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Visualisation du champ de flux autour d'un pipeline vibrant dans un trou d'équilibre

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

L'objectif du protocole est de permettre la visualisation des champs d'écoulement détaillés et la détermination du cisaillement proche de la frontière et des contraintes normales dans un trou d'équilibre induit par un pipeline vibrant.

Abstract

Une méthode expérimentale est présentée dans cet article pour faciliter la visualisation des champs d'écoulement détaillés et la détermination du cisaillement proche de la frontière et des contraintes normales dans un trou d'équilibre induit par un pipeline vibrant. Cette méthode implique la mise en œuvre d'un système de vibration de pipeline dans un canal istitule droite, un système de vélocimétrie d'image de particules résolu par le temps (PIV) pour le suivi des déplacements de pipeline et les mesures des champs d'écoulement. Les séries chronologiques de déplacement du pipeline vibrant sont obtenues à l'aide des algorithmes de corrélation croisée. Les étapes de traitement des images chargées de particules brutes obtenues à l'aide du PIV résolu dans le temps sont décrites. Les champs d'écoulement instantanés détaillés autour du pipeline vibrant à différentes phases vibrantes sont calculés à l'aide d'un algorithme de corrélation croisée à intervalles multiples pour éviter l'erreur de biais de déplacement dans les régions de débit avec un gradient de vitesse élevé . En appliquant la technique de transformation des ondes, les images capturées qui ont la même phase vibrante sont cataloguées avec précision avant que les champs de vitesse moyenne de phase ne soient obtenus. Les principaux avantages de la technique de mesure du débit décrite dans cet article sont qu'elle a une résolution temporelle et spatiale très élevée et peut être utilisée simultanément pour obtenir la dynamique du pipeline, les champs d'écoulement et les contraintes de débit proches des limites. En utilisant cette technique, des études plus approfondies du champ d'écoulement bidimensionnel dans un environnement complexe, comme celle autour d'un pipeline vibrant, peuvent être menées pour mieux comprendre le mécanisme d'affouillement sophistiqué associé.

Introduction

Les pipelines sous-marins sont largement utilisés dans les environnements extracôtiers à des fins de transport de produits fluides ou hydro-carbone. Lorsqu'un pipeline est placé sur un fond marin érodable, un trou de récurage autour du pipeline est susceptible de se former en raison des vagues, des courants ou des mouvements dynamiques du pipeline lui-même (vibration forcée ou vibration induite par le vortex)1,2. Pour améliorer la compréhension du mécanisme d'affouillement autour d'un pipeline sous-marin, des mesures des champs d'écoulement turbulents et des estimations du cisaillement du lit et des contraintes normales dans la région d'interaction entre les fluides et les fonds marins sont essentielles en plus de mesures de la dimension trou d'affouillement1,2,3,4,5,6,7. Dans un environnement où le cisaillement du lit et les contraintes normales sont extrêmement difficiles à déterminer parce que le champ d'écoulement est instable et que la limite inférieure est rugueuse, des contraintes instantanées mesurées (à environ 2 mm au-dessus de la limite) pourraient être utilisé comme leur substitut8,9. Au cours des dernières décennies, l'affouillement autour d'un pipeline vibrant a été étudié et publié sans présenter quantitativement les valeurs des champs d'écoulement sophistiqués autour du pipeline dans le trou de récurage3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Par conséquent, l'objectif de ce document de méthode est de fournir un nouveau protocole expérimental pour visualiser les champs d'écoulement détaillés et de déterminer le cisaillement proche de la frontière et les contraintes normales dans un trou d'équilibre induit par un pipeline vibrant forcé. Il convient de noter que le processus d'interaction entre les pipelines et les fonds marins dans le présent cours de cette étude se trouve dans un environnement aquatique calme plutôt que dans un environnement où il y a des courants et des vagues unidirectionnels.

Cette méthode expérimentale se compose de deux composants importants, à savoir (1) la simulation des vibrations de pipeline (forcées); et (2) les mesures des champs d'écoulement autour du pipeline. Dans le premier composant, le pipeline vibrant a été simulé dans un canal expérimental à l'aide d'un système vibrant, qui a un moteur servo, deux ressorts de raccordement, et des cadres de soutien de pipeline. Différentes fréquences de vibration et amplitudes peuvent être simulées en ajustant la vitesse du moteur et l'emplacement des ressorts de connexion. Dans le deuxième composant, les techniques de velocimétrie d'image de particules résolues dans le temps (PIV) et de transformation des ondes ont été adoptées pour obtenir des données temporelles et spatiales de champ de flux à haute résolution temporelle et spatiale à différentes phases de vibration du pipeline. Le système PIV résolu dans le temps se compose d'un laser à ondes continues, d'une caméra haute vitesse, de particules d'ensemencement et d'algorithmes de corrélation croisée. Bien que les techniques PIV ont été largement utilisés dans l'obtention de champs de flux turbulents réguliers19,20,21,22,23,24,25, les applications dans des conditions complexes de champ d'écoulement instable, telles que les cas d'interaction pipeline-fluides-fonds marins, sont relativement limitées8,9,26,27. La raison en est probablement parce que l'algorithme traditionnel de corrélation croisée à intervalle unique des techniques PIV est incapable de capturer avec précision les caractéristiques de débit dans les champs d'écoulement instables où un gradient de vitesse relativement élevé est présent9, 20. La méthode décrite dans cet article peut résoudre ce problème en utilisant l'algorithme de corrélation croisée à intervalles multiples9,28.

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Protocol

1. Vérification de sécurité en laboratoire

  1. Revoir les règles de sécurité relatives à l'utilisation du laser et du système de flume.
  2. Veiller à ce que les exigences de formation en matière de sécurité du laboratoire soient respectées.
    REMARQUE : Dans cette expérience, un ensemble de laser à ondes continues de refroidissement à l'air de 5W avec une longueur d'onde de 532 nm et un flume droit vitré (figure1) avec des dimensions de 11 m de longueur, 0,6 m de largeur et 0,6 m de profondeur sont utilisés. Les recommandations de sécurité de base pour ces deux appareils sont les suivantes :
    1. Vérifier les surfaces de réflexion potentielles dans la ligne de visée laser avant les essais; porter des lunettes de sécurité lors de l'utilisation de l'appareil laser.
    2. Évitez d'avoir des yeux au niveau du faisceau laser pendant les expériences et faites attention aux lumières laser réfléchies lors de la manipulation des éléments optiques ou des outils réfléchissants.
    3. Assurez-vous que le tuyau d'arrosage ne tombe pas et qu'il n'y a toujours pas d'eau débordant de la cheminée.

2. Configuration du modèle flume et fond marin

  1. Préparer le modèle de fond marin érodible situé au milieu de la canalise.
    REMARQUE : Le matériau sédimentaire utilisé dans cette étude était un sable moyen distribué uniformément avec une taille médiane de grain d50 à 0,45 mm, une densité relative de particules submergées de 1,65 et une déviation géométrique standard de 1,30.
  2. Compacter et niveler le fond marin à l'aide d'un nivelleur de sable.
  3. Remplissez lentement le canal avec un tuyau d'arrosage et assurez-vous qu'une surface plane du fond marin est intacte pendant le processus de remplissage; cesser de se remplir lorsque le niveau de l'eau a atteint une profondeur de 0,4 m au-dessus du fond marin.
  4. Effacer la plate-forme supérieure de canalisation et le verre pour la mise en place du modèle de pipeline et le système PIV.

3. Configuration du modèle de pipeline et du système de vibration

  1. Utilisez un modèle de pipeline préfabriqué sous la forme d'un cylindre en acrylique d'un diamètre de 35 mm et d'une longueur de 0,56 m.
  2. Monter le modèle de pipeline sur un cadre de support en aluminium, qui, à son tour, est relié par deux ressorts à un poteau transportable sur un autre cadre fixe qui est verrouillé sur les rails supérieurs de la cheminée, comme illustré à la figure 2. Fixer le cadre de soutien à l'intérieur du cadre fixe en utilisant quatre roulements pour s'assurer que le cadre de soutien ne pouvait librement vibrer que le long de la direction verticale (Figure 2).
  3. Utilisez une tige de connexion pour attacher le poteau illisible à un moteur servo monté sur le dessus du cadre fixe. Dans cette étude, le poids du système de vibration assemblé, y compris le modèle de pipeline et lescadres en aluminium, est de 1,445 kg, ce qui a un rapport de masse équivalent (m) de 2,682; une fréquence naturelle (fN) de 0,82 Hz; et le ratio d'amortissementde0,124.
  4. Ajuster le mât transportable et le cadre de soutien pour obtenir un certain rapport d'écart entre le pipeline et le fond marin.  Dans cette étude, G/D no 1, où G est la distance verticale entre le fond du pipeline et la surface initiale du fond marin; et D est le diamètre du pipeline.
  5. Allumez le moteur servo pour induire une vibration forcée sur le pipeline; ajuster les cadres de soutien et quatre roulements pour s'assurer que la vibration du pipeline est le long de la direction verticale. Éteignez le moteur servo lorsque les réglages des cadres de soutien sont terminés.
  6. Compacter et niveler le fond marin à nouveau avant d'exécuter l'expérience si le modèle du fond marin est perturbé en 3.5.

4. Configuration PIV

  1. Placez le dispositif laser sur le dessus de la cheminée et installez la feuille laser formant l'optique.
  2. Allumez l'appareil laser et ajustez la feuille laser formant l'optique de sorte qu'une feuille plate illuminée à l'intérieur du champ d'intérêt soit formée.
    REMARQUE : Dans cette étude, la feuille laser verte illuminée est de 1,5 mm d'épaisseur, parallèle aux murs de verre de flume et est projetée vers le bas dans l'eau le long de l'alefdeur. Le champ d'intérêt de cette étude fait référence à la région d'interaction du fond marin du pipeline et se limite à la moitié droite du pipeline. L'ombre du pipeline sera visible sur le côté gauche du pipeline.
  3. Configurez la caméra haute vitesse.
    REMARQUE : Pour cette étude, une caméra haute vitesse avec stockage de mémoire de 12 gigaoctets et une résolution maximale de 2,3 Mpx (1920 à 1200) est utilisée (p. ex., Phantom Miro LAB 320). Les procédures d'exploitation détaillées sont les suivantes :
    1. Montez l'objectif avec la longueur focale appropriée sur la caméra à grande vitesse. Visssez la caméra haute vitesse sur un trépied réglable en hauteur; ajuster la caméra au niveau de la région d'observation avec son axe perpendiculaire à la feuille laser illuminée.
      REMARQUE : Cette étude utilise une lentille de 60 mm à son ouverture maximale de f/2.8.
    2. Connectez la caméra à l'ordinateur à l'aide d'un câble Ethernet et activez le logiciel de contrôle de la caméra (p. ex., Phantom PCC 2.6); allumer la caméra et la connecter à l'ordinateur dans l'interface logicielle de contrôle de la caméra.
    3. Ajuster le trépied pour s'assurer que le champ de vision de la caméra couvre la région d'interaction entre le pipeline et le fond marin; niveler la caméra en utilisant le niveau de bulle intégré sur le trépied; régler l'anneau de mise sur la lentille pour s'assurer que la feuille laser est claire sur le plan focal.

5. Optimisation et étalonnage de configuration expérimentale

  1. Ajouter les particules d'ensemencement PIV à la section d'essai du canal.
    REMARQUE : Les particules d'ensemencement utilisées dans cette étude étaient des poudres d'aluminium d'un diamètre de 10 m et d'une densité spécifique de 2,7.
  2. Améliorez l'intensité lumineuse de la feuille laser si nécessaire.
  3. Vérifier le focus de la caméra en observant les particules d'ensemencement illuminées sur la feuille laser à l'utilisation d'une vue de caméra en direct sur l'ordinateur; affiner l'anneau de mise au point, si nécessaire, pour s'assurer que les particules d'ensemencement sont nettes et au point.
  4. Placez une règle d'étalonnage à l'intérieur du champ de vision sur le plan de la feuille laser et capturez une image d'étalonnage.
    REMARQUE : La résolution adoptée de l'image dans cette étude était de 1600 à 1200 pixels.
  5. Sélectionnez un taux d'échantillonnage approprié pour la collecte de données.
    REMARQUE : Le taux d'échantillonnage choisi devrait garantir que le déplacement des particules d'ensemencement dans une paire d'images est inférieur à 50 % de la longueur maximale de la fenêtre d'interrogatoire. Dans cette étude, la taille maximale de la fenêtre d'interrogatoire est de 32 à 32 pixels et le taux d'échantillonnage adopté est de 200 images par seconde.
  6. Éteignez le laser et la caméra lorsque les étapes 5.1-5.5 sont terminées.

6. Exécution de l'expérience et de la collecte de données

  1. Placez une plaque acrylique transparente (20 mm d'épaisseur) sous la source laser et à la surface de l'eau, afin de supprimer les fluctuations de surface de l'eau et d'assurer un accès optique tranquille à la lumière laser.
  2. Allumez le moteur servo pour induire des vibrations forcées sur le modèle du pipeline.
    REMARQUE: Dans cette étude, la fréquence induite du moteur servo est f0 - 0,3 Hz.
  3. Maintenez le système de vibration fonctionnant pendant (t) 1440 min pour obtenir un trou de parcourant de quasi-équilibre sous le pipeline vibrant.
  4. Allumez le laser et ajustez la puissance de sortie à l'intensité optimisée. Allumez le logiciel de contrôle de la caméra et de la caméra et appliquez les paramètres calibrés à la caméra. Éteignez les lumières de fond du laboratoire.
  5. Commencez à enregistrer l'image du champ d'écoulement chargé de particules avec le taux d'échantillonnage sélectionné dans 5.6 en cliquant sur le fond de capture dans le logiciel de contrôle logiciel de la caméra.
    REMARQUE : Pour chaque enregistrement de cette étude, le stockage de la caméra permet de capturer 1 000 images.
  6. Une fois la collecte de données terminée, examinez la qualité de l'image enregistrée et vérifiez si la densité des particules d'ensemencement par fenêtre d'interrogatoire (32 à 32 pixels) est supérieure à 8. Enregistrer le fichier enregistré s'il est satisfait, sinon, la densité d'ensemencement est augmentée en injectant lentement des solutions d'ensemencement dans la région d'observation, et répétez les étapes 6.3-6.5.
  7. Répétez les étapes 6.3-6.5 pour collecter plus de jeux de données.
    REMARQUE : Pour cette étude, plus de 20 000 images ont été prises pour s'assurer que suffisamment de données brutes sont obtenues pour calculer les vitesses d'écoulement, les vorticités, les turbulences et les contraintes proches des limites.
  8. Éteignez l'appareil laser, la caméra et le moteur du serveur lorsque toutes les collections de données sont terminées; allumer les lumières de fond du laboratoire.

7. Traitement des données

  1. Ouvrez le logiciel; cliquez sur le bouton dossier Fichier sur la barre d'outils et chargez l'image d'étalonnage prise à l'étape 5.4.
    REMARQUE : Utilisez le programme de traitement des données pour le logiciel de suivi du déplacement des pipelines et de calcul des champs d'écoulement (p. ex., PISIOU).
  2. Cliquez sur le bouton de configuration scale sur la barre d'outils ; mesurer une distance connue sur l'image d'étalonnage pour calculer l'échelle de l'image.
    REMARQUE : L'échelle d'image calculée était de 0,1694 mm/pixel.
  3. Cliquez sur le bouton Origin sur la barre d'outils; définir l'origine des coordonnées sur chaque image.
  4. Extraire la série temporelle de déplacement du pipeline vibrant des images enregistrées.
    1. Chargez les images brutes prises à l'étape 6. Cliquez ensuite sur le panneau Paramètres, entrez le nombre de fichiers de données et le taux d'échantillonnage.
    2. Appliquer le filtre Low pass dans le menu filtre Image.
      REMARQUE : Cette opération permettra de reconnaître facilement le bord du pipeline (cible à suivre) sur les images traitées (voir la figure 3a).
    3. Dans la barre d'outils, cliquez sur le module PTV. Cliquez ensuite sur le bouton point de traçage, sélectionnez le point central du pipeline. Passez aux outils PTV, ajustez Gamma, Light Gate et Median Filter pour indiquer le contour du pipeline dans l'image. Cliquez sur le bouton de suivi d'objets sur la barre d'outils; sélectionner la région cible (c.-à-d. le pipeline) sur l'image traitée et suivre le déplacement du pipeline vibrant à partir d'images traitées consécutives; enregistrer la série chronologique de déplacement, (t), du pipeline vibrant pour les processus ultérieurs de données sur le champ d'écoulement (voir la figure 4).
    4. Exporter et enregistrer les données de la série temporelle de déplacement du pipeline pour d'autres calculs.
  5. Déterminer les champs de vitesse instantanés à partir des images enregistrées.
    1. Aller aux outils PTV, cliquez sur bouton par défaut pour reprendre l'image brute pour l'analyse PIV ultérieure. Désactiver le module PTV en cliquant sur le module PTV. Ouvrez le panneau de paramètres sur la barre d'outils; spécifier le paramètre de calcul du vecteur de vitesse.
      REMARQUE : Dans cette étude, un processus d'itération multi-passes est adopté comme fenêtres d'interrogatoire, qui a commencé à partir de 32 x 32 pixels, puis passé avec 16 x 16 pixels, et s'est terminée avec 8 à 8 pixels; tous les laissez-passer utilisent un chevauchement de 50 % entre les sous-fenêtres adjacentes.
    2. Appliquer la fonction filtre laplacien dans le menu du filtre Image sur les images brutes pour mettre en évidence les particules d'ensemencement et filtrer la lumière de diffusion indésirable (voir Figure 3c).
    3. Cliquez sur le bouton Boundary sur la barre d'outils, fixez le masque géométrique sur les images pour exclure la région des fonds marins pour un calcul plus approfondi. Cliquez sur le bouton Boundary Save pour enregistrer les données limites.
    4. Cliquez sur le bouton Exécuter sur la barre d'outils pour calculer les champs de vitesse instantanée pour différentes phases de vibration à l'aide de la méthode de corrélation croisée.
      REMARQUE : Dans cette étude, un algorithme d'intervalle multi-temps est adopté pour réduire l'erreur de biais due au gradient de vitesse élevé dans le champ d'écoulement (voir La figure 5). Les intervalles de temps multiples adoptés pour les calculs de corrélation croisée sontde3t,9t et 21t (t ' 5 ms). Le critère de corrélation satisfaisant est supérieur à 70 %.
    5. Exporter et enregistrer les données instantanées des champs de vitesse pour une analyse plus approfondie.
  6. Déterminer les champs de vitesse moyenne en phase à partir des champs de vitesse instantanée calculés avec l'algorithme tel que décrit dans Newland 19,30 et Hsieh 200828.
    REMARQUE : Les procédures de calcul de cette étape sont décrites comme suit :
    1. Appliquer la fonction de transformation de l'onde à la série temporelle de déplacement, (t), du pipeline vibrant pour obtenir la phase instantanée pour chaque champ de vitesse instantanée. La fonction de transformation des ondes est définie comme :
      Equation 1(1)
      où West coefficient d'onde; les paramètres d'échelle et de traduction, respectivement; la fonction est la fonction Morlet Equation 2 et est calculée comme ; le superscript « ô » désigne le conjugué complexe. Les phases instantanées, de la canalisation vibrante qui correspondent aux différents déplacements de pipeline, peuvent être calculées à partir de :
      Equation 3(2)
    2. Moyenne des champs de vitesse instantanée avec la même phase pour obtenir les champs de vitesse moyenne de phase.
    3. Déterminer la vorticité du débit,no 2, dans les champs de vitesse moyenne de phase calculés à partir de :
      Equation 4(3)
      Equation 5 où Equation v et sont des vitesses moyennes de phase le long des directions x et y.
  7. Chargez les données calculées de vitesse et de vorticité par phase moyenne dans le logiciel Tecplot pour la visualisation.
  8. Déterminer le cisaillement proche de la frontière et les contraintes normales à partir des champs de vitesse instantanée calculés avec l'algorithme décrit dans Hsieh et al. 2016 9. Les procédures de calcul de cette étape sont décrites comme suit :
    1. Extraire les données de vitesse proche de la limite (0-5 mm au-dessus du fond marin) des champs d'écoulement de vitesse par phase calculée.
    2. Calculez les contraintes de cisaillement, les contraintes tet les contraintes normales, tn, le long du profil de récurage (environ 2 mm au-dessus de la limite du trou d'affouillement) pour différentes phases au sein d'un cycle vibrant. Remarque : Les équations de calcul sont les suivantes :
      Equation 7, Equation 8 (4)
      où, la viscosité dynamique du fluide (ici prise en tant que 1-10-3 Pas); up - vitesse proche de la limite parallèle au lit; un - vitesse proche de la limite perpendiculaire au lit; n - distance normale du lit.
  9. Chargez les données calculées de cisaillement proche de la limite et les contraintes normales dans un logiciel (p. ex., Tecplot) pour la visualisation.

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Representative Results

Un exemple de comparaison entre l'image brute et l'image traitée du suivi des déplacements de pipeline et le calcul instantané de la vitesse est illustré à la figure 3. Comme le montre la figure 3b, les particules d'ensemencement et le bruit dans l'image brute sont filtrés et le bord brillant du pipeline est conservé pour obtenir la série chronologique de déplacement. Comme le montre les figures 3c, la lumière se disperse/réflexion autour des particules d'ensemencement, le bord du pipeline et la surface des fonds marins sont filtrés par le filtre laplacien. Un exemple de la série temporelle de déplacement du pipeline vibrant est montré dans la figure 4. La vibration du pipeline est presque sinusoïdale, et la fréquence vibrante et l'amplitude sont de 0,3 Hz et 50 mm, respectivement.

La figure 6 montre un exemple de l'image du profil d'affouillement quasi-équilibre et du pipeline vibrant à 1440 min, dans lequel l'origine de la coordonnées (x-O-y) de cette étude est fixée au point d'intersection de la surface originale des fonds marins et l'axe vertical du pipeline. Comme le montre la figure 6, en plus des particules d'ensemencement, très peu de particules de sédiments en suspension peuvent être observées dans le flux; par conséquent, la qualité de l'image brute n'a pas été compromise. Cela indique également qu'une étape de quasi-équilibre a été atteinte pour le processus d'affouillement des pipelines.

Des exemples de la vitesse moyenne de phase visualisée et de la dynamique de la vorticité sont présentés à la figure 7. Il convient de noter qu'en raison de l'ombre du pipeline pendant les mesures Du PIV, la région du côté gauche du pipeline n'a pas de données (voir sous-intrigues à la figure 7). Comme on le voit dans la figure 7, neuf phases distinctes du champ d'écoulement dans un cycle de vibration sont présentées. Pendant les phases de chute du pipeline (0 t0/T lt; 0,5, où T est la période de vibration et t0 est le temps varie de 0 à T), une paire de tourbillons avec des modèles symétriques est générée à partir du cisaillement couches des deux côtés du pipeline vibrant. Immédiatement après que le pipeline aatteint le fond de la tranchée de récurisé (t0/T - 4/8), le vortex dans le sens inverse des aiguilles d'une montre est déformé et aspiré dans la tranchée de récurisement lorsque le pipeline s'élève du fond marin. Pendant la période des phases ascendantes du pipeline (0,5 t0/T lt; 1), une autre paire de tourbillons avec des directions tournantes opposées à celles de la phase descendante est générée symétriquement autour du bord supérieur du pipeline. Pour une meilleure observation de la dynamique des flux dans la figure 7, une vidéo correspondante ( Vidéo1) faite de 72 phases (cadres) de champs d'écoulement pour un cycle de vibration du pipeline est fournie.

Un exemple des contraintes de cisaillement près de la frontière, des contraintes Tet des contraintes normales, de l'évolution de Tn le long du profil d'affouillement dans un cycle vibrant est présenté dans la figure 8. Étant donné que le champ d'écoulement est symétrique au sujet de l'axe y, les contraintes de cisaillement et les contraintes normales présentées dans cette étude sont confinées à la moitié droite du profil de récurer (0 lt; x 'lt; 5). Comme le montre la figure 8, ces deux contraintes sont normalisées par la valeur du stress critique du cisaillement du lit, T c (obtenu à partir de la courbe de Shields comme 0,243 Pa) des particules de sable sur l'état d'un lit d'avion. Les valeurs absolues de Ts et Tn dans la tranchée de récurage et sous le pipeline vibrant augmentent considérablement lorsque le pipeline tombe sur le lit ou monte du lit. Les régions où Ts et Tn présentent les valeurs maximales et minimales sont compatibles avec l'évolution des champs d'écoulement entre le pipeline vibrant et la limite de récurage, comme le montre la figure 7.

Figure 1
Figure 1 : Schéma de la flûte expérimentale. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Schéma du modèle de pipeline et de la configuration du système de vibration. (a) Vue de section, (b) Vue latérale. Ce chiffre a été modifié à partir de8. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Exemple de comparaison entre les images brutes et traitées. (a) l'image brute, (b) l'image traitée pour le suivi des déplacements de pipelines, et (c) l'image traitée pour le calcul instantané de la vitesse. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Exemple de la série chronologique de déplacement du pipeline vibrant à t 1440 min . Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Comparaison entre l'algorithme de corrélation croisée à intervalleunique et à intervalles multiples. Ce chiffre est reproduit à partir de9. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Exemple d'image du profil d'affouillement quasi-équilibre à 1440 min. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Exemples de champ de vitesse visualisé en phase moyenne et de dynamique de la vorticité. Ce chiffre est reproduit à partir de8. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8 : Exemple d'évolutions de ts et tn le long du profil de récurage dans un cycle vibrant. Les temps de toucher et de décollage se réfèrent aux moments où le fond du pipeline ne fait que toucher et s'élève de la limite du trou d'affouillement, respectivement. Ce chiffre est reproduit à partir de8. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Video 1
Vidéo 1 : Évolution du champ de flux autour du pipeline vibrant dans le trou d'équilibre. La vidéo est réalisée à partir de 72 phases (cadres) de champs d'écoulement pour un cycle de vibration du pipeline. Cette vidéo est reproduite à partir de8. Veuillez cliquer ici pour visionner cette vidéo. (Clic droit pour télécharger.)

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Discussion

Le protocole présenté dans cet article décrit une méthode de visualisation des champs d'écoulement bidimensionnels et la détermination des champs de stress d'écoulement proche de la frontière autour d'un pipeline vibrant forcé dans un trou d'équilibre de récurage en utilisant les techniques De PIV. Étant donné que le mouvement du pipeline conçu est unidimensionnel le long de la direction y, la préparation et l'ajustement du modèle de pipeline et du système de vibration pour atteindre cet objectif sont des conditions préalables essentielles à un résultat positif. Tout mouvement indésirable du pipeline le long de la direction x peut induire des champs d'écoulement asymétriques et la formation de trous de récurage autour du pipeline vibrant. Outre les effets de l'appareil, le choix de la fréquence des vibrations et de l'amplitude du pipeline pour les expériences est également important pour induire un champ d'écoulement symétrique autour du pipeline. En fait, dans un état d'eau quiescent, Lin et coll.31 ont montré que la structure de la recirculation du débit derrière un cylindre circulaire déclenché impulsivement peut maintenir sa symétrie lorsque le temps non dimensionnel TD - tDU D/D lt; 5, où tD - cylindre temps de déplacement; et la vitesse du cylindre U D. Pour la condition lorsque TD 'gt; 5, l'excrétion de vortex oblique peut se produire autour du cylindre. Dans cette étude, la vitesse maximale du pipeline peut être estimée à 2 ' A0, et le temps de déplacement du cylindre peut être pris comme 1/2 ' , donc le temps maximum non dimensionnel TD ' A0/D ' 4,48.

Pendant l'étape de configuration De PIV, la feuille laser et les ajustements de caméra et la sélection de particules d'ensemencement sont les étapes critiques de protocole pour obtenir des données de champ d'écoulement de haute qualité. La direction de prise de vue de la caméra doit être perpendiculaire à la feuille laser, sinon, les distorsions de perspective seront montrées dans les images capturées. Comme cette méthode vise à obtenir les contraintes d'écoulement proches des limites dans un champ d'écoulement instable, l'intensité du laser et la position du champ de vision doivent être correctement réglés pour éviter une forte réflexion lumineuse de la limite. Les particules d'ensemencement choisies doivent disperser efficacement la feuille laser éclairante et être en mesure de suivre le flux rationalise sans réglage excessif20. Sur la base de cette considération, les particules d'ensemencement utilisées dans cette étude étaient des poudres d'aluminium, dont la vitesse de décantation a été estimée à 92,6 mm/s en utilisant la loi de Stoke. Cette vitesse de décantation est négligeable par rapport aux vitesses d'écoulement (0,1-0,2 m/s) près du pipeline vibrant. Pour optimiser la configuration expérimentale, la vérification de l'orientation de la caméra et la détermination du taux d'échantillonnage de la caméra sont également des étapes cruciales pour des mesures fiables.

Pour l'étape du processus de données, il y a deux défis à relever pour obtenir des champs d'écoulement de phase moyenne de haute qualité et des contraintes de débit proches des limites : (1) calculer avec précision les champs de débit instantanés et éviter l'erreur de biais de déplacement dans les régions de débit avec un grand gradient de vitesse; et (2) cataloguer avec précision les images capturées qui ont la même phase vibrante. Pour calculer les champs d'écoulement instantanés, la méthode traditionnelle de corrélation croisée PIV 19 détermine le vecteur de vitesse entre deux images consécutives avec un intervalle de temps fixet (voir figure 5a). Cette méthode traditionnelle peut ne pas convenir à cette étude parce que le champ d'écoulement calculé peut avoir des erreurs importantes de biais de déplacement près du pipeline vibrant et des limites des fonds marins. Pour surmonter ce problème, un algorithme multi-intervalle de temps est adopté dans cette étude (voir figure 5b).  En utilisant cette méthode, les interrogations d'images sont exécutées de manière réitative sur différentes paires d'images pour différents intervalles sélectionnés. Le vecteur de vitesse à chaque point de grille est déterminé sur la base des estimations de l'intervalle de temps approprié9,27,28. Il convient de noter que lors de l'utilisation de cette méthode, les jeux de données d'image brute doit être acquis par un temps résolu PIV avec une caméra à taux d'échantillonnage élevé et laser à ondes continues. Pour surmonter le deuxième défi, cet article fournit une technique de transformation des ondes. En appliquant la fonction de transformation des ondes à la série temporelle de déplacement du pipeline, la phase instantanée de chaque image capturée peut être calculée avec précision. Cette méthode peut également être appliquée pour étudier les processus de vibration induits par le vortex, tels que les vibrations du pipeline induites par le vortex d'asymétrie excrétion15,27,32.

Les principaux avantages de la technique de mesure du débit décrite dans cet article sont une résolution temporelle et spatiale élevée et la capacité d'obtenir simultanément la dynamique du pipeline, les champs d'écoulement et les contraintes de débit proches des limites. En utilisant cette technique, des études plus approfondies sur l'affouillement des pipelines dans des environnements complexes peuvent être effectuées et le mécanisme complexe d'affouillement autour du pipeline vibrant pourrait être mieux compris.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Ces travaux ont été soutenus par le Fonds des jeunes scientifiques de la National Natural Science Foundation of China (51709082) et les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (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

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