Visualização do campo de fluxo em torno de um encanamento vibratório dentro de um furo de Scour do equilíbrio

Resumo

O objetivo do protocolo é permitir a visualização dos campos detalhados do fluxo e a determinação da tesoura Near-Boundary e das tensões normais dentro de um furo do vasculhar do equilíbrio induzido por um encanamento de vibração.

Resumo

Um método experimental é apresentado neste papel para facilitar o visualização dos campos detalhados do fluxo e a determinação da tesoura Near-Boundary e de tensões normais dentro de um furo vasculhar do equilíbrio induzido por um encanamento de vibração. Este método envolve a implementação de um sistema de vibração de pipeline em uma linha reta, um sistema de Velocimetria de imagem de partícula resolvida pelo tempo (PIV) para medições de rastreamento de deslocamento de pipeline e campos de fluxo. As séries temporais de deslocamento do gasoduto vibratório são obtidas usando os algoritmos de correlação cruzada. As etapas para processar imagens carregadas de partículas brutas obtidas usando o PIV de tempo resolvido são descritas. Os campos instantâneos detalhados do fluxo em torno do encanamento de vibração em fases de vibração diferentes são calculados usando um algoritmo da Cruz-correlação do múltiplo-tempo-intervalo para evitar o erro do viés do deslocamento nas regiões do fluxo com um grande inclinação da velocidade . Aplicando a técnica de transformação wavelet, as imagens capturadas que têm a mesma fase vibratória são catalogadas com precisão antes que os campos de velocidade de fase média sejam obtidos. As principais vantagens da técnica de medição de vazão descrita neste artigo são que ela tem uma resolução temporal e espacial muito alta e pode ser usada simultaneamente para obter a dinâmica do pipeline, os campos de fluxo e as tensões de fluxo próximo do limite. Usando esta técnica, os estudos mais detalhados do campo de fluxo 2-dimensional em um ambiente complexo, tal como aquele em torno de um encanamento de vibração, podem ser conduzidos para compreender melhor o mecanismo sofisticado associado do vasculhar.

Introdução

Os dutos submarinos são amplamente utilizados em ambientes offshore com a finalidade de transporte de produtos fluidos ou Hidrocarbono. Quando um encanamento é coloc em um leito marinho erodible, um furo do vasculhar em torno do encanamento é provável se formar por causa das ondas, das correntes ou dos movimentos dinâmicos do encanamento próprio (forçado-vibração ou Vortex-induzido-vibração)^1,2. Para melhorar a compreensão do mecanismo de vasculhar em torno de um encanamento Subsea, as medidas dos campos de fluxo turbulento e as estimativas da tesoura da cama e das tensões normais dentro da região da interação do encanamento-fluido-fundo são essenciais além do que medições da dimensão do orifício de vasculhar^{1,2,3,4,5,6,7.} Em um ambiente onde o cisalhamento da cama e as tensões normais são extremamente difíceis de ser determinado porque o campo de fluxo é instável e o limite inferior é áspero, tensões instantâneas medidos do próximo-limite (em aproximadamente 2 milímetros acima do limite) poderiam ser usado como o seu substituto^8,9. Nas últimas décadas, o vasculhar em torno de um encanamento vibratório foi estudado e publicado sem apresentar quantitativamente os valores dos campos sofisticados do fluxo em torno do encanamento dentro do furo de vasculhar^{3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16},^17, de ^{18 anos}. Conseqüentemente, o objetivo deste papel do método é fornecer um protocolo experimental novo para visualizar os campos detalhados do fluxo e determinar a tesoura Near-Boundary e tensões normais dentro de um furo vasculhar do equilíbrio induzido por um encanamento de vibração forçado. Deve-se notar que o processo de interação oleoduto-fluido-marinho neste estudo está em um ambiente de água quiescente em vez daqueles com correntes e ondas unidirecionais.

Este método experimental consiste em dois componentes importantes, a saber, (1) simulação de vibrações do encanamento (forçado); e (2) medições dos campos de fluxo em torno do pipeline. No primeiro componente, o encanamento vibratório foi simulado em uma peneira experimental usando um sistema de vibração, que tenha um servo motor, duas molas de conexão, e frames suportando do encanamento. As freqüências e as amplitudes diferentes da vibração podem ser simuladas ajustando a velocidade do motor e a posição das molas de conexão. No segundo componente, as técnicas de velocidade de imagem de partícula (PIV) e de transformação wavelet foram adotadas para obter dados de campo de fluxo de alta resolução temporal e espacial em diferentes fases de vibração do pipeline. O sistema PIV tempo-resolved consiste em um laser contínuo da onda, em uma câmera de alta velocidade, em partículas de propagação, e em algoritmos da Cruz-correlação. Embora as técnicas de PIV tenham sido amplamente utilizadas na obtenção de campos de fluxo turbulentos estáveis¹⁹,^{20,21,22,23,24,25}, as aplicações em condições de campo de fluxo instável complexas, como os casos de interação fluidoduto-fluidos-marinhos, são relativamente limitadas^8,9,26,27. A razão provavelmente é porque o algoritmo de correlação cruzada de intervalo único tradicional de técnicas de PIV é incapaz de capturar com precisão os recursos de fluxo em campos de fluxo instável onde um gradiente de velocidade relativamente alta está presente^{9, vinte}anos. O método descrito neste documento pode resolver esse problema usando o algoritmo de correlação cruzada de intervalo múltiplo de tempo^9,28.

Protocolo

1. verificação de segurança laboratorial

1. Rever as regras de segurança relativas à utilização do sistema de laser e de Flume.
2. Assegure-se de que os requisitos de treinamento de segurança do laboratório foram atendidos.
   Nota: neste experimento, um conjunto de 5W de ar-resfriamento de onda contínua laser com um comprimento de onda de 532 nm e um vidro-face reta Flume (Figura 1) com dimensões de 11 m comprimento, 0,6 m largura, e 0,6 m profundidade são utilizados. As recomendações básicas de segurança para estes dois aparelhos são as seguintes:
   1. Verifique as superfícies de reflexão potenciais na linha de visão do laser antes do teste; usar óculos de segurança ao operar o dispositivo a laser.
   2. Evite ter olhos no nível do feixe de laser durante os experimentos e ter cuidado de luzes de laser refletidas ao manusear os elementos ópticos ou ferramentas reflexivas.
   3. Assegure-se de que a mangueira de água não caia e que não haja sempre água transbordante da calha.

2. configuração do modelo do Flume e do fundo do mar

1. Prepare o modelo marinho erodible localizado no meio do Flume.
   Nota: o material do sedimento utilizado neste estudo foi uma areia média distribuída uniformemente com um tamanho de grão mediano d₅₀ = 0,45 mm, densidade de partículas submersas relativa Δ = 1,65 e desvio padrão geométrico σ_g = 1,30.
2. Compacto e nivelado o fundo do mar usando um nivelador de areia.
3. Encha lentamente o Flume com uma mangueira de água e certifique-se de que uma superfície plana do fundo do mar está intacta durante o processo de enchimento; parar o enchimento quando o nível da água atingiu uma profundidade de 0,4 m acima do fundo do mar.
4. Limpe a plataforma superior do Flume e o vidro para configurar o modelo do encanamento e o sistema de PIV.

3. modelo de pipeline e sistema de vibração de configuração

1. Use um modelo pré-fabricado do encanamento a forma de um cilindro acrílico com um diâmetro de 35 milímetros e de um comprimento de 0,56 m.
2. Monte o modelo do encanamento em um frame de apoio de alumínio, que, por sua vez, seja conectado por duas molas a um pólo móvel em um outro frame fixo que seja travado nos trilhos superiores do Flume, como ilustrado na Figura 2. Fixe o quadro de suporte dentro do quadro fixo usando quatro rolamentos para garantir que o quadro de suporte possa vibrar livremente apenas ao longo da direção vertical (Figura 2).
3. Use uma haste de conexão para amarrar o pólo móvel a um servo motor montado na parte superior do frame fixo. Neste estudo, o peso do sistema de vibração montado, incluindo o modelo do encanamento e os frames de alumínio, é 1,445 quilogramas, que tem uma relação de massa equivalente (m*) de 2,682; uma frequência natural (f_N) de 0,82 Hz; e a relação de amortecimento (ζ) de 0,124.
4. Ajuste o pólo móvel e o quadro de apoio para obter uma certa relação de lacuna entre o oleoduto e o fundo do mar.  Neste estudo, g/D = 1, onde g é a distância vertical entre o fundo do oleoduto e a superfície inicial do fundo do mar; e D é o diâmetro do encanamento.
5. Gire sobre o servo motor para induzir uma vibração forçada no encanamento; Ajuste os frames de apoio e os quatro rolamentos para assegurar-se de que a vibração do encanamento esteja ao longo da direção vertical. Desligue o servo motor quando os ajustes dos frames de apoio terminaram.
6. Compactar e nivelar o fundo do mar novamente antes de executar o experimento se o modelo do fundo do mar é perturbado em 3,5.

4. configuração PIV

1. Coloc o dispositivo do laser na parte superior do Flume e instale a folha do laser que dá forma ao sistema ótico.
2. Gire sobre o dispositivo do laser e ajuste a folha do laser que dá forma ao sistema ótico de modo que uma folha lisa iluminada dentro do campo--interesse esteja dada forma.
   Nota: neste estudo, a folha verde iluminada do laser é 1,5 milímetros grossa, paralela às paredes de vidro do Flume e é moldada para baixo na água ao longo da linha central do Flume. O campo de interesse deste estudo refere-se à região de interação do oleoduto-fluido-marinho e está confinado à metade direita do oleoduto. A sombra do pipeline será vista no lado esquerdo do pipeline.
3. Configure a câmera de alta velocidade.
   Observação: para este estudo, uma câmera de alta velocidade com armazenamento de 12 gigabytes de memória e uma resolução máxima de 2,3 MPX (1920 × 1200) é usada (por exemplo, Phantom Miro LAB 320). Os procedimentos detalhados da operação são como segue:
   1. Monte a lente com o comprimento focal apropriado na câmera de alta velocidade. Aparafuse a câmera de alta velocidade em um tripé de altura regulável; ajustar a câmara ao nível da região de observação com o seu eixo perpendicular à folha de laser iluminada.
      Nota: Este estudo utiliza uma lente Prime de 60 mm na sua abertura máxima de f/2.8.
   2. Conecte a câmera ao computador usando um cabo Ethernet e ligue o software de controle da câmera (por exemplo, Phantom PCC 2,6); Ligue a câmera e conecte-a ao computador na interface do software de controle da câmera.
   3. Ajuste o tripé para garantir que o campo de visão da câmera cubra a região de interação fluido-leito-fluído do pipeline; nivelar a câmera usando o nível de bolha embutido no tripé; ajustar o anel de focagem na lente para garantir que a folha de laser é clara no plano focal.

5. optimização e calibração experimentais da instalação

1. Adicione partículas de semeadura de PIV à seção de teste do Flume.
   Nota: as partículas de semeadura utilizadas neste estudo foram pós de alumínio com diâmetro de 10 μm e densidade específica de 2,7.
2. Aumente a intensidade da luz da folha de laser, se necessário.
3. Verifique o foco da câmera observando as partículas de semeadura iluminadas na folha de laser através de uma visualização de câmera ao vivo no computador; ajustar o anel de focagem, se necessário, para garantir que as partículas de semeadura estão afiadas e em foco.
4. Coloque uma régua de calibração dentro do campo de visão no plano da folha de laser e Capture uma imagem de calibração.
   Nota: a resolução adotada da imagem neste estudo foi de 1600 × 1200 pixels.
5. Selecione uma taxa de amostragem adequada para a coleta de dados.
   Nota: a taxa de amostragem escolhida deve garantir que o deslocamento da partícula de semeadura dentro de um par de imagens seja inferior a 50% do comprimento máximo da janela de interrogação. Neste estudo, o tamanho máximo da janela de interrogação é de 32 × 32 pixels e a taxa de amostragem adotada é de 200 frames por segundo.
6. Desligue o laser e a câmera quando as etapas 5.1-5.5 são terminadas.

6. executando o experimento e coleta de dados

1. Coloc uma placa acrílica transparente (20 milímetros grossa) abaixo da fonte de laser e na superfície da água, para suprimir flutuações da superfície da água, e para assegurar o acesso ótico tranquilo para a luz de laser.
2. Gire sobre o servo motor para induzir vibrações forçadas no modelo do encanamento.
   Nota: neste estudo, a frequência induzida do servo motor é de f₀ = 0,3 Hz.
3. Mantenha o sistema de vibração funcionando para (t =) 1440 min para obter um furo de vasculhar do quasi-equilíbrio abaixo do encanamento de vibração.
4. Ligue o laser e ajuste a potência de saída para a intensidade otimizada. Ative o software de controle da câmera e da câmera e aplique as configurações calibradas à câmera. Desligue as luzes de fundo do laboratório.
5. Comece a gravar a imagem de campo de fluxo carregado de partículas com a taxa de amostragem selecionada em 5,6 clicando na parte inferior da captura no software de controle de software da câmera.
   Nota: para cada gravação única neste estudo, o armazenamento da câmara permite que 1.000 imagens sejam capturadas.
6. Depois que a coleta de dados for concluída, revise a qualidade da imagem gravada e verifique se a densidade de partícula de propagação por janela de interrogação (32 × 32 pixels) é maior que 8. Salve o arquivo gravado se estiver satisfeito, caso contrário, a densidade de semeadura é aumentada lentamente injetando soluções de semeadura na região de observação e repita as etapas 6.3-6.5.
7. Repita as etapas 6.3-6.5 para coletar mais conjuntos de dados.
   Nota: para este estudo, mais de 20.000 imagens foram tomadas para garantir que são obtidos dados brutos suficientes para o cálculo das velocidades de fluxo, vorticidades, turbulência e tensões de limite próximo.
8. Desligue o dispositivo a laser, a câmera e o motor do servidor quando todas as coletas de dados forem concluídas; acender as luzes de fundo no laboratório.

7. processamento de dados

1. Abra o software; Clique no botão pasta de arquivo na barra de ferramentas e carregue a imagem de calibração tirada na etapa 5,4.
   Observação: Use o programa de processamento de dados para rastreamento de deslocamento de pipeline e software de cálculos de campo de fluxo (por exemplo, PISIOU).
2. Clique no botão configuração da escala na barra de ferramentas; medir uma distância conhecida na imagem de calibração para calcular a escala da imagem.
   Nota: a escala de imagem calculada foi de 0,1694 mm/pixel.
3. Clique no botão Origin na barra de ferramentas; definir a origem das coordenadas em cada imagem.
4. Extraia o tempo-série do deslocamento do encanamento de vibração das imagens gravadas.
   1. Carregue as imagens brutas tiradas no passo 6. Em seguida, clique no painelde parâmetros , digite o número de arquivos de dados e a taxa de amostragem.
   2. Aplique o filtro passa baixa no menu de filtro de imagem .
      Observação: esta operação permitirá que a borda do pipeline (destino a ser rastreado) seja prontamente reconhecida nas imagens processadas (consulte a Figura 3a).
   3. Na barra de ferramentas, clique no módulo PTV. Em seguida, clique em botão de ponto de rastreamento , selecione o ponto central do pipeline. Ir para ferramentas PTV, ajustar Gamma, Light Gate e filtro mediano para destacar o contorno pipeline na imagem. Clique no botão de controle de objeto na barra de ferramentas; Selecione a região de destino (ou seja, o Pipeline) na imagem processada e acompanhe o deslocamento do pipeline vibratório de imagens processadas consecutivas; registrar as séries temporais de deslocamento, η(t), do pipeline vibratório para processos de dados de campo de fluxo subsequentes (vide Figura 4).
   4. Exporte e salve os dados da série temporal de deslocamento do pipeline para cálculos adicionais.
5. Determine os campos de velocidade instantânea das imagens gravadas.
   1. Vá para ferramentas PTV, clique no botão padrão para retomar a imagem bruta para análise PIV subsequente. Desative o módulo PTV clicando no módulo PTV. Abra o painel Parameter na barra de ferramentas; especificar o parâmetro de cálculo de vetor de velocidade.
      Nota: neste estudo, um processo de iteração de várias passagens é adotado como as janelas de interrogatório, que começou a partir de 32 × 32 pixels, em seguida, passou com 16 × 16 pixels, e terminou com 8 × 8 pixels; todos os passes usam uma sobreposição de 50% entre as subjanelas adjacentes.
   2. Aplique a função de filtro Laplaciano no menu de filtro de imagem às imagens brutas para realçar as partículas de semeadura e filtre a luz de espalhamento indesejável (ver Figura 3c).
   3. Clique no botão limite na barra de ferramentas, defina a máscara geométrica nas imagens para excluir a região do fundo do mar para obter mais cálculos. Clique no botão salvar limite para salvar os dados de limite.
   4. Clique no botão executar na barra de ferramentas para calcular os campos de velocidade instantânea para diferentes fases vibratórias usando o método de correlação cruzada.
      Nota: neste estudo, um algoritmo de intervalo de vários tempos é adotado para reduzir o erro de viés devido ao gradiente de alta velocidade no campo de fluxo (veja a Figura 5). Os intervalos de tempo múltiplo adotados para cálculos de correlação cruzada são Δt, 3δt,9Δt e 21δt (δt = 5 ms). O critério de correlação satisfatório é superior a 70%.
   5. Exporte e salve os dados de campos de velocidade instantânea para análise posterior.
6. Determine os campos de velocidade de média de fase dos campos de velocidade instantânea calculados com o algoritmo conforme descrito em Newland 1994^{29, 30} e Hsieh 2008²⁸.
   Nota: os procedimentos de cálculo para esta etapa são descritos da seguinte maneira:
   1. Aplique a função de transformação wavelet às séries temporais de deslocamento, η(t), do pipeline vibratório para obter a fase instantânea para cada campo de velocidade instantânea. A função de transformação wavelet é definida como:
      1
      onde W_é o coeficiente wavelet; α e β são os parâmetros de escala e de tradução, respectivamente; a função é a função de Morlet e é calculada como ; o sobrescrito "*" denota o conjugado complexo. As fases instantâneas, Φ, do gasoduto vibratório que correspondem aos diferentes deslocamentos de dutos podem ser calculadas a partir de:
      2
   2. Média dos campos de velocidade instantânea com a mesma fase para obter os campos de velocidade com média de fase.
   3. Determine a vorticidade de fluxo, ω₂, nos campos de velocidade calculados em média de fase de:
      3
      onde e são velocidades de média de fase ao longo de direções x e y .
7. Carregue a velocidade calculada em média de fase e os dados de vorticidade no software Tecplot para visualização.
8. Determine a cisalhamento de limite próximo e as tensões normais dos campos de velocidade instantânea calculados com o algoritmo conforme descrito em Hsieh et al. 2016 ⁹. Os procedimentos de cálculo para esta etapa são descritos da seguinte maneira:
   1. Extraia os dados de velocidade de limite próximo (0-5 mm acima do fundo do mar) dos campos de fluxo de velocidade calculados com média de fase.
   2. Calcule as tensões de cisalhamento de limite próximo, t_s e tensões normais, t_n, ao longo do perfil vasculhar (aproximadamente 2 mm acima do limite do furo de vasculhar) para diferentes fases dentro de um ciclo vibratório. Nota: as equações de cálculo são as seguintes:
      , (4)
      onde, μ = viscosidade dinâmica do fluido (aqui tomado como 1 × 10^-3 pa ∙ s); u_p = velocidade próxima do limite paralela à cama; u_n = velocidade próxima do limite perpendicular à cama; _n = distância normal da cama.
9. Carregue os dados de cisalhamento próximo do limite calculado e tensões normais em um software (por exemplo, Tecplot) para visualização.

Resultados

Um exemplo da comparação entre a imagem bruta e a imagem processada do rastreamento de deslocamentos de pipeline e o cálculo da velocidade instantânea é mostrado na Figura 3. Como mostrado na Figura 3b, as partículas de propagação e o ruído na imagem bruta são filtrados e a aresta de pipeline brilhante é mantida para obter a série temporal de deslocamento. Como mostrado nas figuras 3C, os espalhadores/reflexões da luz em torno d...

Discussão

O protocolo apresentado neste artigo descreve um método para visualização dos campos de fluxo bidimensional e determinação dos campos de tensão de fluxo próximo ao redor de um pipeline de vibração forçado em um furo de vasculhar de equilíbrio usando as técnicas de PIV. Desde que o movimento projetado do encanamento é unidimensional ao longo da direção y , preparando e ajustando o modelo do encanamento e o sistema da vibração para cumprir este objetivo são pré-requisitos críticos para um resultado bem sucedido. T...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Software de controle de câmera	Vision Research	Phantom PCC 2.6	Controle de câmera, aquisição e processamento de dados de imagem
Lente da câmera	Nikon Chiyoda		Nikor  60mm, f=2.8 lente prime
Laser de onda contínua	Pequim Laserwave optoeletrônica technology co. ltd.		Fonte de laser PIV; Laser Nd:YAG, 532 nm; Câmera de
alta velocidade	a ar Vision Research	Phantom Miro LAB 320	Gravação de dados de imagem
Óptica de formação de chapas a laser	Thorlabs Inc		Transformar o laser de ponta em uma folha de laser fina
Modelo de tubulação	ZONCEPZ SOLUTIONS		Cilindro acrílico com um diâmetro de 35 mm Sistema de vibração de
tubulação	ZONCEPZ SOLUTIONS		Consiste em um motor de corte, duas molas de conexão e estruturas de suporte de tubulação.
Software de cálculo	PIV AXESEA Engineering Technology Limited Co.	PISIOU	Processamento de dados de imagem para obtenção de campos de fluxo e deslocamentos de tubulação
Materiais de semeadura PIV	Pó de alumínio Shimakyu		com um diâmetro de 10um
Calha de recirculação	SZU ENGINEERING PTE LTD		Lado de vidro, 11 m de comprimento, 0,6 m de largura e 0,6 m de profundidade
Tripé	MANFROTTO	SKU MT190GOC4US 410	Camara de apoio