接続します。
   3. 三脚を調整して、カメラの視野がパイプライン流体海底相互作用領域をカバーするようにします。三脚に内蔵のバブルレベルを使用してカメラをレベルレベル。レンズのフォーカスリングを調整して、レーザーシートが焦点面上で明確であることを確認します。

5. 実験的なセットアップの最適化とキャリブレーション

1. フルームの試験部にPIV播種粒子を追加します。
   注:この研究で使用した播種粒子は、直径10μm、特定密度2.7のアルミニウム粉末であった。
2. 必要に応じて、レーザーシートの光強度を高めます。
3. コンピュータ上のライブカメラビューを通じてレーザーシート上の照射された種の粒子を観察することにより、カメラの焦点を確認します。必要に応じてフォーカス リングを微調整して、シードパーティクルがシャープでフォーカスされていることを確認します。
4. レーザーシートの平面上の視野内にキャリブレーションルーラーを配置し、1つのキャリブレーション画像をキャプチャします。
   注:本研究で採用された画像の解像度は1600×1200ピクセルであった。
5. データ収集に適したサンプリングレートを選択します。
   注: 選択したサンプリング レートは、画像のペア内のシードパーティクルの変位が最大問い合わせウィンドウの長さの 50% 未満であることを確認する必要があります。この研究では、最大尋問ウィンドウサイズは32×32ピクセルで、採用されたサンプリングレートは毎秒200フレームです。
6. ステップ 5.1-5.5 が完了したら、レーザーとカメラの電源を切ります。

6. 実験とデータ収集の実行

1. レーザー光源の下と水面に透明なアクリル板(厚さ20mm)を置き、水面の変動を抑制し、レーザー光の静かな光学アクセスを確保します。
2. サーボモータをオンにして、パイプラインモデルに強制振動を誘導します。
   注:この研究では、サーボモータの誘導周波数はf ₀ = 0.3 Hzです。
3. 振動システムを(t=)1440分間走らせ、振動パイプラインの下に準平衡の精査穴を得るようにしてください。
4. レーザーをオンにし、出力電力を最適化された強度に調整します。カメラとカメラの制御ソフトウェアをオンにし、カメラに校正された設定を適用します。ラボのバックグラウンド ライトをオフにします。
5. カメラソフトウェア制御ソフトウェアの[キャプチャボトム]をクリックして、5.6で選択したサンプリングレートでシード粒子を積んだフローフィールド画像の記録を開始します。
   注:このスタディの1回の録画ごとに、カメラストレージを使用すると、1,000枚の画像をキャプチャできます。
6. データ収集が完了したら、記録された画質を確認し、問い回しウィンドウごとのシード粒子密度(32×32ピクセル)が8より大きいかどうかを確認します。記録されたファイルを保存し、それ以外の場合は、観察領域に種まき溶液をゆっくりと注入することによってシード密度が増加し、手順6.3〜6.5を繰り返す。
7. 手順 6.3 ~ 6.5 を繰り返して、より多くのデータ・セットを収集します。
   注:この研究では、流れの速度、渦、乱流、および境界付近の応力を計算するのに十分な生データが得られるように、20,000以上の画像が撮影されました。
8. すべてのデータ収集が完了したら、レーザーデバイス、カメラ、サーバーモータの電源を切ります。実験室の背景ライトをオンにします。

7. データ処理

1. ソフトウェアを開きます。ツールバーの[ファイルフォルダ]ボタンをクリックし、ステップ5.4で撮影したキャリブレーション画像を読み込みます。
   注: パイプライン変位追跡およびフローフィールド計算ソフトウェア (PISIOU など) には、データ処理プログラムを使用します。
2. ツールバーの[縮尺] ボタンをクリックします。キャリブレーション画像上の既知の距離を測定して、画像のスケールを計算します。
   注: 計算された画像スケールは 0.1694 mm/ピクセルでした。
3. ツールバーの[原点]ボタンをクリックします。各画像の座標の原点を設定します。
4. 記録された画像から振動パイプラインの変位時系列を抽出します。
   1. 手順 6 で撮影した生のイメージを読み込みます。次に、パラメータパネルをクリックし、データファイルの数とサンプルレートを入力します。
   2. [イメージ] フィルターメニューにロー パスフィルタを適用します。
      注: この操作により、パイプラインのエッジ (追跡対象) が処理済みのイメージで容易に認識されます (図 3aを参照)。
   3. ツールバーで、PTVモジュールをクリックします。次に、[点数をトレース]ボタンをクリックし、パイプラインの中心点を選択します。PTV ツールに移動し、ガンマ、ライトゲート、および中央値フィルタを調整して、イメージ内のパイプラインアウトラインを 1 つ取ります。ツールバーの[オブジェクトトラッキング]ボタンをクリックします。処理されたイメージのターゲット領域(パイプラインなど)を選択し、連続した処理されたイメージからの振動パイプラインの変位を追跡します。後続のフロー フィールド データ プロセスの振動パイプラインの変位時系列ε(t) を記録します (図 4を参照)。
   4. パイプラインの変位時系列データをエクスポートして保存して、さらに計算します。
5. 記録された画像から瞬間速度フィールドを決定します。
   1. PTV ツールに移動し、[既定]ボタンをクリックして、後続の PIV 解析用の生のイメージを再開します。PTV モジュールをクリックして PTVモジュールを非アクティブ化します。ツールバーのパラメータパネルを開きます。速度ベクトル計算パラメータを指定します。
      注: この研究では、32 × 32 ピクセルから始まり、16 × 16 ピクセルで渡され、8 × 8 ピクセルで終了した尋問ウィンドウとしてマルチパス反復プロセスが採用されています。すべてのパスは、隣接するサブウィンドウ間で 50% のオーバーラップを使用します。
   2. イメージ フィルタメニューのLaplacian フィルタ機能を生の画像に適用して、シードパーティクルをハイライト表示し、望ましくない散乱光をフィルタリングします (図 3cを参照)。
   3. ツールバーの[境界]ボタンをクリックし、画像のジオメトリ マスクを設定して、海底領域を除外して詳細な計算を行います。[境界保存]ボタンをクリックして、境界データを保存します。
   4. ツールバーの[実行]ボタンをクリックして、相互相関法を使用してさまざまな振動相の瞬間速度フィールドを計算します。
      注:この研究では、流れ場の速度勾配が大きいためバイアス誤差を低減するために、複数時間間隔アルゴリズムを採用しています(図5参照)。相互相関計算に採用された複数回の間隔は、Δt、3Δt、9Δ tおよび21Δ t(Δ t = 5ミリ秒)である。満足のいく相関基準は70%を超える。
   5. さらなる分析のために、瞬間速度フィールドデータをエクスポートして保存します。
6. ニューランド1994^29,30およびHsieh 2008²⁸で説明されているように、アルゴリズムを使用して計算された瞬間速度フィールドから位相平均速度フィールドを決定します。
   注: この手順の計算手順は、次のように記述されます。
   1. 波形変換関数を振動パイプラインの変位時系列ε(t) に適用して、各瞬間速度フィールドの瞬間相を取得します。ウェーブレット変換関数は、次のように定義されます。
      (1)
      ここで、W_はウェーブレット係数です。αとβはそれぞれスケールと翻訳パラメータです。関数はモーレット関数であり、として計算されます。 上付き文字 "*" は複雑なコンジュゲートを示します。異なるパイプラインの変位に対応する振動パイプラインの瞬間フェーズ Φ は、次の方法から計算できます。
      (2)
   2. 同じフェーズを持つ瞬間速度フィールドを平均化して、位相平均速度フィールドを取得します。
   3. 計算された位相平均速度フィールドの流れ渦度 ω₂を次から決定します。
      (3)
      x 方向とy方向に沿って位相平均速度が平均されます。
7. 計算された位相平均速度と渦度データを Tecplot ソフトウェアに読み込んで、視覚化します。
8. Hsieh et al. 2016 ⁹で説明したように、アルゴリズムを使用して計算された瞬間速度フィールドから近境界せん断と法線応力を決定します。この手順の計算手順は、次のとおりです。
   1. 計算された位相平均速度流れフィールドから、境界付近の速度データ(海底の上 0 ~ 5 mm)を抽出します。
   2. 1 つの振動サイクル内の異なるフェーズについて、近境界のせん断応力、t _sおよび法線応力、t _nを、sahr プロファイル (スモア穴境界の約 2 mm 上)に沿って計算します。注: 計算方程式は次のとおりです。
      、(4)
      ここで、μ = 流体の動的粘度(ここでは1×10-3 Pa∙sとして服用)。 u_p = ベッドに平行な近境界速度;u_n = ベッドに垂直な境界付近速度;_n = ベッドからの通常の距離。
9. 計算された近境界せん断と法線応力データをソフトウェア(Tecplotなど)にロードして、視覚化します。

結果

パイプライン変位トラッキングと瞬間速度計算の生画像と処理された画像の比較の例を図 3に示します。図 3bに示すように、未加工画像のシードパーティクルとノイズは除外され、輝くパイプライン エッジが保持され、変位時系列が得られます。図 3cに示すように、シードパーティクル、パイプライン エッジ、および海底サーフェスの周囲の光散乱/反射は、Laplacian フィルターによってフィルタリングされます。振動パイプラインの変位時系列の例を図 4に示します。パイプラインの振動はほぼほぼほぼ同一であり、振動周波数と振幅はそれぞれ0.3Hzと〜50mmです。

図6は、t = 1440分の準平衡精査プロファイルと振動パイプラインの画像の例を示しており、本研究の座標の原点(x -O...

ディスカッション

本論文で提示されるプロトコルは、PIV技術を用いて平衡スカウト穴内の強制振動パイプラインの周りの2次元流れ場の可視化と近境界流力応力場の決定の方法について説明する。設計されたパイプラインモーションはy方向に沿って 1 次元であるため、この目的を達成するためにパイプライン モデルと振動システムを準備および調整することは、成功を収めるために重要な前提条件です。x方向に沿ったパイプラインの望ましくない動きは、非対称の流れフィールドを誘発し、振動パイプラインの周りに穴の形成を探す可能性があります。装置効果に加えて、実験のためのパイプラインの振動周波数と振幅の選択は、パイプラインの周りの対称的な流れ場を誘導するためにも重要です。実際、静止水状態では、Lin et al.³¹は、衝動的に開始された円形シリンダの背後にある流れ再循環の構造が、非次元時間T_D = t _DUの場合に対称性を維持できることを示した。 _D/D

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
カメラ制御ソフトウェア	Vision Research	Phantom PCC 2.6	カメラ制御、画像データ取得および処理
カメラレンズ	ニコン千代田		ニコール  60mm、f=2.8 単焦点レンズ
連続波レーザー	北京レーザーウェーブオプトエレクトロニクステクノロジー株式会社		PIVレーザー光源;Nd:YAGレーザー、532 nm;空冷
式ハイスピードカメラ	Vision Research	Phantom Miro LAB 320	画像データ記録
レーザーシート形成光学系	Thorlabs Inc		ポイントレーザーを薄いレーザーシートに変換
パイプラインモデル	ZONCEPZ SOLUTIONS		直径35mmのアクリルシリンダー
パイプライン振動システム	ZONCEPZ SOLUTIONS		サーバーモーター、2つの接続スプリング、パイプライン支持フレームで構成されています。
PIV計算ソフトウェア	AXESEA Engineering Technology Limited Co.	PISIOU	流れ場とパイプライン変位を得るための画像データ処理
PIV播種材料	しまきゅ		直径10umのアルミニウム粉末
再循環水路	SZU ENGINEERING PTE LTD		ガラス面、長さ 11 m、幅 0.6 m、深さ 0.6 m
の三脚	MANFROTTO	SKU MT190GOC4US 410	Camara 対応