Wizualizacja pola przepływu wokół rurociągu wibracyjnego w obrębie równowagowego otworu płuczącego
August 26th, 2019
Celem protokołu jest umożliwienie wizualizacji szczegółowych pól przepływu oraz określenie naprężeń bliskich granicy ścinania i normalnych w równowagowym otworze płuczkowym wywołanym przez wibrujący rurociąg.
Ten protokół eksperymentalny ma na celu wizualizację szczegółowych pól przepływu i udziału w pobliżu granicy naprężeń normalnych w równowagowym otworze płuczącym wywołanym przez wymuszony rurociąg wibracyjny. Kluczową zaletą tej techniki pomiarowej jest jej zdolność do jednoczesnego uzyskiwania dynamiki rurociągu, pól przepływu i naprężeń przepływu w pobliżu granicy w wysokiej rozdzielczości. Dzięki zastosowaniu tej techniki można przeprowadzić bardziej dogłębne badania dwuwymiarowego pola przepływu w złożonym środowisku, aby lepiej zrozumieć mechanizm szorowania.
Eksperyment odbywa się w kanale o długości 11 metrów. Przekrój poprzeczny jest kwadratowy o długości boku 0,6 metra. Ten schematyczny widok koryta dostarcza dodatkowych szczegółów, w tym lokalizacji erodywnego modelu dna morskiego.
Poziom wody znajduje się 0,4 metra nad dnem morskim. W modelu dna morskiego należy użyć równomiernie rozłożonego piasku średniego, który został zagęszczony i wyrównany. Umieść konstrukcję systemu wibracyjnego nad kanałem.
Składa się ze stałej ramy, która jest zablokowana na górnych szynach koryta. Stała rama posiada ruchomy słupek, który podtrzymuje aluminiową ramę. Aluminiowe podparcie ramy utrzymuje model rurociągu nad modelem dna morskiego w korycie.
Ten schemat zawiera przegląd konfiguracji. Należy pamiętać, że istnieją cztery łożyska, które zapewniają, że aluminiowa rama nośna może wibrować tylko w pionie. Korbowód między ruchomym słupem a serwomotorem napędza ruch aluminiowej ramy.
Konfiguracja zależy od geometrii rury. Ten duplikat akrylowego modelu rurociągu ma średnicę 35 milimetrów. Wyreguluj ramę nośną i słup tak, aby dno rurociągu znajdowało się o jedną średnicę powyżej początkowej powierzchni dna morskiego.
Przestrzegaj wszystkich protokołów bezpieczeństwa lasera i rozpocznij pracę z laserem. Umieść laser i optykę 532 nm do prędkościomierza na szczycie kanału. Układ optyczny zawiera elementy tworzące arkusz oświetlenia.
Przy włączonym laserze wyreguluj optykę tak, aby w polu zainteresowania w korycie powstała płaska tafla oświetlenia. Arkusz powinien znajdować się wzdłuż środka koryta i równolegle do jego ścian bocznych. Te schematyczne widoki z przodu i z boku wskazują położenie lasera i układu optycznego oraz utworzonego arkusza laserowego w konfiguracji.
Następnie skonfiguruj kamerę aparatu do pomiaru prędkości obrazu cząstek. Użyj szybkiej kamery o odpowiedniej ogniskowej skierowanej prostopadle do arkusza laserowego. Podłącz kamerę do komputera z odpowiednim oprogramowaniem sterującym.
Przy włączonej kamerze dostosuj pole widzenia, aby upewnić się, że obszar dna morskiego płynu rurociągowego jest widoczny, a obraz jest wyraźny. Aby skalibrować konfigurację, zacznij od cząstek wysiewających. Ten proszek aluminiowy dostarcza cząsteczki o średnicy 10 mikronów.
Dodaj około 20 gramów cząstek wysiewających do badanej sekcji koryta. Sprawdź, czy kamera ustawia ostrość wysiewanych cząstek. Następnie umieść linijkę kalibracyjną w polu view na płaszczyźnie arkusza laserowego i uchwyć obraz kalibracyjny.
Po wybraniu częstotliwości próbkowania do zbierania danych wyłącz laser i kamerę. Do eksperymentu zdobądź przezroczystą płytę akrylową. Podeprzyj go na stanowisku testowym poniżej źródła lasera i na powierzchni wody, aby stłumić wahania powierzchni.
Ten schemat zawiera szczegółowe informacje na temat użycia strun przymocowanych do szyn kanałowych do podparcia płyty w tej konfiguracji. Następnie włącz serwomotor na ramie. Zacznie to wywoływać wymuszone wibracje na modelu rurociągu.
Utrzymuj system wibracji w ruchu przez 24 godziny. Po 24 godzinach włącz laser, aby utworzyć arkusz świetlny. Uruchom aparat i jego oprogramowanie sterujące przy użyciu skalibrowanych ustawień.
Następnie wyłącz światła i rozpocznij zbieranie danych. Po zebraniu danych sprawdź, czy gęstość cząstek zasiewu dla okna zapytania 32 na 32 piksele jest większa niż osiem przed zebraniem dodatkowych zestawów danych. Po zebraniu wszystkich zestawów danych rozpocznij przetwarzanie danych.
Pracuj z oprogramowaniem do pomiaru prędkości obrazu cząstek przy otwartym obrazie kalibracyjnym. Następnie przejdź do paska narzędzi i kliknij przycisk ustawień skali. Przesuń krzyżyk do znaku na obrazie linijki i oznacz go.
Następnie oznacz drugi znak na obrazie linijki. W wyświetlonym oknie dialogowym wprowadź odległość między znakami zgodnie z linijką. Zwróć uwagę na skalę, która jest obliczana.
Wróć do paska narzędzi i kliknij przycisk początku. Stamtąd użyj myszy, aby ustawić początek współrzędnych dla wszystkich obrazów danych. Po zakończeniu kliknij tak.
Następnie kliknij menu plików i załaduj pierwszy z surowych obrazów, które zostały zebrane jako dane. Sprawdź, czy inne pliki są dostępne, ale wróć do pierwszego pliku. Następnie kliknij menu parametrów.
W oknie dialogowym wprowadź liczbę plików danych i częstotliwość próbkowania, aby załadować wszystkie obrazy. Zapisz wartości i zamknij pole. Teraz przejdź do menu filtra obrazu.
Tam zastosuj filtr dolnoprzepustowy. Na pasku narzędzi kliknij moduł PTV. Postępuj zgodnie z tym, klikając punkt śledzenia.
Następnie na obrazie znajdź punkt środkowy w prawej połowie obwodu rurociągu i wybierz go. Okej wybór przed kliknięciem narzędzi PTV na pasku narzędzi. W wyświetlonym oknie dialogowym dostosuj ustawienia filtrów gamma, bramki światła i mediany, aby wyróżnić kontur potoku na obrazie.
Po zatwierdzeniu zmian kliknij przycisk śledzenia obiektów. Użyj myszy, aby wybrać możliwą do zidentyfikowania część potoku na przetworzonym obrazie. Po wykonaniu tej czynności oprogramowanie śledzi przemieszczenie na obrazach i rejestruje szeregi czasowe.
Po zapisaniu danych przejdź do i kliknij Narzędzia PTV. W oknie dialogowym kliknij przycisk domyślny i OK, aby odzyskać surowy obraz do późniejszej analizy. Kliknij moduł PTV, aby go dezaktywować.
Pozostaw na pasku narzędzi i otwórz panel parametrów. Sprawdź parametr obliczania wektora prędkości i inne parametry przed zamknięciem okna dialogowego. Następnie przejdź do menu filtra obrazu.
Zastosuj funkcję filtra laplasjańskiego do surowych obrazów, aby uwydatnić cząstki zasiewu i odfiltrować niepożądane rozproszone światło. Teraz wróć do paska narzędzi i kliknij granicę. Użyj myszy, aby ustawić maskę geometryczną na obrazach, aby wykluczyć obszar dna morskiego.
Upewnij się, że granica została ustawiona. Po zakończeniu kliknij przycisk Zapisz obwiednię, aby zapisać dane obwiedni. Na koniec przejdź do paska narzędzi i kliknij przycisk uruchom, aby obliczyć pola prędkości chwilowej przy użyciu metody korelacji krzyżowej.
Eksportuj i zapisz dane pola prędkości chwilowej do dalszej analizy. Jest to zdjęcie quasi-równowagowego profilu płuczącego i wibrującego rurociągu wykonane po 24 godzinach drgań rurociągu. Początek układu współrzędnych do analizy jest ustawiany w punkcie przecięcia na pierwotnej powierzchni dna morskiego i pionowej linii środkowej rurociągu.
Cząstki zasiewu są widoczne, ale bardzo niewiele cząstek osadu jest zawieszonych w przepływie, co sugeruje, że system znajduje się w stanie równowagi. Dane zebrane za pomocą protokołu pozwalają na wizualizację uśrednionego fazowo pola prędkości i dynamiki wirowości. Ten film składa się z 72 klatek pól przepływu z jednego cyklu drgań rurociągu.
Metoda ta może być również stosowana do badania procesów drgań wywołanych wirami, takich jak drgania rurociągu wywołane asymetrią i zrzucaniem wirów.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Niniejszy eksperymentalny protokół ma na celu wizualizację szczegółowych pól przepływu i określenie sił stycznych i normalnych w pobliżu granicy w dołku erozji równoważnej wywołanym przez wibrującą rurociąg. Technika ta pozwala na jednoczesne pomiary o wysokiej rozdzielczości dynamiki rurociągu i naprężeń przepływu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Dynamika płynów
- Inżynieria środowiska
- Mechanika rurociągów
Tło
- Rozumienie mechanizmów erozji jest kluczowe dla bezpieczeństwa rurociągów.
- Poprzednie badania nie miały wysokiej rozdzielczości pomiarów w złożonych środowiskach.
- Wibrujące rurociągi mogą wywoływać znaczne zmiany w dynamice przepływu.
- Dołki erozyjne mogą wpływać na stabilność struktur podwodnych.
Cel badania
- Wizualizacja pól przepływu wokół wibrującego rurociągu.
- Dokładne pomiary sił stycznych i normalnych w pobliżu granicy.
- Zwiększenie zrozumienia mechanizmów erozji w środowiskach morskich.
Stosowane metody
- Ustawienie eksperymentalne w 11-metrowym żłobie.
- Kwadratowy przekrój o wymiarach 0,6 metra.
- Wykorzystanie modelu erodującego dna morskiego dla realistycznych warunków.
- Wysokiej rozdzielczości techniki pomiarowe do jednoczesnego zbierania danych.
Główne wyniki
- Szczegółowe pola przepływu zostały pomyślnie swizualizowane.
- Się styczne i normalne w pobliżu granicy zostały sprecyzowane.
- Zdobyto wgląd w dynamikę dołków erozyjnych.
- Metodologia okazała się skuteczna dla złożonych środowisk przepływu.
Wnioski
- Protokół zapewnia solidne ramy dla badania mechanizmów erozji.
- Pomiar o wysokiej rozdzielczości może wpłynąć na projektowanie rurociągów i bezpieczeństwo.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej metodologii dla głębszego wglądu.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
High-resolution visualization of flow fields and near-boundary stresses around vibrating pipelines enables precise quantification of dynamic interactions in complex environments. This capability supports mechanistic de-risking and predictive modeling for infrastructure exposed to fluid-structure interactions. The method's simultaneous measurement of pipeline dynamics and flow fields informs early-stage risk assessment and design optimization in R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of dynamic fluid-structure interactions relevant to mechanistic de-risking.
- Supports hypothesis testing for stress distribution and flow-induced effects on engineered systems.
- Provides high-resolution data for validating computational models and informing target selection in physical system studies.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated experimental systems for downstream analysis of flow-induced phenomena.
- Delivers reproducible, quantitative outputs for benchmarking and standardization of measurement protocols.
- Enables scalable data acquisition for comparative evaluation of pipeline or device configurations.
Translational & Preclinical Research
- Aligns experimental outputs with predictive models for translational continuity in engineering and environmental risk studies.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation of fluid-structure interaction hypotheses.
- Provides mechanistic insights that inform risk-adjusted advancement decisions for engineered systems.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-validation continuum for engineered systems exposed to dynamic fluid environments.
- Discovery Biology: Quantitative flow field and stress measurements support hypothesis testing and mechanistic clarification.
- Screening: High-resolution, reproducible outputs enable robust assay development and system benchmarking.
- Analytics: Time-resolved velocity and stress data provide actionable readouts for comparative analysis.
- Translational Research: Experimental data align with predictive models for risk assessment and design optimization.
- Enterprise Reuse: The protocol is adaptable for repeated use across diverse fluid-structure interaction studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in dynamic system studies.
- Operational Value: Standardizes high-resolution measurement and data processing workflows.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and optimizes resource allocation in R&D portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of engineering solutions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in experimental hydrodynamics and advanced imaging techniques.
- Demands access to high-speed cameras, laser-based PIV systems, and robust data processing infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of calibration and data analysis protocols.
- Adaptation may be needed for different pipeline geometries or environmental conditions.
- Practical limitations include the need for controlled laboratory environments and adherence to laser safety protocols.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:39
Flume and Seabed Model Setup
1:12
Vibration System Setup and Pipeline Model
2:15
Particle Image Velocimetry Setup
3:22
Experimental Setup Optimization and Calibration
4:03
Running the Experiment and Data Collection
5:07
Data Processing
8:23
Results: Visualization of Flow Near a Vibrating Pipe and a Quasi-equilibrium Scour Profile
9:08
Conclusion
