Summary
Цель протокола состоит в том, чтобы обеспечить визуализацию подробных полей потока и определение ближнего пограничного сдвига и нормальных напряжений в равновесном рыскании отверстие индуцированное вибрирующим трубопроводом.
Abstract
Экспериментальный метод представлен в этой работе для облегчения визуализации подробных полей потока и определения ближнего пограничного сдвига и нормальных напряжений в равновесном рыскании отверстие индуцированной вибрирующим трубопроводом. Этот метод включает в себя внедрение системы вибрации трубопровода в прямой флейм, временно решенной системы велоциметрии изображения частиц (PIV) для отслеживания смещения трубопровода и измерений полей потока. Временные временные ряды вибрирующего трубопровода получаются с помощью алгоритмов кросс-корреляции. Описаны шаги по обработке груженых изображений необработанных частиц, полученных с помощью разрешенного во времени PIV. Подробные поля мгновенного потока вокруг вибрирующего трубопровода на различных вибрирующих фазах рассчитываются с помощью многовременного интервала кросс-корреляции алгоритма, чтобы избежать ошибки смещения смещения в регионах потока с большим градиентом скорости . Применяя технику преобразования волнообразов, захваченные изображения, которые имеют ту же фазу вибрации, точно каталогизируются до получения полей усредненных скоростей. Ключевыми преимуществами метода измерения потока, описанного в настоящей статье, является то, что он имеет очень высокое временное и пространственное разрешение и может одновременно использоваться для получения динамики трубопровода, полей потока и приблизительных напряжений потока. С помощью этого метода можно проводить более углубленные исследования 2-мерного поля потока в сложной среде, например, вокруг вибрирующего трубопровода, чтобы лучше понять связанный с ним сложный механизм рыскания.
Introduction
Подводные трубопроводы широко используются в морских средах для транспортировки жидких или гидроуглеродных продуктов. Когда трубопровод находится на эродируемом морском дне, рыскание отверстие вокруг трубопровода, вероятно, образуется из-за волн, течений или динамических движений самого трубопровода (принудительной вибрации или вихревой индуцированной вибрации)1,2. Для улучшения понимания механизма рыскания вокруг подводного трубопровода, измерения бурных полей потока и оценки сдвига кровати и нормальных напряжений в области взаимодействия трубопровода-жидкости и морского дна имеют важное значение в дополнение к измерения размером рыскания1,2,3,4,5,6,7. В среде, где сдвига кровати и нормальные стрессы чрезвычайно трудно определить, потому что поле потока является нестационарным и нижняя граница грубая, измеряется мгновенных приблизительных напряжений (примерно на 2 мм выше границы) может быть используется в качестве их суррогатной8,9. В последние несколько десятилетий, рыскать вокруг вибрирующего трубопровода был изучен и опубликован без количественного представления значений сложных полей потока вокруг трубопровода в рыскание отверстие3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Таким образом, цель этого метода бумаги заключается в том, чтобы обеспечить новый экспериментальный протокол для визуализации подробных полей потока и определить ближайший пограничный сдвига и нормальных напряжений в равновесной рыскать отверстие индуцированной принудительного вибрирующего трубопровода. Следует отметить, что процесс взаимодействия трубопровода и жидкости и морского дна в данном исследовании находится в спокойной водной среде, а не с однонаправленными течениями и волнами.
Этот экспериментальный метод состоит из двух важных компонентов, а именно: (1) моделирование трубопроводных (принудительных) вибраций; и (2) измерения полей потока вокруг трубопровода. В первом компоненте вибрирующий трубопровод был смоделирован в экспериментальном флейме с помощью вибрирующей системы, которая имеет сервопривод, два соединительных пружина и опорные рамы трубопровода. Различные частоты вибрации и амплитуды могут быть смоделированы путем регулировки скорости двигателя и расположения соединительных пружин. Во втором компоненте были приняты методы измерения образов частиц (PIV) и волнообразной трансформации для получения данных о потоке высокого временного и пространственного разрешения на различных фазах вибрации трубопровода. Система PIV, разрешаемые по времени, состоит из непрерывного волнового лазера, высокоскоростной камеры, посевных частиц и алгоритмов кросс-корреляции. Хотя методы PIV были широко использованы в получении устойчивых бурных полей потока19,20,21,22,23,24,25, применения в сложных условиях нестационарного течения, таких как случаивзаимодействия трубопроводных жидкостей и морского дна, относительно ограничены 8,9,26,27. Причина, вероятно, потому, что традиционный одноразовый межрайонный кросс-корреляционный алгоритм методов PIV не в состоянии точно захватить функции потока в нестационарных полях потока, где присутствует относительно высокий градиент скорости9, 20. Метод, описанный в настоящем документе, может решить эту проблемус помощью многократного межкорреляционного алгоритма 9,28.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Лабораторная проверка безопасности
- Пересмотреть правила безопасности, связанные с использованием лазерной и флеймной системы.
- Обеспечить соответствие требованиям лаборатории по обучению безопасности.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте используется набор 5W воздухоохлаждающий непрерывный волновой лазер с длиной волны 532 нм и стеклобоком прямой флейм(рисунок 1) с размерами 11 м в длину, шириной 0,6 м и глубиной 0,6 м. Основные рекомендации по безопасности для этих двух аппаратов следующие:- Проверьте потенциальные поверхности отражения в лазерной прямой видимости перед тестированием; носить защитные очки при эксплуатации лазерного устройства.
- Избегайте глаз на уровне лазерного луча во время экспериментов и будьте осторожны с отраженными лазерными огнями при обращении с оптическими элементами или светоотражающими инструментами.
- Убедитесь, что водяной шланг не упадет и что всегда нет воды, переполненной из потока.
2. Установка модели Flume и морского дна
- Подготовьте эродируемую модель морского дна, расположенную в середине флейма.
ПРИМЕЧАНИЕ: Материалом осадка, используемым в данном исследовании, был равномерно распределенный средний песок со средним размером зерна d50 и 0,45 мм, относительной плотностью погруженных частиц - 1,65 и геометрическим стандартным отклонением. - Компактный и уровень морского дна с помощью песка выравниватель.
- Медленно заполните флейм водяным шлангом и убедитесь, что плоская поверхность морского дна не повреждена во время процесса заполнения; прекратить заполнение, когда уровень воды достиг глубины 0,4 м над морским дном.
- Очистите верхнюю платформу и стекло для настройки модели трубопровода и системы PIV.
3. Установка модели трубопровода и вибрационной системы
- Используйте сборную модель трубопровода в виде акрилового цилиндра диаметром 35 мм и длиной 0,56 м.
- Установите модель трубопровода на алюминиевую опорную раму, которая, в свою очередь, соединена двумя пружинами с подвижным полюсом на другой фиксированной раме, которая заблокирована на верхних рельсах флемия, как показано на рисунке 2. Исправьте опорную раму внутри фиксированной рамы, используя четыре подшипника, чтобы убедиться, что поддерживающий каркас может свободно вибрировать только по вертикальному направлению(рисунок2).
- Используйте соединительный стержень, чтобы привязать подвижный столб к сервоприводу, установленному в верхней части фиксированной рамы. В этом исследовании вес собранной вибрирующей системы, включая модель трубопровода и алюминиевые рамы,составляет 1,445 кг, что имеет эквивалентное соотношение массы (м) 2,682; естественная частота (fN) 0,82 Гц; и демпфирование соотношение (q) 0,124.
- Отрегулируйте подвижный полюс и опорную рамку, чтобы получить определенное соотношение разрыва между трубопроводом и морским дном. В этом исследовании, G/D No 1, где G вертикальное расстояние между дном трубопровода и начальной поверхности морского дна; и D является диаметр трубопровода.
- Включите сервопривод, чтобы вызвать принудительную вибрацию на трубопроводе; отрегулируйте опорные рамы и четыре подшипника, чтобы убедиться, что вибрация трубопровода находится вдоль вертикального направления. Выключите сервопривод, когда были завершены регулировки опорных рам.
- Компактный и уровень морского дна еще раз, прежде чем запустить эксперимент, если модель морского дна нарушается в 3,5.
4. Установка PIV
- Поместите лазерное устройство на верхней части флейма и установите лазерный лист формирования оптики.
- Включите лазерное устройство и отрегулируйте лазерный лист, образующий оптику так, чтобы внутри поля образовался освещенный плоский лист.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании, освещенный зеленый лазерный лист 1,5 мм толщиной, параллельно с флейм стеклянные стены и брошен вниз в воду вдоль центральной линии флейма. Поле интересов этого исследования относится к области взаимодействия трубопровода жидкости морского дна и ограничивается правой половины стороны трубопровода. Тень трубопровода будет видна на левой половине трубопровода. - Настройка высокоскоростной камеры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого исследования используется высокоскоростная камера с 12-гигабайтной памятью и максимальным разрешением 2,3 Mpx (1920-1200) (например, Phantom Miro LAB 320). Подробные процедуры работы следующие:- Установите объектив с соответствующим фокусным расстоянием на высокоскоростной камере. Винт высокоскоростной камеры на высоту регулируемый штатив; настроить камеру до уровня области наблюдения с ее оси перпендикулярно освещенному лазерному листу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это исследование использует 60 мм премьер объектив на его максимальную диафрагму f/2.8. - Подключите камеру к компьютеру с помощью кабеля Ethernet и включите программное обеспечение для управления камерой (например, Phantom PCC 2.6); включите камеру и подключите ее к компьютеру в интерфейсе программного обеспечения управления камерой.
- Отрегулируйте штатив, чтобы обеспечить, чтобы поле зрения камеры покрывало область взаимодействия между потоком и жидкостью и морским дном; уровень камеры, используя встроенный уровень пузыря на штативе; настроить фокусное кольцо на объектив, чтобы убедиться, что лазерный лист ясен на фокусной плоскости.
- Установите объектив с соответствующим фокусным расстоянием на высокоскоростной камере. Винт высокоскоростной камеры на высоту регулируемый штатив; настроить камеру до уровня области наблюдения с ее оси перпендикулярно освещенному лазерному листу.
5. Экспериментальная оптимизация и калибровка установки
- Добавьте частицы PIV посева в испытательный участок флейма.
ПРИМЕЧАНИЕ: Частицы посева, используемые в этом исследовании, были алюминиевыми порошками диаметром 10 мкм и определенной плотностью 2,7. - При необходимости увеличьте интенсивность света лазерного листа.
- Проверить фокус камеры, наблюдая за освещенными частицами посева на лазерном листе через вид живой камеры на компьютере; отточить фокусное кольцо, если это необходимо, чтобы обеспечить, чтобы частицы посева были острыми и в фокусе.
- Поместите калибровование линейки внутри поля зрения на плоскости лазерного листа и захватить одно калибровочное изображение.
ПРИМЕЧАНИЕ: Принятое разрешение изображения в этом исследовании было 1600 и 1200 пикселей. - Выберите правильную частоту выборки для сбора данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранный коэффициент выборки должен гарантировать, что смещение частиц в паре изображений составляет менее 50% от максимальной длины окна допроса. В этом исследовании максимальный размер окна допроса составляет 32 и 32 пикселя, а принятая частота выборки составляет 200 кадров в секунду. - Выключите лазер и камеру, когда шаги 5.1-5.5 будут завершены.
6. Проведение эксперимента и сбор данных
- Поместите прозрачную акриловую пластину (толщиной 20 мм) под лазерным источником и на поверхность воды, чтобы подавить колебания поверхности воды, и обеспечить спокойный оптический доступ для лазерного света.
- Включите сервопривод, чтобы вызвать принудительные вибрации на модели трубопровода.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании индуцированная частота сервопривода составляет f0 и 0,3 Гц. - Держите вибрационную систему работает для (т)1440 мин, чтобы получить квази-равновесный рыскать отверстие под вибрирующим трубопроводом.
- Включите лазер и отрегулируйте выходную мощность до оптимизированной интенсивности. Включите программное обеспечение для управления камерой и нанесите калиброванные настройки на камеру. Выключите фоновые фонари в лаборатории.
- Начните записывать изображение поля потока, нагруженного частицами, с частотой выборки, выбранной в 5,6, нажав на Capture Bottom в программном обеспечении для управления программным обеспечением камеры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждой записи в этом исследовании, камера хранения позволяет 1000 изображений, которые будут захвачены. - После завершения сбора данных просмотрите качество записанного изображения и проверьте, превышает ли плотность посевных частиц в окне допроса (32–32 пикселя). Сохранить записанный файл, если удовлетворены, в противном случае, плотность посева увеличивается за счет медленно инъекционных решений посева в области наблюдения, и повторить шаги 6.3-6.5.
- Повторите шаги 6.3-6.5 для сбора дополнительных наборов данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого исследования было получено более 20 000 изображений для обеспечения того, чтобы для расчета скорости потока, вихрей, турбулентности и приблизительных пограничных напряжений получено достаточно еде. - Выключите лазерное устройство, камеру и серверный двигатель, когда все коллекции данных будут завершены; включите фоновые огни в лаборатории.
7. Обработка данных
- Откройте программное обеспечение; нажмите кнопку папки файла на панели инструментов и загрузите калибровочное изображение, сделанное в шаге 5.4.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте программу обработки данных для программного обеспечения отслеживания и расчетов полей перемещения трубопроводов (например, PISIOU). - Нажмите кнопку настройки масштаба на панели инструментов; измерить известное расстояние на калибровочном изображении для расчета масштаба изображения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расчетная шкала изображения составила 0,1694 мм/пиксель. - Нажмите кнопку Origin на панели инструментов; установить происхождение координат на каждом изображении.
- Извлеките временные ряды вибрирующего трубопровода из записанных изображений.
- Загрузите необработанные изображения, сделанные в шаге 6. Затем нажмите на панель параметра, введите количество файлов данных и частоту выборки.
- Примените фильтр Low pass в меню фильтра изображения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта операция позволит легко распознать край конвейера (цель для отслеживания) на обработанных изображениях (см. рисунок 3a). - В панели инструментов нажмите модуль PTV. Затем нажмите кнопку «Точка отслеживания», выберите центральную точку конвейера. Перейдите к инструментам PTV,отрегулируйте Gamma, Light Gate и медианный фильтр, чтобы выделить контур конвейера на изображении. Нажмите кнопку отслеживания объектов на панели инструментов; выбрать целевой регион (т.е. конвейер) на обработанном изображении и отслеживать перемещение вибрирующего трубопровода из последовательных обработанных изображений; запись временных рядов перемещения, q(t), вибрирующего конвейера для последующих процессов данных поля потока (см. Рисунок 4).
- Экспорт и сохранение данных временных рядов перемещения трубопровода для дальнейших расчетов.
- Определите поля мгновенной скорости из записанных изображений.
- Перейдите к инструментам PTV,нажмите кнопку По умолчанию, чтобы возобновить необработанное изображение для последующего анализа PIV. Отключите модуль PTV, нажав на модуль PTV. Откройте панель параметра на панели инструментов; указать параметр расчета векторного скорости.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании, многопроходной процесс итерации принимается в качестве окна допроса, который начался с 32 и 32 пикселей, а затем прошел с 16 и 16 пикселей, и закончился с 8 и 8 пикселей; все проходы используют 50% перекрытие между соседними подокнами. - Примените функцию лаплакского фильтра в меню фильтра изображения к необработанным изображениям, чтобы выделить частицы посева и отфильтровать нежелательный рассеяние света (см. Рисунок 3c).
- Нажмите кнопку Boundary на панели инструментов, установите геометрической маски на изображения, чтобы исключить область морского дна для дальнейшего расчета. Нажмите кнопку «Сохранение границы», чтобы сохранить данные о границах.
- Нажмите кнопку Run на панели инструментов, чтобы вычислить поля мгновенной скорости для различных вибрирующих фаз с помощью метода кросс-корреляции.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании используется многовременный алгоритм интервала для уменьшения ошибки смещения из-за высокой скорости градиента в поле потока (см. рисунок5). Принятые многовременные интервалы для перекрестных расчетов:т,3 х т, 9и 21т (т 5 мс). Удовлетворительный критерий корреляции превышает 70%. - Экспорт и сохранение данных о мгновенных полях скорости для дальнейшего анализа.
- Перейдите к инструментам PTV,нажмите кнопку По умолчанию, чтобы возобновить необработанное изображение для последующего анализа PIV. Отключите модуль PTV, нажав на модуль PTV. Откройте панель параметра на панели инструментов; указать параметр расчета векторного скорости.
- Определите фазово-усредненные поля скорости из расчетных полей мгновенной скорости с алгоритмом, как описано в Newland 199429,30 и Hsieh 200828.
ПРИМЕЧАНИЕ: Процедуры расчета для этого шага описаны следующим образом:- Примените функцию преобразования волнообразности к временной серии смещения, (т),вибрирующего трубопровода, чтобы получить мгновенную фазу для каждого мгновенного поля скорости. Функция преобразования волнообразов определяется как:
(1)
гдекоэффициент ва-волна; - это параметры шкалы и перевода, соответственно; функция » является функцией Морлета
и рассчитывается как ; надписи «я» обозначает сложную конъюгировать. Мгновенные фазы, вибрирующие трубопроводы, которые соответствуют различным перемещениям трубопровода, могут быть рассчитаны на основе:
(2) - Усреднение мгновенных полей скорости с той же фазой для получения фазовых усредненные поля скорости.
- Определить вихрь потока, No2, в расчетных фазовых усредненные поля скорости от:
(3)
где
и фазовые средние скорости вдоль направлений x и y.
- Примените функцию преобразования волнообразности к временной серии смещения, (т),вибрирующего трубопровода, чтобы получить мгновенную фазу для каждого мгновенного поля скорости. Функция преобразования волнообразов определяется как:
- Загрузите расчетные данные о средней скорости и вихревости в программное обеспечение Tecplot для визуализации.
- Определите ближайший пограничный сдвиг и нормальные напряжения от расчетных полей мгновенной скорости с помощью алгоритма, описанного в Hsieh et al. 2016 9. Процедуры расчета для этого шага описаны следующим образом:
- Извлекайте данные о скорости ближнего зарубежья (0-5 мм над морским дном) из расчетных фазовых усредненные полей потока скорости.
- Вычислите приблизительные сдвига напряжения, ти нормальные напряжения, тп, вдоль рыскать профиль (примерно 2 мм выше границы рыскать отверстие) для различных фаз в течение одного вибрирующего цикла. Примечание: Уравнения расчета следующие:
, 
(4)
где, - динамическая вязкость жидкости (здесь, принятые в виде 1'10-3 ПАЗ); up - околопограничная скорость, параллельная кровати; un - околопограничная скорость перпендикулярно кровати; n - нормальное расстояние от кровати.
- Загрузите расчетный сдвига ближнего зарубежья и нормальные стрессы данных в программном обеспечении (например, Tecplot) для визуализации.
(1)
и рассчитывается как ; надписи «я» обозначает сложную конъюгировать. Мгновенные фазы, вибрирующие трубопроводы, которые соответствуют различным перемещениям трубопровода, могут быть рассчитаны на основе:
(2)
(3)
и фазовые средние скорости вдоль направлений x и y.
, 
(4)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Пример сравнения необработанного изображения и обработанного изображения смещений трубопровода, отслеживающих и расчета мгновенной скорости, показан на рисунке 3. Как показано на рисунке 3b,частицы посева и шум на сыром изображении отфильтровываются, а сияющий край трубопровода сохраняется для получения временных рядов смещения. Как показано на рисунке 3c,свет рассеивает / отражения вокруг посева частиц, края трубопровода и поверхности морского дна отфильтровываются laplacian фильтра. Пример временных рядов перемещения вибрирующего трубопровода показан на рисунке 4. Вибрация трубопровода почти синусоидальная, а вибрирующая частота и амплитуда составляют 0,3 Гц и 50 мм соответственно.
На рисунке 6 показан пример изображения квазиравновильного рыскания профиля и вибрирующего трубопровода на т 1440 мин, в котором происхождение координат(x-O-y) этого исследования устанавливается в точке пересечения оригинальная поверхность морского дна и вертикальная центральная линия трубопровода. Как показано на рисунке 6, в дополнение к посевным частицам, очень мало взвешенных частиц осадка можно наблюдать в потоке; таким образом, качество исходного изображения не было скомпрометировано. Это также указывает на то, что для процесса рысканий трубопровода была достигнута квазиравновийумстадия.
Примеры визуализированного фазово-усредненное поле скорости и динамики вихревого воздуха показаны на рисунке 7. Следует отметить, что из-за тени трубопровода во время измерений PIV, область на левой стороне трубопровода не имеет данных (см. подсюжеты на рисунке 7). Как видно на рисунке 7, представлены девять дискретных фаз поля потока в течение одного цикла вибрации. Во время фазы падения трубопровода (0 т0/Т Злт; 0,5, где T является период вибрации и t0 это время варьируется от 0 до T), пара вихрей с симметричными узорами генерируется из сдвига слоев по обе стороны вибрирующего трубопровода. Сразу же после того, как трубопроводдостиг дна траншеи (т0/Т 4/8), вихрь против часовой стрелки искажается и всасывается в рыскание траншеи, как трубопровод поднимается от морского дна. В период восходящей фазы трубопровода (0,5 т0/ Т/т; 1) другая пара вихрей с противоположными вращающимися направлениями к тем, кто находится в фазе спуска, симметрично генерируется вокруг верхнего края трубопровода. Для лучшего наблюдения динамики потока на рисунке 7предусмотрено соответствующее видео (видео1)из 72 фаз (кадров) полей потока для одного цикла вибрации трубопровода.
Пример ближнего пограничного сдвига напряжений, Ти нормальных напряжений, Tn эволюции вдоль рыскать профиль в течение одного вибрирующего цикла представлен на рисунке 8. Так как поле потока симметрично о оси y, ближайшие пограничные напряжения сдвига и нормальные напряжения, представленные в этом исследовании, ограничиваются правой половиной профиля рыскания (0 злт; х злт; 5). Как показано на рисунке 8, эти два стресса нормализуются значением критического напряжения сдвига кровати, Tc (получено от кривой щитов как 0.243 Pa) частиц песка на состоянии кровати плоскости. Абсолютные значения Ts и Tn в траншее рыскания и под вибрирующим трубопроводом значительно увеличиваются, когда трубопровод падает на кровать или поднимается с кровати. Регионы, в которых Ts и Tn демонстрируют максимальные и минимальные значения, согласуются с эволюцией полей потока между вибрирующим трубопроводом и границей рыскания, как показано на рисунке 7.
Рисунок 1 : Схема экспериментального флейма. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2 : Схема настройки модели трубопровода и вибрационной системы. ()Вид раздела, (б) Вид сбоку. Эта цифра была изменена с8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3 : Пример сравнения необработанных и обработанных изображений. (a) необработанное изображение, (b)обработанное изображение для отслеживания смещений трубопровода, и (c)обработанное изображение для мгновенного расчета скорости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4 : Пример временных смещений вибрирующего трубопровода на 1440 мин . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5 : Сравнение одноразового и многоразового интервала кросс-корреляции алгоритма. Эта цифра воспроизводится с9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6 : Пример изображения квази-равновесного рыскать профиль на т й 1440 мин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7 : Примеры визуализированного фазово-усредненное поле скорости и динамики вихревости. Эта цифра воспроизводится с8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 8 : Пример эволюций ти твдоль рыскания профиля в течение одного вибрирующего цикла. Время приземления и подъема относится к временам, когда дно трубопровода просто касается и поднимается от границы рыскания дыры, соответственно. Эта цифра воспроизводится с8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Видео 1: Эволюция поля потока вокруг вибрирующего трубопровода в равновесном рыскании. Видео сделано из 72 фаз (кадров) полей потока для одного цикла вибрации трубопровода. Это видео воспроизводится из8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Право нажмите, чтобы скачать.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Протокол, представленный в настоящем документе, описывает метод визуализации двухмерных полей потока и определения ближайших пограничных полей напряжения потока вокруг принудительного вибрирующего трубопровода в равновесном рыскании отверстие с помощью методов PIV. Поскольку проектируемое движение трубопровода одномерное вдоль направления y, подготовка и настройка модели трубопровода и системы вибрации для выполнения этой цели являются важнейшими предпосылками для успешного результата. Любые нежелательные движения трубопровода вдоль направления x могут вызвать асимметричные поля потока и рыскать по образованию дыр вокруг вибрирующего трубопровода. Помимо эффектов аппарата, выбор частоты вибрации и амплитуды трубопровода для экспериментов также важен для индуцирования симметричного поля потока вокруг трубопровода. В самом деле, в состоянии тихих воды, Лин и др.31 показали, что структура потока рециркуляции за импульсивно начал круговой цилиндр может поддерживать свою симметрию, когда немерное время TD и ТDU D/D злт; 5, где тD и цилиндр время перемещения; и скорость цилиндра UD. Для состояния, когда TD йgt; 5, косой вихрь пролить может произойти вокруг цилиндра. В этом исследовании максимальная скорость трубопровода может быть оценена как 2 "A" 0,и время перемещения цилиндра может быть принято как 1/2 ", таким образом, максимальное немерное время TD и A0/D 4,48.
На этапе установки PIV, лазерный лист и камеры корректировки и выбор посевных частиц являются критическими этапами протокола для получения высококачественных данных потока поля. Направление съемки камеры должно быть перпендикулярно лазерному листу, в противном случае на захваченных изображениях будут показаны перспективные искажения. Поскольку этот метод направлен на получение приблизичного потока напряжений в неустойчивом поле потока, интенсивность лазера и положение поля зрения должны быть должным образом установлены, чтобы избежать сильного отражения света границы. Выбранные частицы посева должны эффективно рассеивать освещающий лазерный лист и быть в состоянии следить за потоком упорядочения без чрезмерного урегулирования20. Основываясь на этом соображении, частицы посева, используемые в этом исследовании, были алюминиевыми порошками, скорость расчета которых оценивалась в 92,6 мм/с с с использованием закона Сток. Эта скорость урегулирования незначительна по сравнению со скоростью потока (0,1-0,2 м/с) вблизи вибрирующего трубопровода. Для оптимизации экспериментальной установки, проверка фокуса камеры и определение частоты отбора проб камеры также являются важнейшими шагами для надежных измерений.
На этапе процесса передачи данных существуют две проблемы для получения высококачественных фазовых усредненные полей потока и приблизительных напряжений потока: (1) точно рассчитать мгновенные поля потока и избежать ошибки смещения смещения в регионах потока с градиент большой скорости; и (2) точно каталогизировать захваченные изображения, которые имеют ту же фазу вибрации. Для расчета мгновенных полей потока традиционный метод перекрестной корреляции PIV 19 определяет вектор скорости между двумя последовательными изображениями с фиксированным временным интерваломt (см. Рисунок 5a). Этот традиционный метод может оказаться неподходящим для данного исследования, поскольку расчетное поле потока может иметь значительные ошибки смещения смещения вблизи вибрирующего трубопровода и границ морского дна. Для решения этой проблемы в этом исследовании используется многовременный алгоритм (см. рисунок 5b). С помощью этого метода, изображения допросы выполняются reiteratively на разных парах изображений для различных выбранных интервалов. Вектор скорости в каждой точке сетки определяетсяна основе оценки подходящего интервала времени 9,27,28. Следует отметить, что при использовании этого метода, необработанные наборы данных изображений должны быть приобретены к времени решена PIV с высокой частотой отбора проб камеры и непрерывного лазера волны. Чтобы преодолеть вторую задачу, в этой статье приводится техника преобразования волн. Применяя функцию преобразования волнообразности к временному перемещению конвейера, можно точно вычислить моментальная фаза каждого захваченного изображения. Этот метод также может быть применен для исследования вихрей индуцированных процессов вибрации, таких как вибрация трубопровода индуцированных асимметричным вихрем, пролитие15,27,32.
Ключевыми преимуществами метода измерения потока, описанного в настоящей статье, являются высокое временное и пространственное разрешение и способность одновременно получать динамику трубопровода, поля потока и приблизительные нагрузки потока. С помощью этого метода можно проводить более углубленные исследования трубопровода в сложных средах и лучше понять сложный механизм рыскания вокруг вибрирующего трубопровода.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Фондом молодых ученых Национального фонда естественных наук Китая (51709082) и Фондами фундаментальных исследований для центральных университетов (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).
