Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Visualisering av Flow Field rundt en vibrerende pipeline innenfor en likevekt skuring Hole

Published: August 26, 2019 doi: 10.3791/59745
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 4
1Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense, Ministry of Education, Hohai University, 2School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, 3Ocean College, Zhejiang University, 4AXESEA Information Technology Co. LTD

Summary

Målet med protokollen er å muliggjøre visualisering av de detaljerte strømnings felt og bestemmelse av nær-grensen skjær og normale påkjenninger innenfor en likevekt skuring hullet indusert av en vibrerende rørledning.

Abstract

En eksperimentell metode er presentert i denne utredningen for å lette visualisering av detaljert flyt felt og bestemmelse av nær-grensen skjær og normal påkjenninger innenfor en likevekt gjennomsøke hullet indusert av en vibrerende rørledning. Denne metoden innebærer gjennomføringen av en pipeline vibrasjon system i en rett flume, en tid-løst partikkel bilde velocimetry (PIV) system for rørledning forskyvning sporing og flyt felt målinger. Forskyvnings tiden-serien av vibrerende rør oppnås ved hjelp av kryss-korrelasjon algoritmer. Trinnene for behandling av rå partikkel Laden bilder innhentet ved hjelp av tids løst PIV er beskrevet. Detaljerte momentant flyt felt rundt vibrerende rørledningen på ulike vibrerende faser beregnes ved hjelp av en fler tidsintervall tvers av korrelasjon algoritme for å unngå forskyvning bias feil i strømnings områder med en stor hastighet gradient . Ved å bruke wavelet transformerings teknikk, blir de innspilte bildene som har samme vibrerende fase, nøyaktig katalogisert før de fase gjennomsnittet av hastighets feltene er oppnådd. De viktigste fordelene med strømnings måling teknikken som er beskrevet i denne utredningen er at den har en svært høy Temporal og romlig oppløsning og kan samtidig brukes til å oppnå rørledningen dynamikk, flyt felt, og nær-grensen flyt påkjenninger. Ved å bruke denne teknikken, mer dyptgående studier av 2-dimensjonale flyt-feltet i et komplekst miljø, for eksempel at rundt en vibrerende rørledning, kan gjennomføres for å bedre forstå de tilknyttede sofistikerte skuring mekanisme.

Introduction

Subsea rørledninger er mye brukt i offshore miljøer i den hensikt å væske eller Hydro-karbon produkter transport. Når en rørledning er plassert på en forsvinnende havbunnen, vil en skuring hull rundt rørledningen trolig danne på grunn av bølgene, strømninger eller dynamiske bevegelser av rørledningen selv (tvungen vibrasjon eller Vortex-indusert-vibrasjon)1,2. For å forbedre forståelsen av skuring mekanismen rundt en undersjøisk rørledning, målinger av turbulente strømnings felt og estimater av sengen skjær og normal påkjenninger innenfor rørledningen-Fluid-hav bunns interaksjon regionen er avgjørende i tillegg til målinger av skuring hullet dimensjon1,2,3,4,5,6,7. I et miljø der sengen skjær og normal påkjenninger er ekstremt vanskelig å bli bestemt fordi strømnings feltet er ustø og den nederste grensen er grov, målt momentant nær grensen påkjenninger (på ca 2 mm over grensen) kan være brukt som deres surrogat8,9. I de siste ti årene, skuring rundt en vibrerende rørledning har blitt studert og publisert uten kvantitativt presentere verdiene av sofistikerte flyt feltene rundt rørledningen i skuring hullet3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18 i år. Derfor er målet med denne metoden papiret for å gi en roman eksperimentell protokoll for å visualisere detaljert flyt felt og å bestemme nær grensen skjær og normal påkjenninger innenfor en likevekt gjennomsøke hullet indusert av en tvungen vibrerende rørledning. Det bør bemerkes at pipeline-Fluid-hav bunns interaksjon prosessen i denne studien er i et Quiescent vann miljø i stedet for de med enveis strøm og bølger.

Denne eksperimentelle metoden består av to viktige komponenter, nemlig (1) simulering av rørledning (tvungen) vibrasjoner; og (2) målinger av strømnings feltene rundt rørledningen. I den første komponenten, den vibrerende rørledningen ble simulert i en eksperimentell flume ved hjelp av en vibrerende system, som har en servo motor, to kobler fjærer, og rørledning støtte rammer. Forskjellige vibrasjons frekvenser og amplituder kan bli simulert ved å justere motorens hastighet og plassering av forbindelses fjærene. I den andre komponenten ble tids løste partikkel bilde velocimetry (PIV) og wavelet transformerings teknikker vedtatt for å oppnå høy Temporal og avstandstoleranse felt data for oppløsning i ulike rørlednings vibrasjons faser. Det tid-løste PIV system består av en sammenhengende bølge laser, en høy-fart kameraet, frø partikler, og krysset-korrelasjon algoritmer. Selv om PIV teknikker har vært mye brukt i å oppnå jevn turbulent Flow felt19,20,21,22,23,24,25, programmer i komplekse ustø Flow feltforhold, for eksempel tilfeller av rørledning-væsker-havbunnen interaksjon, er relativt begrenset8,9,26,27. Anledningen sannsynligvis er fordi tradisjonell enkelt-tid-intervall krysset-korrelasjon algoritmen av PIV teknikker er ute av stand til å akkurat fange det flyte vise egenskaper inne ustø flyte felter der hvor en relativt høy hastighet gradient er gave9, og 20. Metoden som er beskrevet i dette dokumentet, kan løse dette problemet ved å bruke fler tidsintervall algoritmen9,28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. laboratorie sikkerhet sjekk

  1. Les gjennom sikkerhetsreglene knyttet til bruk av laser-og flume systemet.
  2. Sørg for at sikkerhets opplærings kravene til laboratoriet er oppfylt.
    Merk: i dette eksperimentet, et sett med 5W luftkjøling kontinuerlig bølge laser med en bølgelengde på 532 nm og en glass-sidig straight flume (figur 1) med dimensjoner på 11 m lengde, 0,6 m bredde og 0,6 m dybde brukes. De grunnleggende sikkerhets anbefalingene for disse to apparater er som følger:
    1. Sjekk den potensielle refleksjon overflater i laser line-of-sight før testing; Bruk vernebriller når du bruker laserapparatet.
    2. Unngå å ha øyne på nivået av laserstrålen under eksperimenter og være forsiktig med reflektert laser lys når du håndterer den optiske elementer eller reflekterende verktøy.
    3. Sørg for at vannslangen ikke faller av, og at det alltid ikke er vann som flyter fra flume.

2. Flume og bunn modell oppsett

  1. Forbered den forsvinnende hav bunns modellen som ligger midt i flume.
    Merk: sediment materialet som brukes i denne studien var en jevnt fordelt medium sand med en median kornstørrelse d50 = 0,45 mm, relativ neddykket partikkel tetthet Δ = 1,65 og geometrisk standardavvik σg = 1,30.
  2. Kompakt og Plant havbunnen ved hjelp av en sand leveler.
  3. Fyll langsomt flume med en vannslange og sørg for at en flat hav bunns overflate er intakt under fyllings prosessen; stoppe fylling når vannstanden har nådd en dybde på 0,4 meter over havbunnen.
  4. Tøm flume topp plattform og glass for å sette opp pipeline-modellen og PIV-systemet.

3. oppsett for pipeline-modell og vibrasjonssystem

  1. Bruk en prefabrikkerte rørledning modell i form av en akryl sylinder med en diameter på 35 mm og en lengde på 0,56 m.
  2. Monter rørlednings modellen på en aluminiums bærende ramme, som i sin tur er forbundet med to fjærer til en bevegelig stang på en annen fast ramme som er låst på de øverste skinnene til flume, som illustrert i figur 2. Fest støtte RAM men inne i den faste rammen ved å bruke fire kulelager for å sikre at støtte RAM men fritt kan vibrere langs den vertikale retningen (figur 2).
  3. Bruk en forbindelses stang for å knytte den bevegelige stangen til en servo motor montert på toppen av den faste rammen. I denne studien er vekten av det sammensatte vibrerende systemet, inkludert rørlednings modellen og aluminiumsrammer, 1,445 kg, som har et tilsvarende masse forhold (m*) av 2,682; en naturlig frekvens (fN) på 0,82 Hz; og demping ratio (ζ) av 0,124.
  4. Juster den bevegelige stangen og støtte RAM men for å oppnå et visst gap forhold mellom rørledningen og havbunnen.  I denne studien, g/D = 1, der G er den vertikale avstanden mellom bunnen av rørledningen og første hav bunns overflate; og D er rørledningen diameter.
  5. Slå på servo motor for å indusere en tvungen vibrasjon på rørledningen; justere støtte RAM mer og fire kulelager for å sikre at rørlednings vibrasjonene er langs vertikal retning. Slå av servo motor når justeringer av støtte rammer har fullført.
  6. Komprimer og Plant havbunnen igjen før du kjører eksperimentet hvis hav bunns modellen forstyrres i 3,5.

4. PIV oppsett

  1. Plasser laser enheten på toppen av flume og Installer laser ark forming optikk.
  2. Slå på laser enheten og Juster laser ark forming optikk slik at en belyst flatt ark inne i feltet-av-interesse dannes.
    Merk: i denne studien er det opplyste grønne laser arket 1,5 mm tykt, parallelt med flume glassvegger og kastes nedover i vannet langs midtlinjen til flume. Feltet-av-interesse for denne studien refererer til samspillet regionen av rørledningen-væske-havbunnen og er begrenset til høyre halv side av rørledningen. Skyggen av rørledningen vil bli sett på venstre halv side av rørledningen.
  3. Sett opp høyhastighets kameraet.
    Merk: for denne studien, en høyhastighetskamera med 12-gigabyte-minne lagring og en maksimal oppløsning på 2,3 MPX (1920 × 1200) brukes (for eksempel Phantom Miro LAB 320). De detaljerte operasjons prosedyrene er som følger:
    1. Monter linsen med riktig brennvidde på høyhastighets kameraet. Skru høyhastighets kameraet på en høydejusterbart stativ; justere kameraet til nivået på observasjons regionen med sin akse vinkelrett på det opplyste laser arket.
      Merk: denne studien bruker en 60 mm Prime objektiv på sin maksimale blenderåpning på f/2.8.
    2. Koble kameraet til datamaskinen ved hjelp av en Ethernet-kabel og slå på kamerakontroll programvaren (for eksempel Phantom PCC 2,6); slå på kameraet og koble det til datamaskinen i kameraets kontrollprogramvare grensesnitt.
    3. Juster stativet for å sikre at kameraets synsfelt dekker det rørlednings området som er flytende i havbunnen; nivå kameraet ved hjelp av den innebygde boblen nivå på stativet; justere fokusringen på objektivet for å sikre at laser arket er klart på fokalplanet.

5. eksperimentell oppsett optimalisering og kalibrering

  1. Legg PIV seeding partikler til test delen av flume.
    Merk: seeding partikler som brukes i denne studien var aluminium pulver med en diameter på 10 μm og en bestemt tetthet av 2,7.
  2. Forbedre lysstyrken på laser arket om nødvendig.
  3. Kontroller fokuset for kameraet ved å observere de opplyste seeding partiklene på laser arket gjennom en live kameravisning på datamaskinen; finjustere fokusringen, om nødvendig, for å sikre at seeding partiklene er skarpe og i fokus.
  4. Plasser en kalibrerings linjal inne i synsfeltet på Planet på laser arket, og ta ett kalibrerings bilde.
    Merk: den adopterte oppløsningen av bildet i denne studien var 1600 × 1200 piksler.
  5. Velg riktig samplingsfrekvens for datainnsamling.
    Merk: den valgte samplingsfrekvensen bør sikre at seeding partikkel forskyvning i et par av bilder er mindre enn 50% av den maksimale avhør vinduet lengde. I denne studien er det maksimale avhør vinduet størrelse 32 × 32 piksler og vedtatt samplingsfrekvens er 200 bilder per sekund.
  6. Slå av laseren og kameraet når trinn 5.1-5.5 er fullført.

6. kjøre eksperimentet og datainnsamlingen

  1. Plasser en gjennomsiktig akryl plate (20 mm tykk) under laser kilden og på vannoverflaten for å undertrykke svingninger i vannoverflaten, og sørg for rolig optisk tilgang for laser lyset.
  2. Slå på servo motor for å indusere tvungen vibrasjoner på rørledningen modellen.
    Merk: i denne studien er indusert frekvensen av servo motoren f0 = 0,3 Hz.
  3. Hold vibrasjons systemet kjører for (t =) 1440 min å få en kvasi-likevekt gjennomsøke hullet under vibrerende rørledning.
  4. Slå på laseren og Juster utgangseffekten til den optimaliserte intensiteten. Slå på kamera-og kamerakontroll programvaren, og bruk de kalibrert innstillingene på kameraet. Slå av bakgrunns lysene i laboratoriet.
  5. Start innspillingen av seeding partikkel-Laden Flow feltet bilde med samplingsfrekvensen valgt i 5,6 ved å klikke på Capture Bottom i kameraet programvarekontroll programvare.
    Merk: for hver enkelt innspilling i denne studien, tillater kamera lagringen at 1 000 bilder fanges opp.
  6. Når datainnsamlingen er fullført, se gjennom innspilt bildekvalitet og sjekk om seeding partikkel tetthet per avhør vinduet (32 × 32 piksler) er større enn 8. Lagre den innspilte filen hvis fornøyd, ellers seeding Tettheten økes ved langsomt sprøytebruk seeding løsninger i observasjon regionen, og gjenta trinn 6.3-6.5.
  7. Gjenta trinn 6.3-6.5 for å samle inn flere datasett.
    Merk: for denne studien, mer enn 20 000 bilder ble tatt for å sikre at nok rådata er innhentet for beregning av strømningshastigheter, vorticities, turbulens, og nær-grensen påkjenninger.
  8. Slå av laser enheten, kameraet og Server motoren når alle data samlingene er fullført. slå på bakgrunns lysene i laboratoriet.

7. data behandling

  1. Åpne programvaren; Klikk på fil mappe knappen på verktøylinjen og Last inn kalibrerings bildet som ble tatt i trinn 5,4.
    Merk: Bruk databehandlingsprogrammet for sporing av rørlednings forskyvning og beregningsprogram vare for flyt felt (f.eks. PISIOU).
  2. Klikk på knappen Skaler oppsett på verktøylinjen. måle en kjent avstand på kalibrerings bildet for å beregne bildets skala.
    Merk: den beregnede bilde skalaen var 0,1694 mm/piksel.
  3. Klikk på Origin -knappen på verktøylinjen. Angi opprinnelsen til koordinatene på hvert bilde.
  4. Pakk ut Forskyvnings tiden-serien av den vibrerende rørledningen fra de innspilte bildene.
    1. Last inn de rå bildene som ble tatt i trinn 6. Deretter klikker du på parameter panel, Skriv inn antall datafiler og samplingsfrekvensen.
    2. Bruk low pass-filteret på bilde filter menyen.
      Merk: denne operasjonen gjør at kanten av rørledningen (mål som skal spores) lett kan gjenkjennes på de behandlede bildene (se Figur 3a).
    3. Klikk på PTV-modulenpå verktøylinjen. Klikk deretter sporingspunkt knappen, Velg midtpunktet av rørledningen. Gå til PTV verktøy, justere gamma, Light gate og median filter å enkelt ut rørledningen omrisset i bildet. Klikk objekt sporings knappen på verktøylinjen. velge målregionen (dvs. rørledningen) på det behandlede bildet og spore forskyvningen av den vibrerende rørledningen fra påfølgende behandlede bilder; registrere forskyvningstid-serien, η(t), av vibrerende rørledning for etterfølgende flyt felt dataprosesser (se Figur 4).
    4. Eksport og lagre pipeline forskyvning tid-serien data for videre beregninger.
  5. Bestem umiddelbare hastighets felt fra de innspilte bildene.
    1. Gå til PTV verktøy, klikker du standard knappen for å gjenoppta den rå bildet for påfølgende PIV analyse. Deaktiver PTV-modulen ved å klikke på PTV-modulen. Åpne parameter-panelet på verktøylinjen. Angi beregnings parameteren for hastighets vektor.
      Merk: i denne studien, en multi-pass gjentakelse prosessen er vedtatt som avhør Vinduer, som startet fra 32 × 32 piksler, deretter vedtatt med 16 × 16 piksler, og endte med 8 × 8 piksler; alle passerer bruke en 50% overlapping mellom tilstøtende sub-Vinduer.
    2. Bruk Laplacian filter-funksjonen i bilde filter menyen til RAW-bilder for å markere seeding partikler og filtrere ut uønsket spredning lys (se Figur 3c).
    3. Klikk på grense knappen på verktøylinjen, angi den geometriske masken på bildene for å utelukke hav bunns området for videre beregning. Klikk grense lagre knappen for å lagre grense dataene.
    4. Klikk på Kjør -knappen på verktøylinjen for å beregne de øyeblikkelige hastighets feltene for ulike vibrerende faser ved hjelp av tverr korrelasjons metoden.
      Merk: i denne studien, en multi-time intervall algoritmen er vedtatt for å redusere bias feil på grunn av høy hastighet gradient i Flow-feltet (se figur 5). Vedtatt flere tidsintervaller for kryss-korrelasjon beregninger er Δt, 3Δt, 9Δt og 21Δt (Δt = 5 MS). Tilfredsstillende korrelasjons kriterium er større enn 70%.
    5. Eksporter og lagre data for øyeblikkelige hastighets felt for videre analyse.
  6. Bestem Gjennomsnittshastighet felt for fase fra beregnet momentant hastighet felt med algoritmen som beskrevet i Newland 199429, 30 og Hsieh 200828.
    Merk: beregnings prosedyrene for dette trinnet beskrives på følgende måte:
    1. Påfør wavelet Transform-funksjonen til forskyvning tid-serien, η(t), av vibrerende rørledning for å få momentant fase for hvert momentant hastighet feltet. Wavelet Transform-funksjonen er definert som:
      Equation 11
      der WΨ er wavelet koeffisient; α og β er henholdsvis målestokken og omregnings parametrene; funksjonen Ψ er Morlet funksjonen og er beregnet som Equation 2 ; den hevet skrift "*" betegner komplekse bøy. De umiddelbare fasene, Φ, av den vibrerende rørledningen som tilsvarer de ulike rørlednings forskyvninger, kan beregnes fra:
      Equation 32
    2. Gjennomsnitt de øyeblikkelige hastighets feltene med samme fase for å oppnå hastighets feltene for fase gjennomsnitt.
    3. Bestem strømnings Virvling, ω2, i den beregnede fasen-gjennomsnitt Velocity felt fra:
      Equation 43
      hvor Equation 5 og Equation v er fase-gjennomsnitt hastigheter langs x og y retninger.
  7. Last den beregnede fasen-gjennomsnittlig hastighet og Virvling data i Tecplot programvare for visualisering.
  8. Bestem nær grensen skjær og normal påkjenninger fra beregnet momentant hastighet felt med algoritmen som beskrevet i Hsieh et al. 2016 9. Beregnings prosedyrene for dette trinnet er beskrevet på følgende måte:
    1. Pakk ut nær-grensen hastighet data (0-5 mm over havbunnen) fra den beregnede fase-gjennomsnitt Velocity Flow felt.
    2. Beregn nesten grensen skjær spenninger, ts og normale påkjenninger, tn, langs skuring profil (ca 2 mm over skuring hullet grensen) for ulike faser innenfor en vibrerende syklus. Merk: beregnings likninger er som følger:
      Equation 7, Equation 8 (4)
      der, μ = dynamisk viskositet av væsken (heretter tatt som 1 × 10-3 pa ∙ s); up = nær-grense hastighet parallelt med sengen; un = nesten-grense hastighet vinkelrett på sengen; n = normal avstand fra sengen.
  9. Last den beregnede nær grensen skjær og normal understreker data i en programvare (f. eks, Tecplot) for visualisering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Et eksempel på sammenligningen mellom rå bildet og behandlet bilde av pipeline forskyvninger sporing og umiddelbar hastighet beregningen er vist i Figur 3. Som vist i Figur 3b, blir seeding partikler og støy i det rå bildet filtrert ut og skinnende rørledning kanten beholdes for å oppnå forskyvning tid serien. Som vist i tall 3c, blir lys scatter/refleksjoner rundt seeding partikler, rørledning kant og hav bunns overflate filtrert ut av Laplacian filter. Et eksempel på Forskyvnings tiden-serien av den vibrerende rørledningen er vist i Figur 4. Den vibrasjon av rørledningen er nesten sinusformet, og vibrerende frekvens og amplitude er 0,3 Hz og ~ 50 mm, henholdsvis.

Figur 6 viser et eksempel på bildet av den kvasi-likevekt skuring profil og vibrerende rørledning på t = 1440 min, der opprinnelsen til koordinaten (x-O-y) av denne studien er satt i skjæringspunktet av opprinnelige hav bunns overflaten og rørlednings vertikale midtlinjen. Som vist i figur 6, i tillegg til seeding partikler, svært få suspenderte sediment partikler kan observeres i flyten; Derfor ble ikke den rå bildekvaliteten kompromittert. Dette indikerer også at en kvasi-likevekt scenen ble nådd for rørledningen skuring prosessen.

I figur 7vises eksempler på hastighets feltet og Virvling dynamikk i fase gjennomsnittet. Det bør bemerkes at på grunn av skyggen av rørledningen under PIV målinger, regionen på venstre side av rørledningen har ingen data (se subplots i figur 7). Som sett i figur 7, er ni diskrete faser av strømnings feltet innenfor en syklus av vibrasjon presentert. I løpet av rørlednings fasene (0 ≤ t0/t < 0,5, der t er vibrasjons perioden og t0 er tiden varierer fra 0 til t), genereres et par virvlene med symmetriske mønstre fra skjær lag på begge sider av den vibrerende rørledningen. Umiddelbart etter at rørledningen har nådd skuring grøft bunnen (t0/t = 4/8), mot klokken Vortex er forvrengt og sugd inn i skuring grøft som rørledningen stiger fra havbunnen. For perioden av rørlednings stigende faser (0,5 ≤ t0/t < 1), er et par virvlene med motsatt roterende retninger til de i synkende fase symmetrisk generert rundt den øverste kanten av rørledningen. For en bedre observasjon av flyten dynamikken i figur 7, en tilsvarende video (Video 1) laget av 72 faser (rammer) av strømnings felt for en syklus av pipeline vibrasjon er gitt.

