Summary
该协议的目标是使详细流动场可视化，并在振动管道引起的平衡冲刷孔中确定近边界剪切和正常应力。
Abstract
本文提出了一种实验方法，用于对振动管道引起的平衡冲刷孔内的详细流动场进行可视化，确定近边界剪切和法线应力。该方法涉及在直线烟道中实现管道振动系统，用于管道位移跟踪和流量场测量的时间解析粒子图像速度测量（PIV）系统。利用交叉相关算法获得振动管道的位移时间序列。介绍了使用时间解析的 PIV 获取的原始粒子载重图像的步骤。使用多时间间隔交叉关联算法计算振动管道周围不同振动阶段的详细瞬时流量场，以避免具有较大速度梯度的流区域的位移偏置误差.通过应用小波变换技术，在获得相平均速度场之前，可以准确采集具有相同振动相的捕获图像。本文所述流量测量技术的主要优点是具有非常高的时空分辨率，可同时用于获取管道动力学、流场和近边界流应力。通过利用这一技术，可以更深入地研究复杂环境中的二维流场，例如振动管道周围的流场，以更好地了解相关的复杂冲刷机制。
Introduction
海底管道广泛用于海上环境，用于流体或氢碳产品输送。当管道被放置在可腐蚀的海底时，由于管道本身的波浪、电流或动态运动（强迫振动或涡旋引起的振动）1、2 ，管道周围的冲刷孔可能会形成。为了增进对海底管道周围冲刷机制的理解，除了管道-流体-海底相互作用区域内的湍流场测量和床切和正常应力估计外，还有必要测量冲刷孔尺寸1，2，3，4，5，6，7。在床切和正常应力极难确定的环境中，由于流场不稳定且底部边界粗糙，可测量瞬时近边界应力（在边界上方约 2 mm 处）用作他们的代理8，9。在过去的几十年中，在振动管道周围的冲刷被研究和出版，没有定量地呈现在冲刷孔3，4，管道周围复杂的流动场的值。 5，10，11，12，13，14，15，16，17， 18.因此，该方法的目的是为详细流场的可视化提供一种新的实验方案，并确定由强制振动管道引起的平衡冲刷孔内的近边界剪切和法线应力。应该指出的是，本研究中的管道-流体-海底相互作用过程是在静止的水环境中，而不是单向电流和波的。
该实验方法由两个重要部分组成，即：（1）管道（强制）振动模拟;和 （2） 管道周围流动场的测量。在第一个组件中，使用振动系统（具有伺服电机、两个连接弹簧和管道支撑框架）在实验烟道中模拟振动管道。通过调整连接弹簧的电机速度和位置，可以模拟不同的振动频率和振幅。在第二个组件中，采用时间解析粒子图像速度测量（PIV）和小波变换技术，以获得不同管道振动阶段的高时空分辨率流场数据。时间解析的 PIV 系统由连续波激光器、高速摄像机、种子粒子和交叉相关算法组成。虽然PIV技术已被广泛用于获得稳定的湍流场19，20，21，22，23，24，25在复杂的不稳定流动场条件下的应用，如管道-流体-海底相互作用的情况，在8、9、26、27等情况下相对有限。原因可能是PIV技术传统的单时间隔交叉关联算法无法准确捕获存在相对高速梯度的不稳定流动场中的流特征9。 20.本文所描述的方法可以使用多时间间隔交叉关联算法9，28来解决这个问题。
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Protocol
1. 实验室安全检查
- 查看与使用激光和烟道系统相关的安全规则。
- 确保满足实验室的安全培训要求。
注：在本实验中，使用了一组波长为532nm的5W空气冷却连续波激光器，以及一个尺寸为11米、宽0.6米、深度0.6米的玻璃面直流波激光器（图1）。这两种装置的基本安全建议如下：- 在测试前检查激光视线中的潜在反射表面;操作激光设备时佩戴安全护目镜。
- 在实验过程中，避免眼睛照射在激光束的水平，在处理光学元件或反射工具时要小心反射激光。
- 确保水管不脱落，并且始终没有水从烟道溢出。
2. 流和海底模型设置
- 准备位于烟道中间的可腐蚀海底模型。
注：本研究中使用的沉积物材料为均匀分布的中沙，晶粒尺寸为d 50 × 0.45 mm，相对浸没颗粒密度 = ± 1.65，几何标准差=g = 1.30。 - 使用沙平器紧凑和平平海底。
- 用水管缓慢地填充烟道，并确保在填充过程中，平坦的海底表面完好无损;当水位达到高于海底0.4米的深度时，停止加注。
- 清除用于设置管道模型和 PIV 系统的烟道顶部平台和玻璃。
3. 管道模型和振动系统设置
- 使用直径为 35 mm、长度为 0.56 m 的丙烯酸圆柱体的预制管道模型。
- 将管道模型安装在铝支撑架上，然后由两个弹簧连接到另一个固定框架上的可移动杆上，该固定框架锁定在烟道的顶部导轨上，如图 2所示。使用四个轴承固定固定框架内的支撑框架，以确保支撑框架只能沿垂直方向自由振动（图 2）。
- 使用连杆将可移动杆与安装在固定机架顶部的伺服电机连接。在这项研究中，装配振动系统的重量，包括管道模型和铝框架，是1.445公斤，其等效质量比（m *）为2.682;0.82 Hz 的自然频率 （fN） ;和阻尼比 （α） 0.124.
- 调整可移动杆和支撑架，以获得管道与海底之间的一定间隙比。 在本研究中，G /D =1，其中G是管道底部与初始海底表面之间的垂直距离;和D是管道直径。
- 打开伺服电机，在管道上引起强制振动;调整支撑架和四个轴承，确保管道振动沿垂直方向。调整支撑架后，关闭伺服电机。
- 如果海底模型在3.5中受到干扰，在进行实验之前，在压缩和平平海底之前，再进行压缩和平平。
4. PIV 设置
- 将激光装置放在烟道顶部，并安装形成光学元件的激光片。
- 打开激光装置并调整激光片成型光学元件，以便在感兴趣领域内形成发光的平板。
注：在本研究中，发光的绿色激光片厚1.5毫米，与烟道玻璃墙平行，沿烟道中心线向下投射到水中。本研究感兴趣的领域是指管道-流体-海底的相互作用区域，并局限于管道的右半侧。管道的阴影将在管道的左半侧看到。 - 设置高速摄像机。
注：在本研究中，使用具有 12 GB 内存存储且最大分辨率为 2.3 Mpx （1920*1200） 的高速摄像机（例如，幻影米罗 LAB 320）。具体操作程序如下：- 将镜头以适当的焦距安装在高速摄像机上。将高速摄像机拧到高度可调三脚架上;将摄像机调整到观测区域的水平，其轴垂直于照明的激光片。
注：本研究使用60毫米质透镜，最大光圈为f/2.8。 - 使用以太网电缆将摄像机连接到计算机，并打开摄像机控制软件（例如，幻影 PCC 2.6）;打开相机，并将其连接到相机控制软件界面中的计算机。
- 调整三脚架，确保摄像机的视野覆盖管道-流体-海底相互作用区域;使用三脚架上内置气泡水平将摄像机水平;调整镜头上的对焦环，以确保对焦平面上的激光片清晰。
- 将镜头以适当的焦距安装在高速摄像机上。将高速摄像机拧到高度可调三脚架上;将摄像机调整到观测区域的水平，其轴垂直于照明的激光片。
5. 实验设置优化和校准
- 将 PIV 种子颗粒添加到烟道的测试部分。
注：本研究中使用的播种颗粒为直径为10μm、特定密度为2.7的铝粉。 - 如有必要，提高激光片的光强度。
- 通过计算机上的实时摄像机视图观察激光片上的发光种子颗粒，验证摄像机的对焦;如有必要，微调对焦环，以确保播种颗粒是锋利和聚焦的。
- 在激光片平面的视场内放置校准标尺，并捕获一个校准图像。
注：本研究中采用的图像分辨率为1600 ×1200像素。 - 为数据收集选择适当的采样率。
注： 所选采样率应确保一对图像中的种子颗粒位移小于最大询问窗口长度的 50%。在本研究中，最大查询窗口大小为32×32像素，采用的采样速率为每秒200帧。 - 完成步骤 5.1-5.5 后，关闭激光和摄像机。
6. 运行实验和数据收集
- 在激光源下方和水面上放置透明丙烯酸板（20毫米厚），抑制水面波动，确保激光透光的光线进入。
- 打开伺服电机，在管道模型上引起强制振动。
注：在本研究中，伺服电机的感应频率为f 0 ± 0.3 Hz。 - 保持振动系统运行（t =）1440分钟，以获得振动管道下方的准平衡冲刷孔。
- 打开激光，并将输出功率调整到优化的强度。打开相机和摄像机控制软件，并将校准的设置应用于摄像机。关闭实验室的背景灯。
- 单击相机软件控制软件中的"捕获底部"，开始记录在 5.6 中选择的采样率的颗粒载流场图像。
注：对于本研究中的每个记录，摄像机存储允许捕获 1，000 张图像。 - 数据收集完成后，查看记录的图像质量，并检查每个询问窗口的种子颗粒密度（32×32 像素）是否大于 8。如果满足，请保存记录的文件，否则，通过在观察区域中缓慢注入播种溶液会增加播种密度，并重复步骤 6.3-6.5。
- 重复步骤 6.3-6.5 以收集更多数据集。
注：在本研究中，拍摄了 20，000 多张图像，以确保获得足够的原始数据，用于计算流速、涡流、湍流和近边界应力。 - 完成所有数据收集后，关闭激光设备、摄像机和服务器电机;打开实验室的背景灯。
7. 数据处理
- 打开软件;单击工具栏上的"文件夹"按钮并加载步骤 5.4 中拍摄的校准图像。
注：使用数据处理程序进行管道位移跟踪和流量场计算软件（例如，PISIOU）。 - 单击工具栏上的"缩放设置"按钮;单击"缩放设置"按钮。测量校准图像上的已知距离以计算图像的比例。
注：计算出的图像比例为0.1694毫米/像素。 - 单击工具栏上的"原点"按钮;设置每个图像上的坐标原点。
- 从记录的图像中提取振动管道的位移时间序列。
- 加载步骤 6 中拍摄的原始图像。然后单击"参数"面板，输入数据文件的数量和采样率。
- 在"图像"滤镜菜单中应用"低通"滤镜。
注： 此操作将允许在已处理的图像上轻松识别管道边缘（要跟踪的目标）（参见图 3a）。 - 在工具栏中，单击PTV 模块。然后单击"跟踪点"按钮，选择管道的中心点。转到PTV工具，调整伽玛、光栅和中值滤镜以在图像中挑出管道轮廓。单击工具栏上的对象跟踪按钮;单击"对象跟踪"按钮。选择已处理图像上的目标区域（即管道），并从连续处理的图像跟踪振动管道的位移;记录后续流场数据处理的振动管道的位移时间序列 [（t ）]（参见图 4）。
- 导出并保存管道位移时间序列数据，以便进一步计算。
- 从记录的图像中确定瞬时速度场。
- 转到PTV工具，单击"默认"按钮以恢复原始图像，以便进行后续 PIV 分析。单击PTV模块，停用 PTV 模块。打开工具栏上的参数面板;指定速度矢量计算参数。
注：在本研究中，采用多通道迭代过程作为查询窗口，从32×32像素开始，然后以16×16像素通过，以8×8像素结束;所有刀路使用相邻子窗口之间的 50% 重叠。 - 将图像滤镜菜单中的Laplacian 滤镜功能应用于原始图像，以突出显示播种颗粒并滤掉不需要的散射光（参见图 3c）。
- 单击工具栏上的"边界"按钮，在图像上设置几何蒙版以排除海底区域以进行进一步计算。单击"边界保存"按钮以保存边界数据。
- 单击工具栏上的"运行"按钮，使用交叉关联方法计算不同振动相的瞬时速度字段。
注：本研究采用多时间间隔算法，以减少流场中高速梯度引起的偏置误差（见图5）。 交叉相关计算采用的多时间间隔为 μ t、3μt、9°t和 21μt （+t = 5 ms）。满意的相关标准大于70%。 - 导出并保存瞬时速度字段数据，以便进一步分析。
- 转到PTV工具，单击"默认"按钮以恢复原始图像，以便进行后续 PIV 分析。单击PTV模块，停用 PTV 模块。打开工具栏上的参数面板;指定速度矢量计算参数。
- 使用新大陆199429，30和谢200828中描述的算法，从计算的瞬时速度场确定相位平均速度场。
注： 此步骤的计算过程描述如下：- 将小波变换函数应用于振动管道的位移时间序列[t]，以获得每个瞬时速度场的瞬时相位。 小波变换函数定义为：
(1)
其中 W+是小波系数;* 和 α 分别是比例和平移参数;函数 # 是 Morlet 函数，计算
为 ;上标"*"表示复杂的偶联体。振动管道的瞬时相位，即*，对应于不同的管道位移，可以从以下方法计算：
(2) - 以相同相位的瞬时速度场求平均值，以获得相位平均速度场。
- 确定从以下值计算的相位平均速度场中的流动涡流 ，#2：
(3)
沿
x和y方向的相位平均速度。
- 将小波变换函数应用于振动管道的位移时间序列[t]，以获得每个瞬时速度场的瞬时相位。 小波变换函数定义为：
- 在 Tecplot 软件中加载计算的相位平均速度和涡流数据，以便进行可视化。
- 使用Hsieh 等人2016 9中所述的算法，确定计算瞬时速度场的近边界剪切和法线应力。此步骤的计算过程描述如下：
- 从计算出的相平均速度流场中提取近边界速度数据（在海底上方0-5毫米）。
- 在一个振动周期内，沿冲刷轮廓（在冲刷孔边界上方约 2 mm）计算接近边界的剪切应力、t s和正态应力 t。"注：计算公式如下：
， 
（4）
其中， = = 流体的动态粘度 （本文采取为 1×10-3 Paμs）;up = 与床平行的近边界速度;un = 垂直于床的近边界速度;n = 与床的正常距离。
- 在软件（例如 Tecplot）中加载计算的近边界剪切和法线应力数据以进行可视化。
(1)
为 ;上标"*"表示复杂的偶联体。振动管道的瞬时相位，即*，对应于不同的管道位移，可以从以下方法计算：
(2)
(3)
沿
x和y方向的相位平均速度。
， 
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Representative Results
图3显示了管道位移跟踪和瞬时速度计算的原始图像与处理图像的比较示例。如图3 b所示，对原始图像中的播种颗粒和噪声进行过滤，并保留闪亮的管道边缘，以获得位移时间序列。如图3c所示，拉普拉西亚滤波器过滤出种子颗粒、管道边缘和海底表面周围的光散射/反射。振动管道的位移时间序列示例如图4所示。管道振动几乎正弦，振动频率和振幅分别为0.3赫兹和±50mm。
图 6显示了在 t = 1440 min 处的准平衡冲刷轮廓和振动管道的图像示例，其中本研究坐标 （x-O-y）的原点设置在原始海底表面和管道垂直中心线。如图6所示，除了播种颗粒外，在流动中可以观察到的悬浮沉积物颗粒很少;因此，原始图像质量不会受到影响。这也表明管道冲刷过程达到了准均衡阶段。
图7显示了可视化的相位平均速度场和涡流动力学的例子。需要注意的是，由于 PIV 测量期间管道的阴影，管道左侧的区域没有数据（参见图 7中的子图 ）。如图7所示，在一个振动周期内给出了流场的九个离散相位。在管道下降阶段（0 = t0/T < 0.5，其中T是振动周期，t 0是时间从 0 到T），从剪切器生成一对称模式的涡流振动管道两侧的层。管道到达冲刷沟底（t0/T = 4/8）后，逆时针涡旋被扭曲，当管道从海底升起时被吸入冲刷沟槽。对于管道提升相位（0.5 = t 0/T < 1）期间，在管道顶部边缘周围对称生成另一对旋转方向与下降相方向相反的涡流。为了更好地观察图7中的流动力学，提供了一个相应的视频（视频1），由72个流场的相（帧）组成，用于一个管道振动周期。
图8给出了近边界剪切应力、T s和法线应力、T n沿冲刷轮廓在一个振动周期内演化的例子。由于流场对 y轴是对称的，因此本研究中提出的近边界剪切应力和法线应力仅限于冲刷轮廓的右半部分（0 < x < 5）。如图8所示，这两个应力通过平面床状况上沙粒的关键床剪切应力（T c（从屏蔽曲线获得为 0.243 Pa）的值进行归一化。当管道掉到床上或从床上上升时，冲刷沟槽内和振动管道下方的Ts和Tn的绝对值显著增加。Ts和Tn显示最大值和最小值的区域与振动管道和冲刷边界之间的流动场的演变一致，如图7所示。
图 1：实验烟道的原理图。请点击此处查看此图的较大版本。
图 2：管道模型和振动系统设置的原理图。（a） 截面视图， （b） 侧视图.此数字已由 8 修改为8。请点击此处查看此图的较大版本。
图 3：原始图像和已处理图像之间的比较示例。（a） 原始图像， （b） 管道位移跟踪的处理图像， （c） 处理的图像，用于瞬时速度计算.请点击此处查看此图的较大版本。
图 4： 振动管道的位移时间序列示例在t = 1440 分钟.请点击此处查看此图的较大版本。
图 5：单时间隔和多时间间隔交叉关联算法的比较。这个数字是从9中转载的。请点击此处查看此图的较大版本。
图 6：t = 1440 min的准平衡冲刷轮廓示例图像。请点击此处查看此图的较大版本。
图 7：可视化相平均速度场和涡流动力学示例。这个数字是从8。请点击此处查看此图的较大版本。
图 8：在一个振动周期内沿冲刷轮廓的t和tn的演变示例。触架和升降时间是指管道底部分别从冲刷孔边界接触和上升的时间。这个数字是从8。请点击此处查看此图的较大版本。
视频1：平衡冲刷孔内振动管道周围的流场演化。该视频由 72 个流场的相（帧）制成，用于管道振动的一个循环。这段视频是从8日转载的。请点击此处观看此视频。（右键单击下载。
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Discussion
本文提出的方案描述了一种利用PIV技术在平衡冲刷孔中对二维流动场进行可视化和在强制振动管道周围近边界流动应力场的测定方法。由于设计的管道运动沿y方向是一维的，因此准备和调整管道模型和振动系统以实现这一目标是成功实现的关键前提。管道沿x方向的任何不良运动都可能导致不对称的流动场和围绕振动管道的冲刷孔形成。除装置效果外，为实验选择管道的振动频率和振幅对诱导管道周围对称的流量场也很重要。事实上，在静止的水中，Lin等人31表明，当非维时间T D = t D U时，冲动启动的圆形圆柱体后面的流动再循环结构可以保持其对称性。 D/D < 5，其中tD = 气缸移动时间;和UD = 气缸速度。对于 T D > 5 时的情况，在气缸周围可能发生倾斜涡流脱落。在本研究中，最大管道速度可以估计为2° = A0，气缸移动时间可以取1/2 Ω，因此最大非维时间TD = A0/D = 4.48。
在 PIV 设置阶段，激光片和摄像机调整以及种子设定颗粒选择是获取高质量流场数据的关键协议步骤。相机拍摄方向必须垂直于激光片，否则，在捕获的图像中将显示透视失真。由于此方法旨在获取非稳态流动场中的近边界流应力，因此应正确设置激光强度和视场位置，以避免边界强光反射。选定的播种颗粒需要有效地散射发光激光片，并能够遵循流流流流，而不会过度沉降20。基于此考虑，本研究中使用的种子颗粒是铝粉，其沉降速度估计为 92.6 mm/s，使用斯托克定律。与振动管道附近的流速（0.1-0.2 m/s）相比，此沉降速度可以忽略不计。为了优化实验设置，验证摄像机的焦点并确定摄像机采样率也是可靠测量的关键步骤。
对于数据处理阶段，获得高质量相平均流量场和近边界流应力有两个挑战：（1） 准确计算瞬时流场，避免流区域中的位移偏置误差。大速度梯度;（2） 准确编目具有相同振动相的捕获图像。为了计算瞬时流场，传统的 PIV 交叉关联方法19确定两个连续图像之间的速度矢量，具有固定时间间隔 μ t（参见图 5a）。这种传统方法可能不适合本研究，因为计算出的流量场在振动管道和海底边界附近可能有显著的位移偏置误差。为了解决这个问题，本研究采用了多时间间隔算法（参见图5b）。 使用该方法，在不同的图像对上重复执行图像查询，以不同的选择间隔进行。每个网格点的速度矢量是根据适当时间间隔9、27、28的估计值确定的。需要注意的是，使用此方法时，使用高采样率相机和连续波激光器应按时间解析 PIV 获取原始图像数据集。为了克服第二个挑战，本文提供了一种小波变换技术。通过将小波变换函数应用于管道的位移时间序列，可以精确计算每个捕获图像的瞬时相位。该方法还可用于研究涡旋引起的振动过程，如非对称涡流脱落引起的管道振动15、27、32。
本文所述流量测量技术的主要优点是具有较高的时空分辨率和同时获得管道动力学、流量场和近边界流应力的能力。利用该技术，可以对复杂环境下的管道冲刷进行更深入的研究，从而更好地了解振动管道周围的复杂冲刷机制。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了国家自然科学基金（51709082）和中央大学基础研究基金（2018B13014）的支持。
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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