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

この実験プロトコルは、強制振動パイプラインによって誘導される平衡の精査穴内の通常の応力における詳細フローフィールドおよび近傍境界シェアを可視化するものである。この測定技術の主な利点は、パイプラインダイナミクス、フローフィールド、および近接境界流量応力を高解像度で同時に取得する能力です。この手法を用いることで、複雑な環境下での2次元流動場の詳細な研究を行い、精査メカニズムをより深く理解することができる。

実験は長さ11メートルのフリュームで行われます。断面は、横の長さが 0.6 メートルの正方形です。この煙の概略図は、浸食可能な海底モデルの位置を含む追加の詳細を提供します。

水位は海底から0.4メートル上にあります。海底モデルでは、圧縮され、平準化された均一に分散した中型砂を使用します。振動システムの構造をフリュームの上に設置してください。

これは、フリュームの上部レールにロックされている固定フレームで構成されています。固定フレームはアルミニウムフレームを支える可動ポールを有する。フレームを支えるアルミニウムは、フリュームの海底モデルの上にパイプラインモデルを保持します。

この図式では、セットアップの概要を説明します。アルミニウム支持フレームが垂直にしか振動できないようにするベアリングは4つあることに注意してください。可動ポールとサーボモーターの間の接続棒はアルミニウムフレームの動きを動かす。

設定はパイプ ジオメトリによって異なります。アクリルパイプラインモデルのこの複製は、35ミリメートルの直径を持っています。支持フレームと支柱を調整して、パイプラインの底面が最初の海底サーフェスの 1 つの直径上になるようにします。

すべてのレーザー安全プロトコルを尊重し、レーザーでの作業を開始します。532ナノメートルのレーザーと、フリュームの上にヴェロシメトリー用の光学系を置きます。光学には、照明のシートを形成する要素が含まれています。

レーザーをオンにして、照明のフラットシートが煙の中で関心のある分野に形成されるように光学を調整します。シートは、フリュームの中心に沿って、その側壁に平行でなければなりません。これらの概略的な正面図と側面図は、レーザーと光学の位置と、セットアップで作成されたレーザーシートを示します。

次に、粒子画像のカメラをvelocimetry装置に設置する。レーザーシートに垂直に向けられた適切な焦点距離を持つ高速カメラを使用してください。カメラを正しい制御ソフトウェアでコンピュータに接続します。

カメラをオンにして、ビューのフィールドを調整して、パイプライン流体の海底領域が可視で、画像が鮮明であることを確認します。設定を調整するには、まず、シードパーティクルを使用します。このアルミニウム粉は10ミクロンの直径の粒子を提供する。

約20グラムの播種粒子をフリュームの試験部に加えます。カメラがシードパーティクルを鋭い焦点に持ち込むかどうかを確認します。次に、レーザーシート平面上の視野の内側にキャリブレーションルーラーを配置し、キャリブレーション画像をキャプチャします。

データ収集のサンプリングレートを選択したら、レーザーとカメラの電源を切ります。実験のために、透明なアクリル板を得る。レーザー光源の下のテストベッドの上と水面上でそれを支え、表面の揺らぎを抑えます。

この図は、この設定でプレートをサポートするために、フリュームレールに取り付けられた文字列の使用の詳細を提供します。次に、フレームのサーボモーターをオンにします。これにより、パイプライン モデルに強制的な振動が発生し始めます。

振動システムを24時間稼働させ続けます。24時間後、レーザーをオンにして、ライトシートを作成します。キャリブレーション済みの設定を使用して、カメラとそのコントロールソフトウェアを起動します。

次に、ライトをオフにしてデータ収集を開始します。データが収集されたら、追加のデータセットを収集する前に、32 x 32 ピクセルの調査ウィンドウのシードパーティクル密度が 8 より大きいことを確認します。すべてのデータセットが収集されたら、データ処理を開始します。

キャリブレーション画像を開いた粒子画像のvelocimetryソフトウェアで作業します。次に、ツールバーに移動し、スケール設定ボタンをクリックします。十字線をルーラーのイメージ上のマークに移動し、タグ付けします。

次に、ルーラーのイメージに 2 番目のマークを付けます。開いたダイアログ ボックスで、ルーラーに従ってマーク間の距離を入力します。計算されるスケールに注意してください。

ツールバーに戻り、原点ボタンをクリックします。そこから、マウスを使用して、すべてのデータイメージの座標の原点を設定します。完了したら[はい]をクリックします。

次に、ファイル メニューをクリックし、データとして収集された生のイメージの最初を読み込みます。他のファイルがアクセス可能で、最初のファイルに戻ることを確認します。次に、パラメータメニューをクリックします。

ダイアログボックスに、すべての画像をロードするデータファイルの数とサンプルレートを入力します。値を保存し、ボックスを閉じます。次に、イメージ フィルター メニューに移動します。

そこで、ローパスフィルタを適用します。ツールバーで、PTV モジュールをクリックします。トレース ポイントをクリックして、これに従います。

次に、画像で、パイプラインの円周の右半分の中心点を見つけて選択します。ツールバーのPTVツールをクリックする前に選択を行います。開いたダイアログ ボックスで、ガンマ、ライト ゲート、および中央値のフィルタ設定を調整して、画像内のパイプラインのアウトラインを 1 つにまとめます。

変更を承認したら、オブジェクトトラッキングボタンをクリックします。マウスを使用して、処理されたイメージ上のパイプラインの識別可能な部分を選択します。これが完了すると、ソフトウェアは画像内の変位を追跡し、時系列を記録します。

データが保存されたら、PTVツールに移動してクリックします。ダイアログボックスでデフォルトボタンをクリックし、後で分析するために生画像を復元するにはOKをクリックします。PTVモジュールをクリックして、モジュールを無効にします。

ツールバーに残り、パラメータパネルを開きます。ダイアログボックスを閉じる前に、速度ベクトル計算パラメータとその他を確認します。次に、画像フィルタメニューに移動します。

生の画像にラプラシアンフィルタ機能を適用して、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除外します。ツールバーに戻り、境界をクリックします。マウスを使用して、画像上のジオメトリマスクを設定して海底領域を除外します。

境界が設定されていることを確認します。完了したら、[境界保存] をクリックして境界データを保存します。最後に、ツールバーに移動し、実行ボタンをクリックして、相互相関法を使用して瞬間速度フィールドを計算します。

さらに分析するために、瞬時速度フィールドのデータをエクスポートして保存します。これは、パイプライン振動の24時間後に撮影された準平衡精査プロファイルと振動パイプラインの画像です。解析の原点は、元の海底サーフェスとパイプラインの垂直中心線の交点に設定されます。

播種粒子は目に見えるが、流れに懸濁している堆積物粒子は非常に少なく、システムが準平衡段階にあることは示唆している。プロトコルで収集されたデータにより、位相平均速度フィールドと渦度ダイナミクスを可視化できます。このビデオは、1つのパイプライン振動サイクルから72フレームのフローフィールドで構成されています。

この方法は、非対称渦流しによって誘導されるパイプライン振動などの渦性振動プロセスを調べる場合にも応用できます。