Et eksempel på nær-grensen skjær spenninger, ts og normal påkjenninger, tn evolusjon langs skuring profil innen ett vibrerende syklus er presentert i Figur 8. Siden flyten feltet er symmetrisk om y -aksen, nesten grensen skjær spenninger og normale påkjenninger som presenteres i denne studien er begrenset til høyre halvdel av skuring profil (0 < x < 5). Som vist i Figur 8, er disse to påkjenninger normalisert av verdien av den kritiske Bed skjær stress, Tc (innhentet fra Shields ' kurve som 0,243 pa) av sand partikler på et fly seng tilstand. Den absolutte verdier av Ts og Tn innenfor skuring grøft og under vibrerende rørledning øke betraktelig når rørledningen er fallende til sengen eller stigende fra sengen. Regionene der ts og tn Exhibit maksimums-og minimumsverdiene er i samsvar med utviklingen av strømnings felt mellom vibrerende rørledning og skuring grensen som vist i figur 7.

Figure 1
Figur 1 : Skjematisk av den eksperimentelle flume. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Skjematisk fremstilling av rørlednings modellen og vibrasjons systemets oppsett. (a) inndelingsvisning, (b) side visning. Dette tallet er endret fra8. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Eksempel på sammenligningen mellom rå og behandlede bilder. (a) RAW-bildet, (b) det behandlede bildet for rørlednings forskyvninger sporing, og (c) det behandlede bildet for umiddelbar hastighets beregning. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Eksempel på Forskyvnings tiden-serie vibrerende rørledning ved t = 1440 min . Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 : Sammenlikning mellom en gangs-og fler tidsintervall algoritme for kryss korrelasjon. Dette tallet er gjengitt fra9. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 : Eksempel bilde av den kvasi-likevekt skuring profil på t = 1440 min. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 : Eksempler på visualisere fase-gjennomsnitt hastighet felt og Virvling dynamikk. Dette tallet er gjengitt fra8. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8 : Eksempel på videreutviklinger av ts og tn langs skuring profil innenfor en vibrerende syklus. Den touchdown og avfyring ganger refererer til tider da bunnen av rørledningen bare berører og stiger fra skuring hullet grensen, henholdsvis. Dette tallet er gjengitt fra8. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Video 1
Video 1: Flow feltet evolusjon rundt vibrerende rørledningen i likevekt skuring hullet. Videoen er laget av 72 faser (rammer) av strømnings felt for en syklus av rørledning vibrasjon. Denne videoen er gjengitt fra8. Vennligst klikk her for å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen som presenteres i denne utredningen beskriver en metode for visualisering av de to-dimensjonale flyt felt og bestemmelse av nær-grensen flyt stress felt rundt en tvungen vibrerende rørledning i en likevekt gjennomsøke hullet ved hjelp av PIV teknikker. Siden den utformede rørlednings bevegelsen er en-dimensjonal langs y -retningen, er det å klargjøre og justere rørlednings modellen og vibrasjons systemet for å oppfylle dette målet, kritiske forutsetninger for et vellykket resultat. Eventuelle uønskede bevegelser av rørledningen langs x retning kan indusere asymmetrisk flyt felt og skuring hullet formasjon rundt vibrerende rørledning. I tillegg til apparat effektene er valg av vibrasjonsfrekvens og amplitude av rørledningen for eksperimentene også viktig for å indusere et symmetrisk strømnings felt rundt rørledningen. Faktisk, i en Quiescent vannstand, viste Lin et al.31 at strukturen i Flow resirkulering bak en impulsivt startet sirkulær sylinder kan opprettholde sin symmetri når ikke-dimensjonale tid td = TdU D/d ≪ 5, der tD = sylinder flytte tid; og UD = sylinder hastighet. For betingelsen når TD > 5, kan den skrå Vortex shedding oppstå rundt sylinderen. I denne studien kan den maksimale rørlednings hastigheten anslås som 2 π ƒ • A0, og sylinder flytte tid kan tas som 1/2 ƒ, dermed maksimal ikke-dimensjonal tid TD = π A0/D = 4,48.

Under PIV oppsett stadiet, laser ark og kamera justeringer og seeding partikkel valg er de kritiske protokollen trinn for å få høy kvalitet flyt felt data. Kameraets opptaks retning må være vinkelrett på laser arket, ellers vil perspektiv forvrengninger vises i bildene som er tatt. Ettersom denne metoden har som mål å få nær grensen flyt spenninger i en ustø Flow-feltet, intensiteten av laseren og plasseringen av feltet-of-View skal være riktig innstilt for å unngå sterkt lys refleksjon av grensen. Den valgte seeding partikler må effektivt spre belyst laser ark og være i stand til å følge flyten strømlinjeformer uten overdreven oppgjør20. Basert på denne vurderingen, seeding partikler som brukes i denne studien var aluminium pulver, som settling hastighet ble anslått til 92,6 mm/s bruker Stoke ' s lov. Denne settling hastighet er ubetydelig i forhold til strømningshastigheter (0,1-0,2 m/s) nær vibrerende rørledning. For å optimalisere eksperimentell oppsett, verifisere fokus på kameraet og bestemme kameraet samplingsfrekvens er også avgjørende skritt for å sikre målinger.

For data prosessen stadiet, er det to utfordringer for å oppnå høy kvalitet fase gjennomsnitt flyt felt og nær-grensen flyt påkjenninger: (1) nøyaktig beregne momentant flyt feltene og unngå forskyvning bias feil i strømnings områder med en stor hastighet gradient; og (2) nøyaktig katalogisere de innspilte bildene som har samme vibrerende fase. Ved beregning av de momentant strømnings feltene, bestemmer den tradisjonelle PIV kryss korrelasjons metoden 19 hastighets vektoren mellom to påfølgende bilder med et fast tidsintervall Δt (se figur 5a). Denne tradisjonelle metoden er kanskje ikke egnet for denne studien fordi det beregnede flyt feltet kan ha betydelige Forskyvnings feil i nærheten av den vibrerende rørledningen og hav bunns grensene. For å løse dette problemet, en multi-time-intervall algoritme er vedtatt i denne studien (se figur 5b).  Ved å bruke denne metoden, blir bilde avhør utført reiteratively på forskjellige bilde par for forskjellige valgte intervaller. Velocity vektoren på hvert rutenettpunkt bestemmes basert på estimater av passende tidsintervall9,27,28. Det bør bemerkes at når du bruker denne metoden, den rå bildedata settene skal anskaffes av en tid løst PIV med en høy samplingsfrekvens kamera og kontinuerlig bølge laser. For å overvinne den andre utfordringen, gir dette papiret en wavelet transformere teknikk. Ved å bruke wavelet Transform-funksjonen til forskyvning tid-serien av rørledningen, kan momentant fase av hvert bilde som er tatt, beregnes nøyaktig. Denne metoden kan også brukes til å undersøke Vortex indusert vibrasjons prosesser, for eksempel rørledning vibrasjon indusert av asymmetri Vortex shedding15,27,32.

De viktigste fordelene med strømnings måling teknikken som er beskrevet i dette papiret er høy Temporal og romlig oppløsning og kapasitet til å samtidig få rørledningen dynamikk, flyt felt, og nær-grensen flyt påkjenninger. Ved å bruke denne teknikken, mer dyptgående studier på rørledning skuring i komplekse miljøer kan utføres og den komplekse mekanismen for skuring rundt vibrerende rørledning kan bli bedre forstått.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Young forskere Fund av National Natural Science Foundation i Kina (51709082) og de grunnleggende forskningsmidler for de sentrale universitetene (2018B13014).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Camera control software Vision Research Phantom PCC 2.6 Camera control, image data acquisition and processing
Camera lens Nikon Chiyoda Nikor  60mm, f=2.8 prime lens
Continuous wave laser  Beijing Laserwave optoelectronics technology co. ltd. PIV Laser source; Nd:YAG laser, 532 nm; air-cooling
High-speed camera Vision Research Phantom Miro LAB 320 Image data recording
Laser sheet forming optics  Thorlabs Inc Transform the point laser to a thin laser sheet
Pipeline model ZONCEPZ SOLUTIONS Acrylic cylinder with a diameter of 35 mm
Pipeline vibration system ZONCEPZ SOLUTIONS Consists of a sever motor, two connecting springs and pipeline supporting frames.
PIV calcuation software AXESEA Engineering Technology Limited Co. PISIOU Image data processing for obtaining flow fields and pipeline displacements
PIV seeding materials Shimakyu Aluminum powder with a diameter of 10um
Recirculating flume  SZU ENGINEERING PTE LTD Glass-sided, 11 m long, 0.6 m wide, and 0.6 m deep
Tri-pod MANFROTTO SKU MT190GOC4US 410 Camara supporting

