Celem protokołu jest umożliwienie wizualizacji szczegółowych pól przepływu oraz określenie naprężeń bliskich granicy ścinania i normalnych w równowagowym otworze płuczkowym wywołanym przez wibrujący rurociąg.
Artykuł metodologiczny
Celem protokołu jest umożliwienie wizualizacji szczegółowych pól przepływu oraz określenie naprężeń bliskich granicy ścinania i normalnych w równowagowym otworze płuczkowym wywołanym przez wibrujący rurociąg.
W tym artykule przedstawiono eksperymentalną metodę, która ułatwia wizualizację szczegółowych pól przepływu i określenie naprężeń bliskich granicy ścinania i normalnych w równowagowym otworze płuczkowym wywołanym przez wibrujący rurociąg. Metoda ta polega na wdrożeniu systemu drgań rurociągu w prostym korycie, systemu czasowo-rozdzielczego obrazu obrazu cząstek (PIV) do śledzenia przemieszczeń rurociągów i pomiarów pól przepływu. Szeregi czasowe przemieszczenia rurociągu wibracyjnego uzyskuje się za pomocą algorytmów korelacji krzyżowej. Opisano etapy przetwarzania obrazów surowych zawierających cząstki uzyskanych przy użyciu PIV z rozdzielczością czasową. Szczegółowe pola chwilowego przepływu wokół wibrującego rurociągu w różnych fazach drgań są obliczane przy użyciu algorytmu korelacji krzyżowej w wielu odstępach czasu, aby uniknąć błędu odchylenia przemieszczenia w obszarach przepływu o dużym gradiencie prędkości. Dzięki zastosowaniu techniki transformacji falkowej, przechwycone obrazy, które mają tę samą fazę drgań, są dokładnie katalogowane przed uzyskaniem uśrednionych fazowo pól prędkości. Kluczowymi zaletami techniki pomiaru przepływu opisanej w tym artykule jest to, że ma ona bardzo wysoką rozdzielczość czasową i przestrzenną oraz może być jednocześnie wykorzystywana do uzyskiwania dynamiki rurociągu, pól przepływu i naprężeń przepływu w pobliżu granicy. Dzięki zastosowaniu tej techniki można przeprowadzić bardziej dogłębne badania dwuwymiarowego pola przepływu w złożonym środowisku, takim jak to wokół wibrującego rurociągu, aby lepiej zrozumieć związany z tym wyrafinowany mechanizm szorowania.
Podmorskie rurociągi są powszechnie używane w środowiskach morskich do transportu płynów lub produktów węglowodorowych. Kiedy rurociąg jest umieszczany na erodowalnym dnie morskim, wokół rurociągu prawdopodobnie utworzy się otwór podmywkowy z powodu fal, prądów lub dynamicznych ruchów samego rurociągu (wibracje wymuszone lub wibracje wywołane wirem)1,2. Aby lepiej zrozumieć mechanizm szorowania wokół rurociągu podmorskiego, oprócz pomiarów wymiaru otworu płuczkowego, niezbędne są pomiary pól przepływu turbulentnego oraz oszacowanie ścinania złoża i naprężeń normalnych w obszarze interakcji rurociąg-płyn-dno morskie1,2,3,4,5,6,7. W środowisku, w którym ścinanie podłoża i naprężenia normalne są niezwykle trudne do określenia, ponieważ pole przepływu jest niestabilne, a dolna granica jest szorstka, zmierzone chwilowe naprężenia przygraniczne (na wysokości około 2 mm powyżej granicy) mogą być używane jako ich substytut8,9. W ciągu ostatnich kilku dekad badano i publikowano przeszukiwanie wokół wibrującego rurociągu bez ilościowego przedstawiania wartości wyrafinowanych pól przepływu wokół rurociągu w obrębie otworu szorującego3,4,5,10,11,12,13,14,15,16,17,18. W związku z tym celem niniejszej pracy metodycznej jest dostarczenie nowatorskiego protokołu eksperymentalnego do wizualizacji szczegółowych pól przepływu oraz określenie ścinania przygranicznego i naprężeń normalnych w równowagowym otworze płuczącym indukowanym przez rurociąg o wymuszonych wibracjach. Należy zauważyć, że proces interakcji rurociąg-płyn-dno morskie w tym badaniu odbywa się w spokojnym środowisku wodnym, a nie w tych, w których występują jednokierunkowe prądy i fale.
Ta eksperymentalna metoda składa się z dwóch ważnych elementów, a mianowicie: (1) symulacji (wymuszonych) drgań rurociągu; oraz (2) pomiarów pól przepływu wokół rurociągu. W pierwszym komponencie rurociąg wibracyjny został zasymulowany w eksperymentalnym kanale za pomocą układu wibracyjnego, który składa się z serwomotoru, dwóch sprężyn łączących i ram nośnych rurociągu. Różne częstotliwości i amplitudy drgań można symulować, dostosowując prędkość silnika i położenie sprężyn łączących. W drugim komponencie zastosowano techniki czasowo-rozdzielczej prędkości obrazu cząstek (PIV) i transformacji falkowej w celu uzyskania danych o wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej pola przepływu w różnych fazach drgań rurociągu. System PIV z rozdzielczością czasową składa się z lasera o fali ciągłej, szybkiej kamery, cząstek zasiewających i algorytmów korelacji krzyżowej. Chociaż techniki PIV są szeroko stosowane w uzyskiwaniu stałych pól przepływu turbulentnego19,20,21,22,23,24,25, zastosowania w złożonych warunkach pola o nieustalonym przepływie, takie jak przypadki interakcji rurociąg-płyny-dno morskie, są stosunkowo ograniczone8,9,26,27. Powodem jest prawdopodobnie to, że tradycyjny algorytm korelacji krzyżowej z pojedynczym przedziałem czasowym technik PIV nie jest w stanie dokładnie uchwycić cech przepływu w polach o nieustalonym przepływie, w których występuje stosunkowo wysoki gradient prędkości9,20. Metoda opisana w tym artykule może rozwiązać ten problem przy użyciu algorytmu korelacji krzyżowej z wieloma przedziałami czasowymi9,28.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Kontrola bezpieczeństwa w laboratorium
2. Konfiguracja modelu koryta i dna morskiego
3. Model rurociągu i konfiguracja systemu wibracji
4. Konfiguracja PIV
5. Eksperymentalna optymalizacja konfiguracji i kalibracja
6. Przeprowadzanie eksperymentu i zbieranie danych
7. Przetwarzanie danych
(1)
; indeks górny "*" oznacza sprzężenie zespolone. Chwilowe fazy, Φ, wibrującego rurociągu, które odpowiadają różnym przemieszczeniom rurociągu, można obliczyć ze wzoru:
(2)
(3)
i
są prędkościami uśrednionymi fazowo wzdłuż kierunków x i y.
,
(4)Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przykład porównania między surowym obrazem a przetworzonym obrazem śledzenia przemieszczeń rurociągu i obliczenia prędkości chwilowej jest pokazany w Rysunek 3. Jak pokazano na rysunku Rysunek 3b), cząstki zasiewu i szum na surowym obrazie są odfiltrowywane, a błyszcząca krawędź rurociągu jest zachowywana, aby uzyskać szereg czasowy przemieszczenia. Jak pokazano na rysunkach 3c, rozproszenie/odbicie światła wokół cząstek wysiewu...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół przedstawiony w niniejszej pracy opisuje metodę wizualizacji dwuwymiarowych pól przepływu oraz wyznaczania przygranicznych pól naprężeń przepływu wokół rurociągu o wymuszonych drganiach w równowagowym otworze płuczącym z wykorzystaniem technik PIV. Ponieważ projektowany ruch rurociągu jest jednowymiarowy wzdłuż kierunku y, przygotowanie i dostosowanie modelu rurociągu i systemu drgań do spełnienia tego celu jest krytycznym warunkiem wstępnym pomyślnego wyniku. Wszelkie niepożądane ruchy rurociągu w kier...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez Fundusz Młodych Naukowców Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (51709082) oraz Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych (2018B13014).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Oprogramowanie do sterowania kamerą | Vision Research | Phantom PCC 2.6 | Sterowanie kamerą, akwizycja i przetwarzanie danych obrazu |
| Obiektyw aparatu | Nikon Chiyoda | Nikor 60mm, obiektyw stałoogniskowy f=2.8 | |
| Laser o fali ciągłej | Beijing Laserwave optoelectronics technology co., Ltd. | PIV Źródło lasera; Laser Nd:YAG, 532 nm; chłodzenie powietrzem | |
| Szybka kamera | Vision Research | Phantom Miro LAB 320 | Rejestracja danych obrazu |
| Laserowe formowanie arkuszy optyka | Thorlabs Inc | Przekształć laser punktowy w cienki arkusz laserowy | |
| Model rurociągu | ZONCEPZ SOLUTIONS | Cylinder akrylowy o średnicy 35 mm | |
| System wibracyjny rurociągu | ZONCEPZ SOLUTIONS | Składa się z silnika odcinającego, dwóch sprężyn łączących i ram nośnych rurociągu. | |
| Oprogramowanie do obliczania PIV | AXESEA Engineering Technology Limited Co. | PISIOU | Przetwarzanie danych obrazowych w celu uzyskania pól przepływu i przemieszczeń rurociągów |
| Materiały siewne PIV | Shimakyu | Proszek aluminiowy o średnicy 10um | |
| Koryto recyrkulacyjne | SZU ENGINEERING PTE LTD | Przeszklony, 11 m długości, 0,6 m szerokości i 0,6 m głębokości | |
| Trójnóg | MANFROTTO | SKU MT190GOC4US 410 | Camara |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie