Summary
والهدف من البروتوكول هو تمكين تصور حقول التدفق التفصيلية وتحديد القص القريب من الحدود والضغوط العادية داخل حفرة التوازن التي يسببها خط أنابيب تهتز.
Abstract
وترد طريقة تجريبية في هذه الورقة لتسهيل تصور حقول التدفق التفصيلية وتحديد القص القريب من الحدود والضغوط العادية داخل حفرة توازن ية ناجمة عن خط أنابيب تهتز. وتنطوي هذه الطريقة على تنفيذ نظام اهتزاز خط أنابيب في فلوم مستقيم، وهو نظام قياس الجسيمات الفيلوسيمترية (PIV) الذي تم حله على مر الزمن لتتبع إزاحة خطوط الأنابيب وقياسات حقول التدفق. يتم الحصول على سلسلة وقت الإزاحة من خط أنابيب الاهتزاز باستخدام خوارزميات الارتباط المتبادل. ويرد وصف للخطوات اللازمة لمعالجة الصور المحملة بالجسيمات الخام التي تم الحصول عليها باستخدام PIV التي تم حلها على مر الزمن. يتم حساب حقول التدفق الفوري التفصيلية حول خط الأنابيب الهزاز في مراحل الاهتزاز المختلفة باستخدام خوارزمية ارتباط عبر فترات متعددة لتجنب خطأ انحياز الإزاحة في مناطق التدفق ذات تدرج سرعة كبير . من خلال تطبيق تقنية تحويل الموجي، يتم فهرسة الصور التي تم التقاطها التي لها نفس مرحلة الاهتزاز بدقة قبل الحصول على حقول السرعة المتوسطة المرحلة. وتتمثل المزايا الرئيسية لتقنية قياس التدفق الموصوفة في هذه الورقة في أن لها استبانة زمنية ومكانية عالية جداً ويمكن استخدامها في نفس الوقت للحصول على ديناميات خط الأنابيب وحقول التدفق وضغوط التدفق القريبة من الحدود. باستخدام هذه التقنية، يمكن إجراء دراسات أكثر تعمقاً لحقل التدفق ثنائي الأبعاد في بيئة معقدة، مثل تلك التي تدور حول خط أنابيب تهتز، لفهم أفضل لآلية التمشيط المتطورة المرتبطة بها.
Introduction
وتستخدم خطوط الأنابيب تحت سطح البحر على نطاق واسع في البيئات البحرية لغرض نقل المنتجات السائلة أو الكربونية المائية. عندما يتم وضع خط أنابيب على قاع البحر القابلة للتآكل، من المرجح أن تشكل حفرة حول خط الأنابيب بسبب الأمواج أوالتيارات أو الحركات الديناميكية لخط الأنابيب نفسه (الاهتزاز القسري أو الاهتزاز الناجم عن الدوامة) 1،2. ولتحسين فهم آلية التمشيط حول خط أنابيب تحت سطح البحر، فإن قياسات حقول التدفق المضطربة وتقديرات القص في السرير والضغوط العادية داخل منطقة التفاعل بين خط الأنابيب والسوائل وقاع البحار ضرورية بالإضافة إلى قياسات البعد ثقبالتمشيط 1،2،3،4،5،6،7. في بيئة حيث القص السرير والضغوط العادية من الصعب للغاية تحديد لأن حقل التدفق غير مستقر والحدود السفلى الخام، وقياس الضغوط الفورية بالقرب من الحدود (في حوالي 2 ملم فوق الحدود) يمكن أن يكون تستخدم كبديل لها8،9. في العقود القليلة الماضية، تم دراسة ودراسة التمشيط حول خط أنابيب تهتز ونشرها دون عرض كمي لقيم حقول التدفق المتطورة حول خط الأنابيب داخل حفرة التمشيط3،4، 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. ولذلك، فإن الهدف من هذه الورقة الأسلوب هو توفير بروتوكول تجريبي جديد لتصور حقول التدفق التفصيلية وتحديد القص القريب من الحدود والضغوط العادية داخل حفرة التوازن التي يسببها خط أنابيب تهتز القسري. وتجدر الإشارة إلى أن عملية التفاعل بين خطوط الأنابيب والسوائل في قاع البحار في هذه الدراسة هي في بيئة مائية هادئة وليس في بيئة ذات تيارات وموجات أحادية الاتجاه.
وتتألف هذه الطريقة التجريبية من عنصرين هامين هما (1) محاكاة الاهتزازات (القسرية) لخطوط الأنابيب؛ (2) محاكاة الاهتزازات في خط الأنابيب (القسري)؛ (2) محاكاة الاهتزازات (القسرية)؛ (2) محاكاة الاهتزازات في خط الأنابيب (القسري)؛ (2) محاكاة الاهتزازات (القسرية)؛ (3) و(2) قياسات حقول التدفق حول خط الأنابيب. في المكون الأول، تم محاكاة خط الأنابيب تهتز في فلوم التجريبية باستخدام نظام تهتز، الذي يحتوي على محرك سيرفو، اثنين من الينابيع المتصلة، وخطوط الأنابيب دعم الإطارات. يمكن محاكاة ترددات الاهتزاز المختلفة والسعة عن طريق ضبط سرعة المحرك وموقع الينابيع المتصلة. وفي العنصر الثاني، اعتُمدت تقنيات قياس الفيلوسيمترية وتحوّل الموجات الاستبانة الزمنية للحصول على بيانات ميدانية عالية النطاق الزمني والمكاني لتدفق الاستبانة في مراحل اهتزاز ية مختلفة. يتكون نظام PIV المحدد بالوقت من ليزر موجة مستمر، وكاميرا عالية السرعة، وجزيئات البذر، وخوارزميات الارتباط المتبادل. على الرغم من أن تقنيات PIV قد استخدمت على نطاق واسع في الحصول على حقول تدفق المضطربة ثابتة19،20،21،22،23،24،25، التطبيقات في الظروف المعقدة غير المستقرة لمجال التدفق، مثل حالات التفاعل بين خطوط الأنابيب والسوائل وقاع البحار، محدودة نسبيا8و9و26و27. والسبب على الأرجح هو أن خوارزمية الارتباط المتبادل التقليدية لفترات زمنية واحدة من تقنيات PIV غير قادرة على التقاط ميزات التدفق بدقة في حقول التدفق غير المستقرة حيث يوجد تدرج سرعة عالية نسبياً9، 20. الطريقة الموضحة في هذه الورقة يمكن حل هذه المشكلة باستخدام خوارزمية الارتباط عبر الفاصل الزمني المتعدد9،28.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. فحص سلامة المختبرات
- مراجعة قواعد السلامة المتعلقة باستخدام نظام الليزر والمداخن.
- التأكد من تلبية متطلبات التدريب على السلامة في المختبر.
ملاحظة: في هذه التجربة، يتم استخدام مجموعة من الليزر موجة مستمرة تبريد الهواء 5W معالطول الموجي من 532 نانومتر وفليم على التوالي من جانب الزجاج (الشكل 1) مع أبعاد طول 11 م، وعرض 0.6 م، وعمق 0.6 م. وفيما يلي توصيات السلامة الأساسية لهذين الجهازين:- التحقق من أسطح الانعكاس المحتملة في خط الليزر من البصر قبل الاختبار؛ ارتداء نظارات السلامة عند تشغيل جهاز الليزر.
- تجنب وجود عيون على مستوى شعاع الليزر أثناء التجارب وتوخي الحذر من أضواء الليزر المنعكسة عند التعامل مع العناصر البصرية أو الأدوات العاكسة.
- تأكد من أن خرطوم المياه لا تسقط وأنه لا يوجد دائما المياه التي تفيض من المداخن.
2 - إعداد نموذج الفلوم وقاع البحار
- إعداد نموذج قاع البحار القابل للتآكل الموجود في منتصف المداخن.
ملاحظة: كانت مادة الرواسب المستخدمة في هذه الدراسة عبارة عن نسبة متوسطة موزعة بصورة موحدة من الانابلاً مع متوسط حجم الحبوب د50 = 0.45 مم، وكثافة الجسيمات المغمورة نسبياً Δ = 1.65 والانحرافالمعياري الهندسي= 1.30. - المدمجة ومستوى قاع البحر باستخدام مستوى التسوية والضوضاء الانسيابة.
- ملء ببطء المداخن مع خرطوم المياه وتأكد من أن سطح قاع البحر المسطح سليمة أثناء عملية التعبئة؛ التوقف عن التعبئة عندما يصل مستوى المياه إلى عمق 0.4 متر فوق قاع البحر.
- قم بإلغاء تحديد المنصة العلوية والزجاجية لإعداد نموذج خط الأنابيب ونظام PIV.
3. نموذج خط أنابيب وإعداد نظام الاهتزاز
- استخدام نموذج خط أنابيب الجاهزة في شكل اسطوانة الاكريليك بقطر 35 ملم وطول 0.56 م.
- جبل نموذج خط الأنابيب على إطار دعم الألومنيوم، والتي، بدورها، متصلة من قبل اثنين من الينابيع إلى قطب المنقولة على إطار ثابت آخر الذي يتم تأمينه على القضبان العليا من الفلوم، كما هو موضح في الشكل 2. إصلاح الإطار الداعم داخل الإطار الثابت باستخدام أربعة محامل لضمان أن الإطار الداعم يمكنأن يهتز بحرية فقط على طول الاتجاه الرأسي (الشكل 2).
- استخدام قضيب ربط لربط القطب المنقولة إلى محرك سيرفو شنت على الجزء العلوي من الإطار الثابت. في هذه الدراسة، وزن نظام تهتز تجميعها، بما في ذلك نموذج خط الأنابيب وإطارات الألومنيوم، هو1.445 كجم، والتي لديها نسبة كتلة مكافئة (م * ) من 2.682؛ تردد طبيعي(وN)من 0.82 هرتز؛ ونسبة التخميد(و)من 0.124.
- ضبط القطب المنقولة والإطار الداعم للحصول على نسبة فجوة معينة بين خط الأنابيب وقاع البحر. في هذه الدراسة، G/D = 1، حيث G هو المسافة الرأسية بين الجزء السفلي من خط الأنابيب وسطح قاع البحر الأولي؛ وD هو قطر خط الأنابيب.
- تشغيل محرك سيرفو للحث على الاهتزاز القسري على خط الأنابيب؛ ضبط الإطارات الداعمة وأربعة محامل للتأكد من أن الاهتزاز خط أنابيب على طول الاتجاه الرأسي. إيقاف تشغيل محرك سيرفو عند اكتمال تعديلات الإطارات الداعمة.
- ضغط وتسوية قاع البحر مرة أخرى قبل تشغيل التجربة إذا كان نموذج قاع البحار مضطربة في 3.5.
4. إعداد PIV
- وضع جهاز الليزر على الجزء العلوي من فلوم وتثبيت ورقة الليزر تشكيل البصريات.
- تشغيل جهاز الليزر وضبط ورقة الليزر تشكيل البصريات بحيث يتم تشكيل ورقة مسطحة مضيئة داخل مجال الاهتمام.
ملاحظة: في هذه الدراسة، ورقة الليزر الخضراء مضيئة هو 1.5 ملم سميكة، موازية للجدران الزجاجية فلوم ويلقي إلى أسفل في الماء على طول خط الوسط من الفلوم. ويشير مجال الاهتمام في هذه الدراسة إلى منطقة التفاعل بين خط الأنابيب والسوائل في قاع البحار، ويقتصر على الجانب الأيمن من خط الأنابيب. وسوف ينظر إلى ظل خط الأنابيب على الجانب الأيسر من خط الأنابيب. - قم بإعداد الكاميرا عالية السرعة.
ملاحظة: لهذه الدراسة، يتم استخدام كاميرا عالية السرعة مع تخزين ذاكرة 12 غيغابايت ودقة قصوى من 2.3 ميجابكسل (1920×1200) (على سبيل المثال، فانتوم ميرو LAB 320). وفيما يلي إجراءات التشغيل التفصيلية:- قم بتركيب العدسة ببعد بؤري مناسب على الكاميرا عالية السرعة. المسمار الكاميرا عالية السرعة على ترايبود قابل للتعديل الارتفاع؛ ضبط الكاميرا إلى مستوى منطقة المراقبة مع محورها عمودي على ورقة الليزر مضيئة.
ملاحظة: تستخدم هذه الدراسة عدسة رئيسية مقاس 60 مم عند فتحة العدسة القصوى f/2.8. - قم بتوصيل الكاميرا بالكمبيوتر باستخدام كبل Ethernet وقم بتشغيل برنامج التحكم بالكاميرا (على سبيل المثال، Phantom PCC 2.6)؛ قم بتشغيل الكاميرا وتوصيله بالكمبيوتر في واجهة برنامج التحكم بالكاميرا.
- ضبط ترايبود لضمان أن مجال الرؤية للكاميرا يغطي منطقة التفاعل بين خط الأنابيب والسوائل وقاع البحار؛ مستوى الكاميرا باستخدام المدمج في مستوى فقاعة على ترايبود. ضبط حلقة التركيز على العدسة للتأكد من أن ورقة الليزر واضحة على المستوى البؤري.
- قم بتركيب العدسة ببعد بؤري مناسب على الكاميرا عالية السرعة. المسمار الكاميرا عالية السرعة على ترايبود قابل للتعديل الارتفاع؛ ضبط الكاميرا إلى مستوى منطقة المراقبة مع محورها عمودي على ورقة الليزر مضيئة.
5. الإعداد التجريبي الأمثل والمعايرة
- إضافة جزيئات البذر PIV إلى قسم الاختبار من الفلوم.
ملاحظة: كانت جزيئات البذر المستخدمة في هذه الدراسة مساحيق الألومنيوم بقطر 10 ميكرومتر وكثافة محددة من 2.7. - تعزيز شدة الضوء من ورقة الليزر إذا لزم الأمر.
- التحقق من تركيز الكاميرا عن طريق مراقبة جزيئات البذر المضيئة على ورقة الليزر من خلال عرض الكاميرا الحية على الكمبيوتر؛ ضبط حلقة التركيز، إذا لزم الأمر، لضمان أن جزيئات البذر حادة وفي التركيز.
- ضع مسطرة معايرة داخل حقل العرض على مستوى ورقة الليزر والتقط صورة معايرة واحدة.
ملاحظة: كان القرار المعتمد للصورة في هذه الدراسة 1600 × 1200 بكسل. - حدد معدل أخذ عينات مناسب لجمع البيانات.
ملاحظة: يجب أن يضمن معدل أخذ العينات المختار أن إزاحة الجسيمات البذر داخل زوج من الصور أقل من 50٪ من الحد الأقصى لطول نافذة الاستجواب. في هذه الدراسة، الحد الأقصى لحجم نافذة الاستجواب هو 32 × 32 بكسل ومعدل أخذ العينات المعتمدة هو 200 إطار في الثانية الواحدة. - قم بإيقاف تشغيل الليزر والكاميرا عند اكتمال الخطوات 5.1-5.5.
6. تشغيل التجربة وجمع البيانات
- ضع لوحة أكريليك شفافة (20 مم سميكة) تحت مصدر الليزر وعلى سطح الماء، لقمع تقلبات سطح الماء، وضمان الوصول البصري الهادئ لضوء الليزر.
- تشغيل محرك سيرفو للحث على الاهتزازات القسري على نموذج خط الأنابيب.
ملاحظة: في هذه الدراسة، التردد المستحث للمحرك المؤازر هو f0 = 0.3 هرتز. - الحفاظ على نظام الاهتزاز تعمل ل (ر = ) 1440 دقيقة للحصول على حفرة نصف التوازن تجوب تحت خط أنابيب تهتز.
- تشغيل الليزر وضبط الطاقة الناتجة إلى كثافة الأمثل. قم بتشغيل برنامج التحكم في الكاميرا والكاميرا وتطبيق الإعدادات المعايرة على الكاميرا. أطفئ أضواء الخلفية في المختبر
- ابدأ في تسجيل صورة حقل التدفق المحمل بالجسيمات البذر مع معدل أخذ العينات المحدد في 5.6 بالنقر فوق Capture Bottom في برنامج التحكم في برامج الكاميرا.
ملاحظة: لكل تسجيل واحد في هذه الدراسة، يسمح تخزين الكاميرا بالتقاط 1000 صورة. - بمجرد الانتهاء من جمع البيانات، راجع جودة الصورة المسجلة وتحقق مما إذا كانت كثافة جسيمات البذر لكل نافذة استجواب (32×32 بكسل) أكبر من 8. حفظ الملف المسجل إذا كان راضياً، وإلا، يتم زيادة كثافة البذر عن طريق حقن حلول البذر ببطء في منطقة المراقبة، وكرر الخطوات 6.3-6.5.
- كرر الخطوات 6.3 إلى 6.5 لجمع المزيد من مجموعات البيانات.
ملاحظة: لهذه الدراسة، تم التقاط أكثر من 20،000 صورة لضمان الحصول على ما يكفي من البيانات الخام لحساب سرعات التدفق، والدوامات، والاضطرابات، والضغوط القريبة من الحدود. - إيقاف تشغيل جهاز الليزر والكاميرا ومحرك الخادم عند اكتمال كافة مجموعات البيانات؛ تشغيل أضواء الخلفية في المختبر.
7 - تجهيز البيانات
- افتح البرنامج; انقر فوق الزر مجلد ملف على شريط الأدوات ثم تحميل صورة المعايرة التي تم التقاطها في الخطوة 5.4.
ملاحظة: استخدم برنامج معالجة البيانات لتتبع إزاحة خطوط الأنابيب وبرامج حساب حقل التدفق (على سبيل المثال، PISIOU). - انقر فوق الزر مقياس الإعداد على شريط الأدوات; قياس مسافة معروفة على صورة المعايرة لحساب مقياس الصورة.
ملاحظة: كان مقياس الصورة المحسوب 0.1694 مم/بكسل. - انقر فوق الزر أصل على شريط الأدوات; تعيين أصل الإحداثيات على كل صورة.
- استخراج سلسلة وقت الإزاحة من خط الأنابيب تهتز من الصور المسجلة.
- تحميل الصور الخام التي تم التقاطها في الخطوة 6. ثم انقر على لوحة المعلمة ، أدخل عدد ملفات البيانات ومعدل العينة.
- تطبيق عامل تصفية تمرير منخفض في قائمة عامل تصفية الصور.
ملاحظة: ستسمح هذه العملية بالتعرف بسهولة على حافة خط الأنابيب (الهدف الذي سيتم تعقبه) على الصور المجهزة (انظر الشكل 3أ). - في شريط الأدوات، انقر فوق الوحدة النمطية PTV. ثم انقر فوق زر نقطة التتبع، وحدد نقطة الوسط لخط الأنابيب. انتقل إلى أدوات PTV، وضبط غاما، بوابة الضوء وعامل تصفية متوسط لفرد مخطط خط الأنابيب في الصورة. انقر فوق الزر تعقب الكائن على شريط الأدوات; حدد المنطقة المستهدفة (أي خط الأنابيب) على الصورة المجهزة وتتبع إزاحة خط الأنابيب الهزاز من الصور المجهزة المتتالية؛ تسجيل سلسلة زمنية الإزاحة، و(t)،لخط الأنابيب الهزاز لعمليات بيانات حقل التدفق اللاحقة (انظر الشكل4).
- تصدير وحفظ بيانات سلسلة زمنية إزاحة خط الأنابيب لمزيد من الحسابات.
- تحديد حقول السرعة الفورية من الصور المسجلة.
- انتقل إلى أدوات PTV، انقر فوق الزر الافتراضي لاستئناف الصورة الخام لتحليل PIV اللاحقة. قم بإلغاء تنشيط الوحدة النمطية PTV بالنقر فوق الوحدة النمطية PTV. افتح لوحة المعلمة على شريط الأدوات; تحديد معلمة حساب متجه السرعة.
ملاحظة: في هذه الدراسة، يتم اعتماد عملية تكرار متعددة التمريرات كنوافذ الاستجواب، والتي بدأت من 32 × 32 بكسل، ثم مرت مع 16 × 16 بكسل، وانتهت مع 8 × 8 بكسل؛ جميع تمريرات استخدام تداخل 50٪ بين النوافذ الفرعية المجاورة. - تطبيق وظيفة مرشح Laplacian في قائمة تصفية الصورة على الصور الخام لتسليط الضوء على جزيئات البذر وتصفية ضوء التشتت غير المرغوب فيه (انظر الشكل 3ج).
- انقر فوق الزر حد على شريط الأدوات، قم بتعيين القناع الهندسي على الصور لاستبعاد منطقة قاع البحر لمزيد من الحساب. انقر فوق زر حفظ الحدود لحفظ بيانات الحدود.
- انقر فوق الزر تشغيل على شريط الأدوات لحساب حقول السرعة الفورية لمراحل الاهتزاز المختلفة باستخدام طريقة الارتباط المتبادل.
ملاحظة: في هذه الدراسة، يتم اعتماد خوارزمية فاصل زمني متعدد الوقت لتقليل خطأ التحيز بسبب تدرج السرعة العالية في حقل التدفق (انظر الشكل5). الفواصل الزمنية المتعددة الوقت المعتمدة لحسابات الارتباط المتبادل هي Δtو 3Δtو 9Δt و 21Δt (Δt = 5 مللي ثانية). معيار الارتباط المرضي أكبر من 70٪. - تصدير وحفظ بيانات حقول السرعة الفورية لمزيد من التحليل.
- انتقل إلى أدوات PTV، انقر فوق الزر الافتراضي لاستئناف الصورة الخام لتحليل PIV اللاحقة. قم بإلغاء تنشيط الوحدة النمطية PTV بالنقر فوق الوحدة النمطية PTV. افتح لوحة المعلمة على شريط الأدوات; تحديد معلمة حساب متجه السرعة.
- تحديد حقول السرعة المتوسطة على مراحل من حقول السرعة الفورية المحسوبة مع الخوارزمية كما هو موضح في نيولاند 199429,30 وHsieh 200828.
ملاحظة: يتم وصف إجراءات الحساب لهذه الخطوة كما يلي:- تطبيق وظيفة تحويل wavelet إلى سلسلة زمنيةالإزاحة، و(ر)، من خط الأنابيب تهتز للحصول على المرحلة الفورية لكل حقل سرعة فورية. يتم تعريف دالة تحويل wavelet على النحو:
(1)
حيث W- هو معامل الموجة؛ α وβ هي معلمات الحجم والترجمة، على التوالي؛ الدالة هي وظيفة مورليت ويتم
حسابها على النحو ; يشير الكتاب "*" إلى التقارنة المعقدة. يمكن حساب المراحل الفورية، Φ، من خط الأنابيب تهتز التي تتوافق مع الإزاحات خط أنابيب مختلفة من:
(2) - متوسط حقول السرعة الفورية مع نفس المرحلة للحصول على حقول السرعة المتوسطة المرحلة.
- تحديد vorticity التدفق، ω2، في حقول السرعة المحسوبة ذات المتوسط المرحلة من:
(3)
حيث
وسرعات المرحلة المتوسطة على طول الاتجاهات س وy.
- تطبيق وظيفة تحويل wavelet إلى سلسلة زمنيةالإزاحة، و(ر)، من خط الأنابيب تهتز للحصول على المرحلة الفورية لكل حقل سرعة فورية. يتم تعريف دالة تحويل wavelet على النحو:
- قم بتحميل سرعة المرحلة المحسوبة والبيانات السريعة في برنامج Tecplot للتصوير.
- تحديد القص القريب من الحدود والضغوط العادية من حقول السرعة الفورية المحسوبة مع الخوارزمية كما هو موضح في Hsieh et al. 2016 9. يتم وصف إجراءات حساب هذه الخطوة كما يلي:
- استخراج بيانات السرعة القريبة من الحدود (0-5 مم فوق قاع البحر) من حقول تدفق السرعة المحسوبة في المرحلة المتوسطة.
- حساب الضغوط القص بالقرب من الحدود، رق والضغوط العادية، رن، على طول ملف التنظيف (ما يقرب من 2 ملم فوق حدود ثقب التمشيط) لمراحل مختلفة ضمن دورة واحدة تهتز. ملاحظة: معادلات الحساب كما يلي:
,4) 
حيث، μ = اللزوجة الديناميكية للسائل (هنا تؤخذ على أنها 1 × 10-3 Pa∙s)؛ up = السرعة القريبة من الحدود موازية للسرير؛ شن = السرعة القريبة من الحدود عمودي على السرير؛ n = المسافة العادية من السرير.
- قم بتحميل القص المحسوب القريب من الحدود وبيانات الضغط العادية في برنامج (على سبيل المثال، Tecplot) للتصور.
(1)
حسابها على النحو ; يشير الكتاب "*" إلى التقارنة المعقدة. يمكن حساب المراحل الفورية، Φ، من خط الأنابيب تهتز التي تتوافق مع الإزاحات خط أنابيب مختلفة من:
(2)
(3)
وسرعات المرحلة المتوسطة على طول الاتجاهات س وy. 
,4) 
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويرد في الشكل 3مثال على المقارنة بين الصورة الخام والصورة المجهزة لتتبع إزاحات خط الأنابيب وحساب السرعة الفورية. كما هو مبين في الشكل 3ب، يتم تصفية جزيئات البذر والضوضاء في الصورة الخام ويتم الاحتفاظ حافة خط أنابيب مشرقة للحصول على سلسلة زمنية الإزاحة. وكما هو مبين في الأشكال 3ج،فإن التشتت/الانعكاسات الضوئية حول جزيئات البذر، وحافة خط الأنابيب، وسطح قاع البحر تتم تصفيتها بواسطة مرشح لابلاسيان. ويرد في الشكل 4مثال على سلسلة زمنية الإزاحة لخط الأنابيب الهزاز. اهتزاز خط الأنابيب هو الجيوب الأنفية تقريبا، والتردد تهتز والسعة هي 0.3 هرتز و ~ 50 ملم، على التوالي.
ويبين الشكل 6 مثالاً على صورة ملف التمشيط شبه المتوازن وخط الأنابيب الهزاز عند t = 1440 دقيقة، حيث يتم تعيين أصل الإحداثيات (x -O-y)من هذه الدراسة عند نقطة تقاطع سطح قاع البحر الأصلي وخط الأنابيب العمودي خط الوسط. وكما هو مبين في الشكل 6، بالإضافة إلى جزيئات البذر، يمكن ملاحظة عدد قليل جدا ً من جزيئات الرواسب المعلقة في التدفق؛ لذلك، لم يتم اختراق جودة الصورة الخام. وهذا يشير أيضا إلى أنه تم التوصل إلى مرحلة شبه توازن لعملية تنظيف خط الأنابيب.
وترد في الشكل 7أمثلة على حقل السرعة المتوسط على مراحل وديناميات الدوامة. وتجدر الإشارة إلى أنه بسبب ظل خط الأنابيب أثناء قياسات PIV، لا توجد في المنطقة الواقعة على الجانب الأيسر من خط الأنابيب بيانات (انظر المؤامرات الفرعية في الشكل7). كما هو الحال في الشكل 7، يتم عرض تسع مراحل منفصلة من حقل التدفق ضمن دورة واحدة من الاهتزاز. خلال مراحل هبوط خط الأنابيب (0 ≤ ر0/T < 0.5، حيث T هو فترة الاهتزاز وt0 هو الوقت يختلف من 0 إلى T)،يتم إنشاء زوج من الدوامات مع أنماط متناظرة من القص طبقات على جانبي خط الأنابيب تهتز. مباشرة بعد أن وصل خط الأنابيبإلى أسفل خندق تجوب (ر0/T = 4/8)، يتم تشويه دوامة عكس اتجاه عقارب الساعة وامتص في خندق تجوب كما يرتفع خط الأنابيب من قاع البحر. خلال فترة مراحل صعود خط الأنابيب (0.5 ≤ t0/T < 1)، يتم إنشاء زوج آخر من الدوامات مع الاتجاهات الدوارة المعاكسة لتلك التي في المرحلة التنازلية بشكل متماثل حول الحافة العليا من خط الأنابيب. للحصول على مراقبة أفضل لديناميات التدفق في الشكل 7، يتم توفير فيديو مقابل (فيديو1) مصنوع من 72 مرحلة (إطارات) من حقول التدفق لدورة واحدة من اهتزاز خط الأنابيب.
مثال على ضغوط القص القريبة من الحدود، Ts والضغوط العادية، يتم عرض تطور Tn على طول ملف التنظيف داخل دورة تهتز واحدة في الشكل 8. وبما أن حقل التدفق متماثل حول محور y، فإن ضغوط القص القريبة من الحدود والضغوط العادية المعروضة في هذه الدراسة تقتصر على النصف الأيمن من ملف تعريف التنظيف (0 < x < 5). كما هو مبين في الشكل 8، يتم تطبيع هذه الضغوط اثنين من خلال قيمة الإجهاد القص السرير الحرجة، Tج (التي تم الحصول عليها من منحنى شيلدز كما 0.243 باسكال) من جزيئات الجسيمات وُجِسِع على حالة سرير الطائرة. القيم المطلقة من Tق و Tن داخل خندق تجوب وتحت خط أنابيب تهتز زيادة كبيرة عندما يكون خط الأنابيب يسقط إلى السرير أو يصعد من السرير. المناطق التي تظهر فيها Ts و Tn القيم القصوى والدنيا تتماشى مع تطور حقول التدفق بين خط الأنابيب الهزاز وحدود التمشيط كما هو موضح في الشكل 7.
الشكل 1 مخطط المداخن التجريبية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2 مخطط لنموذج خط الأنابيب ونظام الاهتزاز الإعداد. (أ) طريقة عرض القسم، (ب) طريقة العرض الجانبية. تم تعديل هذا الرقم من8. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3 مثال على المقارنة بين الصور الخام والصور المجهزة. (أ) الصورة الخام، (ب) الصورة المجهزة لتتبع إزاحات خطوط الأنابيب، و (ج) الصورة المجهزة لحساب السرعة الفورية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4 مثال على سلسلة زمنية الإزاحة من خط أنابيب تهتز: في t = 1440 دقيقة . الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5 مقارنة بين خوارزمية الارتباط المتبادل الفاصل الزمني لوقت واحد وعدة مرات. هذا الرقم مستنسخ من9. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6 مثال صورة من ال [قوس-نفين] [سكل] قطاع جانبيّ في [ت] = 1440 [مين]. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7 أمثلة على حقل السرعة المتوسط على مراحل وديناميات الدوامة. هذا الرقم مستنسخ من8. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8 مثال على التطورات من رس و رن على طول الملف الشخصي تجوب داخل دورة واحدةتهتز. يشير وقت الهبوط والاقلاع إلى الأوقات التي يلامس فيها الجزء السفلي من خط الأنابيب ويرتفع من حدود ثقب التمشيط، على التوالي. هذا الرقم مستنسخ من8. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
فيديو 1: تطور مجال التدفق حول خط الأنابيب تهتز داخل حفرة التوازن. يتكون الفيديو من 72 مرحلة (إطارات) من حقول التدفق لدورة واحدة من اهتزاز خط الأنابيب. يتم إعادة إنتاج هذا الفيديو من8. الرجاء النقر هنا لمشاهدة هذا الفيديو. (انقر بزر الماوس الأيمن للتنزيل.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يصف البروتوكول المعروض في هذه الورقة طريقة لتصور حقول التدفق ثنائية الأبعاد وتحديد حقول الإجهاد التدفق القريبة من الحدود حول خط أنابيب تهتز القسري في حفرة فحص التوازن باستخدام تقنيات PIV. وبما أن حركة خط الأنابيب المصممة أحادية الأبعاد على طول اتجاه y، فإن إعداد وتعديل نموذج خط الأنابيب ونظام الاهتزاز لتحقيق هذا الهدف هما شرطان أساسيان حاسمان لتحقيق نتيجة ناجحة. أي حركات غير مرغوب فيها من خط الأنابيب على طول اتجاه س قد تحفز حقول تدفق غير متناظرة وتجوب تشكيل حفرة حول خط الأنابيب تهتز. وإلى جانب تأثيرات الجهاز، فإن اختيار تردد الاهتزاز واتساع خط الأنابيب للتجارب مهم أيضاً لتحفيز مجال تدفق متماثل حول خط الأنابيب. في الواقع، في حالة الماء هادئة، لين وآخرون31 أظهرت أن هيكل تدفق إعادة تدوير وراء اسطوانة دائرية بدأت باندفاع يمكن الحفاظ على التماثل عندما الوقت غير الأبعاد TD = رDU D/D < 5, حيث رD = اسطوانة تتحرك الوقت; وU D = سرعة الاسطوانة. للحالة عندما TD > 5، قد يحدث ذرف دوامة مائلة حول الاسطوانة. في هذه الدراسة، يمكن تقدير سرعة خط الأنابيب القصوى على أنها 2י • A0، ويمكن أن تؤخذ الاسطوانة وقت التحرك كما ...
خلال مرحلة إعداد PIV، ورقة الليزر وتعديلات الكاميرا واختيار الجسيمات البذر هي خطوات البروتوكول الحرجة للحصول على بيانات حقل تدفق عالية الجودة. يجب أن يكون اتجاه تصوير الكاميرا متعامداً مع ورقة الليزر، وإلا، سيتم عرض تشوهات المنظور في الصور التي تم التقاطها. وبما أن هذه الطريقة تهدف إلى الحصول على ضغوط التدفق القريب من الحدود في حقل تدفق غير مستقر، ينبغي تعيين شدة الليزر وموقع حقل الرؤية بشكل صحيح لتجنب انعكاس الضوء القوي للحدود. جزيئات البذر المختارة تحتاج إلى تشتت ورقة الليزر المضيئة بشكل فعال وتكون قادرة على متابعة تدفق يبسط دون تسوية مفرطة20. واستناداً إلى هذا الاعتبار، كانت جزيئات البذر المستخدمة في هذه الدراسة مساحيق الألومنيوم، التي قُدِّرت سرعة تسويتها بـ 92.6 مم/ث باستخدام قانون ستوك. هذه السرعة تسوية لا تذكر بالمقارنة مع سرعات التدفق (0.1-0.2 م / ث) بالقرب من خط أنابيب تهتز. لتحسين الإعداد التجريبي، والتحقق من تركيز الكاميرا وتحديد معدل أخذ العينات الكاميرا هي أيضا خطوات حاسمة لقياسات موثوق بها.
بالنسبة لمرحلة عملية البيانات، هناك تحديان للحصول على حقول تدفق عالية الجودة متوسطة المرحلة وضغوط التدفق القريبة من الحدود: (1) حساب حقول التدفق الفوري بدقة وتجنب خطأ التحيز الإزاحة في مناطق التدفق مع تدرج سرعة كبيرة؛ و(2) فهرسة بدقة الصور التي تم التقاطها التي لها نفس مرحلة الاهتزاز. لحساب حقول التدفق الفوري، يحدد أسلوب الارتباط المتبادل التقليدي PIV 19 متجه السرعة بين صورتين متتاليتين مع فاصل زمني ثابت Δt (انظر الشكل 5أ). وقد لا تكون هذه الطريقة التقليدية مناسبة لهذه الدراسة لأن حقل التدفق المحسوب قد يكون له أخطاء كبيرة في التحيز ضد الإزاحة بالقرب من خط الأنابيب الهزاز وحدود قاع البحار. وللتغلب على هذه المشكلة، يتم اعتماد خوارزمية متعددة الفترات في هذه الدراسة (انظر الشكل 5ب). باستخدام هذه الطريقة، يتم تنفيذ استجوابات الصور بشكل تكراري على أزواج صور مختلفة لفترات مختلفة محددة. يتم تحديد متجه السرعة في كل نقطة شبكة استناداًإلى تقديرات الفاصل الزمني المناسب 9،27،28. وتجدر الإشارة إلى أنه عند استخدام هذه الطريقة، ينبغي الحصول على مجموعات بيانات الصورة الخام بحلول وقت حل PIV مع كاميرا معدل أخذ العينات عالية والليزر موجة مستمرة. للتغلب على التحدي الثاني، توفر هذه الورقة تقنية تحويل الويفليت. من خلال تطبيق وظيفة تحويل wavelet إلى سلسلة وقت الإزاحة من خط الأنابيب، يمكن حساب المرحلة الفورية لكل صورة تم التقاطها بدقة. ويمكن أيضا تطبيق هذه الطريقة للتحقيق في دوامة الناجمة عن عمليات الاهتزاز، مثل الاهتزاز خط الأنابيب الناجمة عن دوامة عدم التماثل ذرف15،27،32.
وتتمثل المزايا الرئيسية لتقنية قياس التدفق الموصوفة في هذه الورقة في الاستبانة الزمنية والمكانية العالية والقدرة على الحصول في الوقت نفسه على ديناميات خط الأنابيب وحقول التدفق وضغوط التدفق القريبة من الحدود. وباستخدام هذه التقنية، يمكن إجراء دراسات أكثر تعمقاً بشأن تنظيف خطوط الأنابيب في البيئات المعقدة، ويمكن فهم الآلية المعقدة للتجول حول خط الأنابيب الهزاز فهماً أفضل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
وقد دعم هذا العمل صندوق العلماء الشباب التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (51709082) وصناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية (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 |
References
- Fredsøe, J.
- 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).
- Chiew, Y. Mechanics of local scour around submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 116 (4), 515-529 (1990).
- Chiew, Y. Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines. Journal of Hydraulic Engineering. 117 (4), 452-466 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sumer, B., Fredsøe, J.
- 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).
- 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).
- Sumer, B. M., Truelsen, C., Sichmann, T., Fredsøe, J. Onset of scour below pipelines and self-burial. Coastal Engineering. 42 (4), 313-335 (2001).
- 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).
- 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).
- Zhao, M., Cheng, L. Numerical investigation of local scour below a vibrating pipeline under steady currents. Coastal Engineering. 57 (4), 397-406 (2010).
- 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).
- 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).
- Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. Berlin Heidelberg. (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. (76), e50559 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 1-theory. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 409-416 (1994).
- Newland, D. E. Wavelet analysis of vibration: Part 2-wavelet maps. Journal of Vibration and Acoustics. 116 (4), 417-425 (1994).
- 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).
- Sarpkaya, T. A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations. Journal of Fluids and Structures. 19 (4), 389-447 (2004).