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fredsøe, J. Pipeline-seabed interaction. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (6), 03116002 (2016).
  2. Larsen, B. E., Fuhrman, D. R., Sumer, B. M. Simulation of wave-plus-current scour beneath submarine pipelines. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 142 (5), 04016003 (2016).
  3. Chiew, Y. Mechanics of local scour around submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 116 (4), 515-529 (1990).
  4. Chiew, Y. Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 117 (4), 452-466 (1991).
  5. Gao, F. -P., Yang, B., Wu, Y. -X., Yan, S. -M. Steady current induced seabed scour around a vibrating pipeline. Applied Ocean Research. 28 (5), 291-298 (2006).
  6. Wu, Y., Chiew, Y. Mechanics of three-dimensional pipeline scour in unidirectional steady current. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice. 4 (1), 3-10 (2013).
  7. Zhu, Y., Xie, L., Su, T. -C. Visualization tests on scour rates below pipelines in steady currents. Journal of Hydraulic Engineering. 145 (4), 04019005 (2019).
  8. Guan, D., Hsieh, S. -C., Chiew, Y. -M., Low, Y. M. Experimental study of scour around a forced vibrating pipeline in quiescent water. Coastal Engineering. 143, 1-11 (2019).
  9. Hsieh, S. -C., Low, Y. M., Chiew, Y. -M. Flow characteristics around a circular cylinder subjected to vortex-induced vibration near a plane boundary. Journal of Fluids and Structures. 65, 257-277 (2016).
  10. Sumer, B., Fredsøe, J. Scour below pipelines in waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 116 (3), 307-323 (1990).
  11. Sumer, B. M., Fredsøe, J., Gravesen, H., Bruschi, R. Response of marine pipelines in scour trenches. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 115 (4), 477-496 (1989).
  12. Çevik, E., Yüksel, Y. Scour under submarine pipelines in waves in shoaling conditions. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 125 (1), 9-19 (1999).
  13. Sumer, B. M., Truelsen, C., Sichmann, T., Fredsøe, J. Onset of scour below pipelines and self-burial. Coastal Engineering. 42 (4), 313-335 (2001).
  14. Li, F., Cheng, L. Prediction of lee-wake scouring of pipelines in currents. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 127 (2), 106-112 (2001).
  15. Yang, B., Gao, F. -P., Jeng, D. -S., Wu, Y. -X. Experimental study of vortex-induced vibrations of a pipeline near an erodible sandy seabed. Ocean Engineering. 35 (3), 301-309 (2008).
  16. Zhao, M., Cheng, L. Numerical investigation of local scour below a vibrating pipeline under steady currents. Coastal Engineering. 57 (4), 397-406 (2010).
  17. Fu, S., Xu, Y., Chen, Y. Seabed effects on the hydrodynamics of a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration at high reynolds number. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 140 (3), 04014008 (2014).
  18. Guo, Z., Jeng, D. -S., Zhao, H., Guo, W., Wang, L. Effect of seepage flow on sediment incipient motion around a free spanning pipeline. Coastal Engineering. 143, 50-62 (2019).
  19. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  20. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. Berlin Heidelberg. (2007).
  21. Piirto, M., Saarenrinne, P., Eloranta, H., Karvinen, R. Measuring turbulence energy with piv in a backward-facing step flow. Experiments in Fluids. 35 (3), 219-236 (2003).
  22. Guan, D., Chiew, Y. -M., Wei, M., Hsieh, S. -C. Characterization of horseshoe vortex in a developing scour hole at a cylindrical bridge pier. International Journal of Sediment Research. , (2018).
  23. Guan, D., Agarwal, P., Chiew, Y. -M. Quadrant analysis of turbulence in a rectangular cavity with large aspect ratios. Journal of Hydraulic Engineering. 144 (7), 04018035 (2018).
  24. Kim, J. -T., Kim, D., Liberzon, A., Chamorro, L. P. Three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications: Case of a jet flow. Journal of Visualized Experiments. (108), e53745 (2016).
  25. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. (76), e50559 (2013).
  26. Lin, W. -J., Lin, C., Hsieh, S. -C., Dey, S. Flow characteristics around a circular cylinder placed horizontally above a plane boundary. Journal of Engineering Mechanics. 135 (7), 697-716 (2009).
  27. Hsieh, S. -C., Low, Y. M., Chiew, Y. -M. Flow characteristics around a circular cylinder undergoing vortex-induced vibration in the initial branch. Ocean Engineering. 129, 265-278 (2017).
  28. Hsieh, S. -C. Establishment of high time-resolved piv system with application to the characteristics of a near wake flow behind a circular cylinder. National Chung Hsing University. , (2008).
  29. Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 1-theory. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 409-416 (1994).
  30. Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 2-wavelet maps. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 417-425 (1994).
  31. Lin, C., Hsieh, S. -C., Lin, W. -J., Raikar, R. V. Characteristics of recirculation zone structure behind an impulsively started circular cylinder. Journal of Engineering Mechanics. 138 (2), 184-198 (2012).
  32. Sarpkaya, T. A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations. Journal of Fluids and Structures. 19 (4), 389-447 (2004).

Tags

Environmental Sciences sediment transport lokale skuring Flow målinger rør-Fluid-havbunnen interaksjon partikkel bilde velocimetry Multiple-time-intervall tvungen vibrasjon wavelet transformere
Visualisering av Flow Field rundt en vibrerende pipeline innenfor en likevekt skuring Hole
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guan, D., Chiew, Y. M., Wei, M.,… More

Guan, D., Chiew, Y. M., Wei, M., Hsieh, S. C. Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole. J. Vis. Exp. (150), e59745, doi:10.3791/59745 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter