Waiting
Login processing...

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

Environment

Visualisering av flödesfält runt en vibrerande rörledning inom en jämvikt skur hål

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

Summary

Målet med protokollet är att möjliggöra visualisering av detaljerade flödes fält och bestämning av nära gränsen skjuvning och normala påfrestningar inom en jämvikt skura hål induceras av en vibrerande pipeline.

Abstract

En experimentell metod presenteras i denna uppsats för att underlätta visualisering av detaljerade flödes fält och bestämning av nära gränsen skjuvning och normala påfrestningar inom en jämvikt skura hål induceras av en vibrerande pipeline. Denna metod innebär genomförandet av en pipeline vibrationssystem i en rak FLUME, en tidslöst partikel bild Velocimetry (PIV) system för pipeline förskjutning spårning och flöde fältmätningar. Förskjutnings tidsserien för den vibrerande pipelinen erhålls med hjälp av korrelationsalgoritmerna. Stegen för bearbetning av rå partikel lastade bilder som erhållits med hjälp av tidslösta PIV beskrivs. De detaljerade momentana flödes fälten runt den vibrerande rörledningen vid olika vibrations faser beräknas med hjälp av en korskorrelationsalgoritm med flera tids intervall för att undvika förskjutnings fel i flödes områdena med en stor hastighets lutning . Genom att tillämpa Wavelet Transform teknik, de tagna bilder som har samma vibrerande fas är korrekt katalogiseras innan fas-genomsnitt hastighet fält erhålls. De viktigaste fördelarna med den flödes mätningsteknik som beskrivs i detta dokument är att den har en mycket hög tidsmässig och rumslig upplösning och kan samtidigt användas för att erhålla pipeline-dynamik, flödes fält och närgräns-flödesspänningar. Genom att använda denna teknik, mer djupgående studier av det 2-dimensionella flödet fältet i en komplex miljö, som runt en vibrerande pipeline, kan utföras för att bättre förstå den tillhörande sofistikerade skura mekanism.

Introduction

Subsea rörledningar används ofta i offshore-miljöer för flytande eller Hydro-Carbon produkter transport. När en rörledning placeras på en erodibel havsbotten, är ett hål runt rörledningen sannolikt att bildas på grund av vågorna, strömmar eller dynamiska rörelser i själva rörledningen (påtvingad vibration eller Vortex-inducerad-vibration)1,2. För att förbättra förståelsen av skura-mekanismen kring en Undervattensledning är mätningar av de turbulenta flödes fälten och skattningarna av sängskjuvning och normal påfrestning inom interaktions regionen för rörledningar-flytande havs bottnade nödvändiga utöver mätningar av skura hål dimension1,2,3,4,5,6,7. I en omgivning där sängskjuvning och normala påfrestningar är extremt svåra att fastställa eftersom flödes fältet är ostadigt och botten gränsen är grov, mäts momentan omedelbara närgräns spänningar (ca 2 mm ovanför gränsen) används som surrogat8,9. Under de senaste decennierna har skura runt en vibrerande rörledning studerats och publicerats utan att kvantitativt presentera värdena för de sofistikerade flödes fälten runt rörledningen inom skour hål3,4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18. Därför är målet med denna metod papper att ge ett nytt experimentellt protokoll för att visualisera de detaljerade flödes fälten och för att bestämma den Near-Boundary skjuvning och normala påfrestningar inom en jämvikt skura hål induceras av en påtvingad vibrerande pipeline. Det bör noteras att pipelinen-Fluid-SEABED interaktions processen i denna studie är i en quiescent vattenmiljö snarare än de med enkelriktade strömmar och vågor.

Denna experimentella metod består av två viktiga komponenter, nämligen (1) simulering av rörledningar (påtvingade) vibrationer; och (2) mätningar av flödes fälten runt rörledningen. I den första komponenten simulerades den vibrerande rörledningen i en experimentell FLUME genom att använda ett vibrerande system, som har en servomotor, två anslutande fjädrar och stödramar för rörledningar. Olika vibrations frekvenser och amplituder kan simuleras genom att justera motorns varvtal och placeringen av de anslutande fjädrarna. I den andra komponenten, den tid-lösta partikel bild Velocimetry (PIV) och Wavelet Transform tekniker antogs för att få hög temporala och rumsliga upplösning flöde fält data vid olika pipeline vibrationer faser. Den tidslösta PIV-systemet består av en kontinuerlig våg laser, en höghastighetskamera, seedning partiklar och Cross-korrelation algoritmer. Även om PIV-tekniker har använts i stor utsträckning för att uppnå stabila turbulenta flödes fält19,20,21,22,23,24,25, tillämpningar i komplexa ostadig flöde fältförhållanden, såsom fall av pipeline-vätskor-havsbotten interaktion, är relativt begränsad8,9,26,27. Anledningen är förmodligen på grund av att traditionella entidsintervall Cross-korrelation algoritm av PIV tekniker är oförmögen att exakt fånga flödet funktioner i ostadig flöde fält där en relativt hög hastighet lutning är närvarande9, 20. Den metod som beskrivs i det här dokumentet kan lösa detta problem genom att använda flera tids intervall korrelationsalgoritm9,28.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. kontroll av laboratoriesäkerhet

  1. Se över säkerhetsreglerna för användning av laser-och FLUME-systemet.
  2. Säkerställ att laboratoriets krav på säkerhets utbildning är uppfyllda.
    Anmärkning: i detta experiment, en uppsättning av 5W luftkylning kontinuerlig våg laser med en våglängd på 532 nm och en glassidig Straight FLUME (figur 1) med måtten 11 m längd, 0,6 m bredd, och 0,6 m djup används. De grundläggande säkerhetsrekommendationerna för dessa två apparaturar är följande:
    1. Kontrollera de potentiella reflektions ytorna i laser siktlinjen före provningen; Använd skyddsglasögon vid drift av laser enheten.
    2. Undvik att ha ögon i nivå med laserstrålen under experimenten och var försiktig med reflekterade laser lampor vid hantering av optiska element eller reflekterande verktyg.
    3. Se till att vattenslangen inte faller av och att det finns alltid inget vatten överfyllda från FLUME.

2. FLUME och botten modell inställning

  1. Förbered den erodibla havsbotten modell som ligger i mitten av FLUME.
    Anmärkning: det sediment material som används i denna studie var en jämnt fördelad medelstor sand med en median kornstorlek d50 = 0,45 mm, relativ nedsänkt partikel täthet Δ = 1,65 och geometrisk standardavvikelse σg = 1,30.
  2. Kompakt och jämna havsbottnen med hjälp av en sandutjämnare.
  3. Fyll långsamt FLUME med en vattenslang och se till att en plan bottenyta är intakt under fyllningsprocessen; Sluta fylla när vattennivån har nått ett djup på 0,4 m över havsbottnen.
  4. Rensa FLUME Top-plattformen och glaset för att ställa in pipelinemodellen och PIV-systemet.

3. pipeline-modell och vibrationssystem inställning

  1. Använd en prefabricerad rörlednings modell i form av en akryl cylinder med en diameter på 35 mm och en längd av 0,56 m.
  2. Montera rörlednings modellen på en aluminium stöd ram, som i sin tur är ansluten med två fjädrar till en rörlig stolpe på en annan fast ram som är låst på de övre rälsen av FLUME, som illustreras i figur 2. Fäst den stödjande ramen innanför den fasta ramen genom att använda fyra lager för att säkerställa att den stödjande ramen fritt kan vibrera endast längs den vertikala riktningen (figur 2).
  3. Använd en vevstake för att knyta den rörliga stolpen till en servomotor monterad på den fasta ramen. I denna studie är vikten av det monterade vibrationssystemet, inklusive rörlednings modellen och aluminium ramarna, 1,445 kg, som har ett ekvivalent Mass förhållande (m*) på 2,682; en naturlig frekvens (fN) på 0,82 Hz; och dämpnings förhållande (ζ) 0,124.
  4. Justera den rörliga stolpen och den stödjande ramen för att erhålla ett visst gap förhållande mellan rörledningen och havsbottnen.  I denna studie är g/D = 1, där g är det vertikala avståndet mellan rörledningens botten och den inledande havsbottnen. och D är rörledningens diameter.
  5. Slå på servomotorn för att framkalla en påtvingad vibration på rörledningen. Justera stödramarna och fyra lager för att säkerställa att rörledningens vibrationer är längs den vertikala riktningen. Stäng av servomotorn när justeringar av stödramarna har slutförts.
  6. Komprimera och jämna havsbottnen igen innan du kör experimentet om havsbotten modellen störs 3,5.

4. PIV-inställning

  1. Placera laser enheten på ovansidan av FLUME och installera laserarket bildar optik.
  2. Slå på laser enheten och justera laser plåten som bildar optik så att ett upplyst platt ark inuti fältet-av-intresse bildas.
    Anmärkning: i denna studie, den upplysta gröna laser arket är 1,5 mm tjock, parallellt med FLUME glasväggarna och kastas nedåt i vattnet längs mittlinjen av FLUME. Fältet-av-intresse av denna studie hänvisar till samspelet regionen av rörledningen-vätskefyllda och är begränsad till den högra halvan av rörledningen. Skuggan av pipelinen kommer att ses på den vänstra halvan av pipelinen.
  3. Konfigurera höghastighets kameran.
    Anmärkning: för denna studie, en höghastighets-kamera med 12-gigabyte-minne lagring och en maximal upplösning på 2,3 MPX (1920 × 1200) används (t. ex., Phantom Miro LAB 320). De detaljerade drift procedurerna är följande:
    1. Montera objektivet med lämplig brännvidd på snabb kameran. Skruva fast höghastighets kameran på ett höj-och sänkbara stativ. Justera kameran till observations regionens nivå med dess axel vinkelrät mot det belysta laserarket.
      Obs: denna studie använder en 60 mm prime Lens vid sin maximala bländare på f/2.8.
    2. Anslut kameran till datorn med en Ethernet-kabel och slå på kamerans kontrollprogramvara (t. ex. Phantom PCC 2,6); slå på kameran och Anslut den till datorn i kamerans kontrollprogram varu gränssnitt.
    3. Justera stativet för att se till att kamerans synfält täcker interaktions regionen för rörledningar och vätske botten. jämna kameran med den inbyggda bubbelnivån på stativet; justera fokusringen på linsen för att säkerställa att laser plåten är klar på fokalplanet.

5. experimentell inställning optimering och kalibrering

  1. Tillsätt PIV seedning partiklar till test sektionen av FLUME.
    Anmärkning: de sådd partiklar som används i denna studie var aluminiumpulver med en diameter på 10 μm och en specifik densitet 2,7.
  2. Förstärk laser bladets ljusintensitet vid behov.
  3. Kontrollera kamerans fokus genom att Observera de belysta seedningstoftpartiklarna på laserarket genom en Live kameravy på datorn. finjustera fokusringen, om det behövs, för att säkerställa att sådd partiklarna är skarpa och i fokus.
  4. Placera en kalibreringslinjal inuti visningsfältet på laser bladets plan och ta en kalibrerings bild.
    Obs: den antagna upplösningen av bilden i denna studie var 1600 × 1200 pixlar.
  5. Välj en lämplig samplingsfrekvens för datainsamlingen.
    Obs: den valda samplingsfrekvensen bör säkerställa att sådd partikel förskjutning i ett par bilder är mindre än 50% av den maximala förhör fönster längd. I denna studie är den maximala förhörs fönstrets storlek 32 × 32 pixlar och den antagna samplingsfrekvensen är 200 bildrutor per sekund.
  6. Stäng av lasern och kameran när steg 5.1-5.5 är slutförda.

6. köra experimentet och datainsamlingen

  1. Placera en transparent akrylplatta (20 mm tjock) under laserkällan och på vattenytan, för att undertrycka variationer i vattenytan och säkerställa en lugn optisk åtkomst för laserljuset.
  2. Slå på servomotorn för att inducera påtvingade vibrationer på rörlednings modellen.
    Anmärkning: i denna studie är servomotorns inducerade frekvens f0 = 0,3 Hz.
  3. Håll vibrationssystemet igång för (t =) 1440 min för att få en kvasi-jämvikt skura hål under vibrerande rörledning.
  4. Slå på lasern och justera uteffekten till optimerad intensitet. Slå på kamerans och kamerans kontrollprogramvara och tillämpa de kalibrerade inställningarna på kameran. Stäng av bakgrundsbelysningen i laboratoriet.
  5. Starta inspelningen av den seedade flödes bilden av partikel-lastat flöde med den samplingsfrekvens som valdes i 5,6 genom att klicka på inspelnings botten i kamerans programvara kontrollprogramvara.
    Obs: för varje enskild inspelning i denna studie, kamera lagring tillåter 1 000 bilder som ska fångas.
  6. När datainsamlingen är klar, granska den inspelade bildkvaliteten och kontrollera om sådd partikel täthet per förhör fönster (32 × 32 pixlar) är större än 8. Spara den inspelade filen om den uppfylls, annars ökas sådd tätheten genom att långsamt injicera sådd lösningar i observationsområdet, och upprepa steg 6.3-6.5.
  7. Upprepa steg 6.3-6.5 för att samla in fler datauppsättningar.
    Anmärkning: för denna studie, mer än 20 000 bilder har vidtagits för att säkerställa att tillräckligt rådata erhålls för att beräkna flödet hastigheter, vorticities, turbulens, och nära gränsen påfrestningar.
  8. Stäng av laser enheten, kameran och Server motorn när alla datainsamlingar är slutförda. slå på bakgrundsbelysningen i laboratoriet.

7. data behandling

  1. Öppna programvaran; Klicka på knappen filmapp i verktygsfältet och ladda kalibrerings bilden som tagits i steg 5,4.
    Anmärkning: Använd databehandlingsprogrammet för spårning av pipeline-förskjutning och flödes fältberäkningar (t. ex. PISIOU).
  2. Klicka på knappen för skalningsinställningar i verktygsfältet. Mät en känd sträcka på kalibrerings bilden för att beräkna bildens skala.
    Obs: den beräknade bild skalan var 0,1694 mm/pixel.
  3. Klicka på Origin -knappen i verktygsfältet. ange ursprunget för koordinaterna för varje bild.
  4. Extrahera förskjutnings tidsserien för den vibrerande pipelinen från de inspelade bilderna.
    1. Ladda RAW-bilder tagna i steg 6. Klicka sedan på parameter panelen, ange antalet datafiler och samplingsfrekvensen.
    2. Använd lågpassfiltret på bildfilter menyn.
      ANMÄRKNINGAR: denna operation gör att kanten av rörledningen (mål som ska spåras) lätt kan identifieras på de bearbetade bilderna (se figur 3a).
    3. Klicka på PTV-moduleni verktygsfältet. Klicka sedan på spårnings punkt knappen, Välj mittpunkten i pipelinen. Gå till PTV verktyg, justera gamma, ljus grind och median filter för att enstaka ut pipelinedispositionen i bilden. Klicka på knappen objektspårning i verktygsfältet. Välj mål region (t. ex. pipelinen) på den bearbetade avbildningen och spåra förskjutningen av den vibrerande pipelinen från på varandra följande bearbetade bilder; registrera förskjutnings tidsserierna, η(t), för den vibrerande rörledningen för efterföljande flödes fält data processer (se figur 4).
    4. Exportera och spara tidsseriedata för pipelineförskjutning för ytterligare beräkningar.
  5. Bestäm momentana hastighets fält från de inspelade bilderna.
    1. Gå till PTV redskapen, klick försummelsen knapp till återuppta den rå bild för följande PIV analys. Avaktivera PTV-modulen genom att klicka på PTV-modulen. Öppna panelen parameter i verktygsfältet. Ange beräknings parametern för hastighets vektorn.
      Anmärkning: i denna studie, en multi-pass iteration process antas som förhör fönster, som startade från 32 × 32 pixlar, sedan passerade med 16 × 16 pixlar, och slutade med 8 × 8 pixlar; alla pass använder en 50% överlappning mellan angränsande sub-fönster.
    2. Använd den Laplacian filter funktion i bildfilter menyn till RAW-bilder för att markera seedning partiklar och filtrera ut oönskade spridnings ljus (se figur 3c).
    3. Klicka på gräns knappen i verktygsfältet, ange den geometriska masken på bilderna för att utesluta havsbottnen för vidare beräkning. Klicka på gräns Spara knappen för att spara gräns data.
    4. Klicka på knappen Kör i verktygsfältet för att beräkna de momentana hastighets fälten för olika vibrations faser med hjälp av korrelations metoden.
      Anmärkning: i denna studie antas en algoritm för flertidsintervall för att minska bias-felet på grund av hög hastighetgradienten i flödes fältet (se figur 5). De adopterade multipel-Time intervallen för Cross-korrelations beräkningar är Δt, 3δt, 9Δt och 21δt (Δt = 5 ms). Det tillfredsställande korrelations kriteriet är större än 70%.
    5. Exportera och spara de momentana hastighets fält data för vidare analys.
  6. Bestäm fas medelvärdet av hastighets fälten från de beräknade momentana hastighets fälten med algoritmen enligt beskrivningen i newland 199429, 30 och Hsieh 200828.
    Anmärkning: beräknings procedurerna för det här steget beskrivs på följande sätt:
    1. Applicera Wavelet Transform-funktionen till förskjutnings tidsserien, η(t), av den vibrerande rörledningen för att få den momentana fasen för varje momentant hastighets fält. Wavelet Transform-funktionen definieras som:
      Equation 11
      där WΨ är wavelet koefficient; α och β är parametrarna för skala respektive översättning. funktionen Ψ är Morlet funktion och beräknas som Equation 2 ; superscriptet "*" betecknar det komplexa konjugatets. De momentana faserna, Φ, av den vibrerande rörledning som motsvarar de olika rörlednings förskjutningarna kan beräknas från:
      Equation 32
    2. Genomsnittet av de momentana hastighets fälten med samma fas för att erhålla de fas-medelvärdeshastighetfälten.
    3. Bestäm flödet vorticity, ω2, i de beräknade fas-genomsnitt Velocity fält från:
      Equation 43
      var Equation 5 och Equation v är fas-genomsnitt hastigheter längs x och y riktningar.
  7. Ladda Beräknad fas-genomsnittlig hastighet och vorticitet data i tecplot programvara för visualisering.
  8. Bestäm den Near-Boundary skjuvning och normala påfrestningar från de beräknade momentana hastighets fält med algoritmen som beskrivs i Hsieh et al. 2016 9. Beräknings procedurerna för det här steget beskrivs på följande sätt:
    1. Extrahera de nära gräns hastighetsdata (0-5 mm ovanför havsbottnen) från de beräknade fas-genomsnittliga hastighets flödes fälten.
    2. Beräkna den Near-Boundary skjuvning spänningar, ts och normal påfrestningar, tn, längs skura profil (ca 2 mm ovanför skura hål gränsen) för olika faser inom en vibrerande cykel. Anmärkningar: beräknings ekvationerna är följande:
      Equation 7, Equation 8 (4)
      var, μ = dynamisk viskositet av vätskan (häri tas som 1 × 10-3 pa ∙ s); up = nära gränsen hastighet parallellt med sängen; un = nära gränsen hastighet vinkelrätt mot sängen; n = normalt avstånd från sängen.
  9. Ladda den beräknade Near-Boundary skjuvning och normal belastar data i en programvara (t. ex. Tecplot) för visualisering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ett exempel på jämförelsen mellan RAW-bilden och den bearbetade bilden av spårning av rörledningens förflyttningar och momentana hastighets beräkning visas i figur 3. Som framgår av figur 3bfiltreras sådd partiklar och brus i RAW-bilden ut och den lysande rörlednings kanten behålls för att erhålla förskjutnings tidsserierna. Som framgår av figurerna 3cfiltreras lätta scatters/reflektioner kring sådd partiklar, rörlednings kant och bottenyta ut av det Laplaciska filtret. Ett exempel på förskjutnings tidsserierna för den vibrerande rörledningen visas i figur 4. Vibrationen av rörledningen är nästan sinusformad, och den vibrerande frekvensen och amplituden är 0,3 Hz och ~ 50 mm, respektive.

Figur 6 visar ett exempel på bilden av den kvasi-jämvikt skura profil och vibrerande rörledning vid t = 1440 min, där ursprunget till koordinaten (x-O-y) i denna studie är inställd på skärningspunkten för ursprungliga bottenytan och rörledningens vertikala mittlinje. Som framgår av figur 6, förutom sådd partiklar, kan mycket få suspenderade sediment partiklar observeras i flödet; Därför har RAW-bildkvaliteten inte komprometterats. Detta tyder också på att en kvasi-jämvikt skede nåddes för pipelinen skura processen.

Exempel på det visualiserade fas-genomsnittliga hastighets fältet och vorticitydynamiken visas i figur 7. Det bör noteras att på grund av rörledningens skugga under PIV-mätningarna har regionen på vänster sida av rörledningen inga data (se subplots i figur 7). Som framgår av figur 7presenteras nio diskreta faser av flödes fältet inom en vibrations cykel. Under rörledningen fallande faser (0 ≤ t0/t < 0,5, där t är vibrations perioden och t0 är tiden varierar från 0 till t), ett par virvlar med symmetriska mönster genereras från skjuvning lager på båda sidor av den vibrerande rörledningen. Omedelbart efter att rörledningen har nått skura diket botten (t0/t = 4/8), motsols virvel är förvrängd och sugs in i skour dike som rörledningen stiger från havsbottnen. För perioden av rörledningen stigande faser (0,5 ≤ t0/t < 1), ett annat par virvlar med motsatta roterande riktningar till dem i fallande fas är symmetriskt genereras runt den övre kanten av rörledningen. För en bättre observation av flödesdynamiken i figur 7finns en motsvarande video (video 1) gjord av 72-faser (ramar) av flödes fält för en cykel av pipeline-vibrationer.

Ett exempel på den Near-Boundary skjuvning spänningar, ts och normala påfrestningar, tn evolution längs skura profilen inom en vibrerande cykel presenteras i figur 8. Eftersom flödet fältet är symmetriskt om y -axeln, nära gränsen skjuvning spänningar och normala påfrestningar som presenteras i denna studie är begränsade till den högra halvan av skura profilen (0 < x < 5). Som visas i figur 8, dessa två spänningar normaliseras av värdet av den kritiska sängen skjuvning stress, Tc (erhålls från sköldar kurva som 0,243 PA) av sanden partiklar på ett plan säng skick. De absoluta värdena för ts och tn inom skura-diket och under den vibrerande rörledningen ökar markant när rörledningen faller till sängen eller stiger från sängen. De regioner där ts och tn uppvisar de högsta och lägsta värdena överensstämmer med utvecklingen av flödes fält mellan den vibrerande rörledningen och skura gränsen som visas i figur 7.

Figure 1
Figur 1 : Schematisk av experimentell FLUME. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Schematisk av Pipeline-modellen och vibrationssystem set-up. (a) avsnittsvy, (b) sidovy. Denna siffra har modifierats från8. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Exempel på jämförelsen mellan RAW och bearbetade bilder. a) RAW-bilden, (b) den bearbetade bilden för spårning av rörlednings förskjutningar och (c) den bearbetade bilden för momentana hastighets beräkning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Exempel på förskjutnings tiden-serie av vibrerande rörledning vid t = 1440 min . Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5 : Jämförelse mellan en-och flertidsintervall korrelationsalgoritm. Denna siffra återges från9. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6 : Exempel avbildar av quasi-equilibriumen skura profilerar på t = 1440 minuter. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7 : Exempel på visualiserad fas-genomsnittlig hastighets fält och vorticitet dynamik. Denna siffra återges från8. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8 : Exempel på utvecklingar av ts och tn längs skura-profilen inom en vibrerande cykel. Touchdown och Liftoff Times hänvisar till de tider då botten av rörledningen bara vidrör och stiger från skura hål gränsen, respektive. Denna siffra återges från8. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Video 1
Video 1: Flow Field evolution runt den vibrerande rörledningen inom equilibriumen skura hål. Videon är tillverkad av 72 faser (ramar) av flödes fält för en cykel av pipeline vibrationer. Denna video återges från8. Vänligen klicka här för att se denna video. (Högerklicka för att ladda ned.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det protokoll som presenteras i detta dokument beskriver en metod för visualisering av de tvådimensionella flödes fälten och bestämning av närgräns-flödesstressfält runt en påtvingad vibrerande pipeline i en jämvikt skur hål med hjälp av PIV-teknikerna. Eftersom den konstruerade rörledningens rörelse är endimensionell längs y -riktningen, förbereder och justerar du pipelinemodellen och vibrationssystemet för att uppfylla detta mål är kritiska förutsättningar för ett lyckat resultat. Alla oönskade rörelser i rörledningen längs x -riktningen kan inducera asymmetriska flödes fält och skalla hålbildning runt den vibrerande rörledningen. Förutom apparat effekter, är valet av vibrationsfrekvens och amplitud av rörledningen för experiment också viktigt för att inducera ett symmetriskt flöde fält runt rörledningen. I själva verket, i en quiescent vatten skick, visade lin et al.31 att strukturen av flödet återcirkulation bakom en impulsivt började cirkulär cylinder kan bibehålla sin symmetri när den icke-dimensionella tiden td = tdU D/d ≪ 5, där tD = cylinder rörelse tid; och UD = cylinderhastighet. För villkoret när TD > 5, kan den sneda Vortex shedding uppstå runt cylindern. I denna studie kan den maximala rörledningens hastighet uppskattas som 2 π ƒ • A0, och cylinder förflytttiden kan tas som 1/2 ƒ, alltså den maximala icke-dimensionella tiden TD = π A0/D = 4,48.

Under PIV-inställningsledet är laser-och kamera justeringarna och den seedade partikel markeringen de kritiska protokoll stegen för att erhålla högkvalitativa flödes fält data. Kamerans fotograferings riktning måste vara vinkelrät mot laser plåten, annars visas perspektiv förvrängningar i de tagna bilderna. Eftersom denna metod syftar till att få nära gränsen flödet spänningar i ett ostadigt flöde fält, intensiteten av lasern och positionen av synfält bör vara korrekt inställd för att undvika stark ljusreflektion av gränsen. De valda sådd partiklarna måste effektivt sprida den lysande laserarket och kunna följa flödet effektiviserar utan överdriven avveckling20. Baserat på detta övervägande, de seedning partiklar som används i denna studie var aluminiumpulver, vars sedimenteringshastighet beräknades vara 92,6 mm/s med Stoke ' s Law. Denna sedimenteringshastighet är försumbar jämfört med flödeshastigheter (0,1-0,2 m/s) nära den vibrerande rörledningen. För att optimera den experimentella installationen, kontrollera kamerans fokus och bestämma kamerans samplingsfrekvens är också avgörande steg för pålitliga mätningar.

För data process stadiet finns det två utmaningar för att få hög kvalitet fas-genomsnitt flöde fält och near-Boundary Flow spänningar: (1) exakt beräkna de momentana flödes fälten och undvika förskjutning bias fel i flödet regioner med en stor hastighets lutning; och (2) korrekt katalogisera de tagna bilderna som har samma vibrerande fas. Vid beräkning av momentana flödes fält bestämmer den traditionella PIV Cross-korrelationsmetoden 19 hastighets vektorn mellan två på varandra följande bilder med ett fast tidsintervall Δt (se figur 5a). Denna traditionella metod kanske inte lämpar sig för denna studie eftersom det beräknade flödes fältet kan ha betydande förskjutning bias fel nära den vibrerande rörledning och havsbotten gränser. För att övervinna detta problem antas en algoritm för flertidsintervall i denna studie (se figur 5b).  Genom att använda den här metoden utförs bild utfrågningar på olika bild par i olika valda intervaller. Hastighets vektorn vid varje rutnäts punkt bestäms utifrån uppskattningarna av lämpligt tidsintervall9,27,28. Det bör noteras att när du använder denna metod, RAW bild datamängder bör förvärvas av en tid löst PIV med en hög samplingsfrekvens kamera och kontinuerlig våg laser. För att övervinna den andra utmaningen, ger detta papper en Wavelet Transform teknik. Genom att använda Wavelet Transform-funktionen till förskjutnings tidsserien för pipelinen, kan den momentana fasen av varje avbildad bild beräknas korrekt. Denna metod kan också tillämpas för att undersöka Vortex inducerad vibrations processer, såsom pipeline vibrationer induceras av asymmetri Vortex shedding15,27,32.

De viktigaste fördelarna med den flödes mätningsteknik som beskrivs i detta dokument är hög temporala och rumslig upplösning och kapacitet att samtidigt erhålla pipelinedynamik, flödes fält och nära gräns flödes spänningar. Genom att använda denna teknik, mer djupgående studier om pipeline skura i komplexa miljöer kan utföras och den komplexa mekanismen för skalla runt den vibrerande rörledningen skulle kunna förstås bättre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av de unga vetenskapsmännen fonden för National Natural Science Foundation i Kina (51709082) och de grundläggande forskningsfonderna för de centrala universiteten (2018B13014).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Miljövetenskaper fråga 150 sediment transport lokal Scour flödesmätningar pipeline-Fluid-havsbotten interaktion partikel bild Velocimetry flera tids intervall påtvingad vibration Wavelet Transform
Visualisering av flödesfält runt en vibrerande rörledning inom en jämvikt skur hål
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter