Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-26T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 s
Description: 学ぶ振動パイプライン周辺の流れ場可視化手法。時間分解PIVを用いて平衡スカウトホール内の境界近傍せん断応力と法線応力を高解像度で測定し、流れと構造の相互作用を詳細に解析する。

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この研究は、中国国立自然科学財団の若手科学者基金(51709082)と中央大学基礎研究基金(2018B13014)によって支援されました。

1. 実験室の安全チェック
<ol><li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. フルームおよび海底モデルのセットアップ
<ol><li>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。</li>
	<li>砂のレベラーを使用して海底を密集し、水平にする。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. パイプラインモデルと振動システムのセットアップ

<ol><li>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。</li>
	<li>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)。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
4. PIVの設定

<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>
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

<ol><li>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。</li>
	<li>必要に応じて、レーザーシートの光強度を高めます。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
6. 実験とデータ収集の実行

<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
7. データ処理

<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>[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)。</li>
		<li>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)。</li>
		<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>記録された画像から瞬間速度フィールドを決定します。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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)。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>ニューランド199429,30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。<ol>
<li>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。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq1.jpg">(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。 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq2.jpg"> 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。 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq3.jpg">(2)</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq4.jpg">(3) x <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq5.jpg"> <img alt="Equation v" src="/files/ftp_upload/59745/59745eqv.jpg">方向とy方向に沿って位相平均速度が平均されます。</li>
	</ol></li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。 <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq7.jpg">、(4) <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59745/59745eq8.jpg"> 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)。 up = ベッドに平行な近境界速度;un = 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。</li>
	</ol></li>
	<li>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。</li>
</ol>

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<li>Çevik, E., Yüksel, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scour+under+submarine+pipelines+in+waves+in+shoaling+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Waterway%2C+Port%2C+Coastal%2C+and+Ocean+Engineering%22%5BJournal%5D)">Scour under submarine pipelines in waves in shoaling conditions.</a> Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 125 (1), 9-19 (1999).</li>
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<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>

著者は何も開示していない。

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TD = t DUの場合に対称性を維持できることを示した。 D/D</em...

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。

<table><tbody><tr><td>カメラ制御ソフトウェア</td><td>Vision Research</td><td>Phantom PCC 2.6</td><td>カメラ制御、画像データ取得および処理</td></tr><tr><td>カメラレンズ</td><td>ニコン千代田</td><td></td><td>ニコール&nbsp; 60mm、f=2.8 単焦点レンズ</td></tr><tr><td>連続波レーザー&nbsp;</td><td>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</td><td></td><td>PIVレーザー光源;Nd:YAGレーザー、532 nm;空冷</td></tr><tr><td>式ハイスピードカメラ</td><td>Vision Research</td><td>Phantom Miro LAB 320</td><td>画像データ記録</td></tr><tr><td>レーザーシート形成光学系&nbsp;</td><td>Thorlabs Inc</td><td></td><td>ポイントレーザーを薄いレーザーシートに変換</td></tr><tr><td>パイプラインモデル</td><td>ZONCEPZ SOLUTIONS</td><td></td><td>直径35mmのアクリルシリンダー</td></tr><tr><td>パイプライン振動システム</td><td>ZONCEPZ SOLUTIONS</td><td></td><td>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。</td></tr><tr><td>PIV計算ソフトウェア</td><td>AXESEA Engineering Technology Limited Co.</td><td>PISIOU</td><td>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</td></tr><tr><td>PIV播種材料</td><td>しまきゅ</td><td></td>う <td>直径10umのアルミニウム粉末</td></tr><tr><td>再循環水路&nbsp;</td><td>SZU ENGINEERING PTE LTD</td><td></td><td>ガラス面、長さ 11 m、幅 0.6 m、深さ 0.6 m</td></tr><tr><td>の三脚</td><td>MANFROTTO</td><td>SKU MT190GOC4US 410</td><td>Camara 対応</td></tr></tbody></table>

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

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

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。

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...

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。

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

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。

visualization-flow-field-around-vibrating-pipeline-within-an

Research

JoVE Journal

Environment

環境

流体の流れの範囲のための定量的な3次元（3D）イメージングを行うための方法を提案している。ライトフィールドイメージングの領域から概念を使用して、我々は、画像の配列から3Dボリュームを再構築します。当社の3D結果は速度場および多相気泡サイズ分布を含む広い範囲にわたっています。...

マルチカメラライトフィールドイメージングを介して3D流れ場の決定

このビデオでは、第1の弾性表面波（SAW）音響向装置の製作および操作手順を説明する。我々はその後、質的流れの可視化とSAWポンプ装置内の複雑な流れの定量分析の両方を可能にした実験のセットアップを示しています。...

表面弾性波駆動型アコースティック·逆流マイクロフルイディクスで製作、操作と流れの可視化

声帯ポリープは、声の折り目のダイナミクスを破壊することができ、したがって、患者の通信能力に壊滅的な結果をもたらすことができます。壁面取り付けモデルポリープによって誘導される3次元流れ分離と壁圧負荷への影響を、粒子画像の軌跡、皮膚摩擦線の可視化、および壁圧測定を用いて調べる。...

モデルの声帯ポリープによる三次元流分離の調査

ステントインプラントは、ステントの完全な横骨折と骨折した部分の線形変位を伴う「タイプIV」の故障を起こしやすいです。臨床的に関連する「タイプIV」ステント障害の下流にある湾曲した動脈モデルにおける二次流(渦状)構造を検出するためのプロトコルを提示します。...

180°湾曲動脈テストセクションにおけるモデルIV型ステントの失敗の下流に二次流れ構造に関する実験的研究

この原稿は、水路に規則的なベッドフォームを作成する方法、ベッドフォームを通る流れを視覚化する方法、およびコンピュータシミュレーションを使用して低流体の流れをシミュレートする方法を説明しています。 コンピュータシミュレーションは、実験的観測とよく比較されます。 このシミュレーションと実験の連成は、研究目的と教育目的の両方に適しています。...

色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

高密度流体中の分子の流体力学的過程を研究するため実験的にアクセス可能なアナログ方式である.

高密度の気体と液体の分子流体力学的過程を研究するためのアナログ巨視的手法

ここでは、変更された煙流動の可視化手法を使用してデルタ翼に渦の非定常流れを観察し、前縁渦内訳場所の振動のメカニズムを調査するためのプロトコルを提案する.

流れ可視化手法によるデルタ翼上の流れ構造に関する実験的研究

2つの気泡間の合体技術に基づく単一のトラップ音響気泡の形状振動を制御するための高速で信頼性の高い技術が提案されています。定常状態で対称的に制御された気泡形状振動により、気泡界面近傍で発生する流体の流れを解析できます。...

音響浮上システムにおける非球面気泡振動によるマイクロストリーミングの誘導

地表リニューアルは、エネルギーフラックスを決定するためにますます使用されるようになった微気象学的な方法ですが、その技術的な複雑さにより、幅広い視聴者がアクセスできません。サーフェスリニューアルフィールドステーションのセットアップとキャリブレーション、データの取得と処理、および結果を正しく解釈するために必要な手順について説明します。...

Surface Renewal:フィールドスケールのエネルギーフラックス密度データの測定と処理のための高度な微気象学的手法

私たちは、無傷のツリーの師部を保存し、それを観察するための準備をする技術を提供します。 師部組織に生息する節足動物や微生物などの生物を導入・観察するための師部サンドイッチという装置を創製しています。...

ツリー組織内節足動物と微生物群集を研究するための技術

学ぶ振動パイプライン周辺の流れ場可視化手法。時間分解PIVを用いて平衡スカウトホール内の境界近傍せん断応力と法線応力を高解像度で測定し、流れと構造の相互作用を詳細に解析する。

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

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