可视化平衡冲刷坑内振动管道周围的流场

本实验方案旨在可视化由强制振动管道引起的平衡冲刷坑内的详细流场及近边界剪切应力分布。该测量技术的主要优势在于能够同时高分辨率地获取管道动力学、流场以及近边界流动应力信息。利用该技术，可在复杂环境中对二维流场开展更深入的研究，从而更好地理解冲刷机理。

实验在一个长11米的水槽中进行。其横截面为正方形，边长为0.6米。该水槽的示意图提供了更多细节，包括可侵蚀海床模型的位置。

水位高于海床0.4米。在海床模型中，使用已压实并整平的均匀分布的中砂。将振动系统的结构安装在水槽上方。

该装置由一个固定在水槽顶部导轨上的固定框架组成。固定框架上设有可移动的立柱，用于支撑一个铝制框架。该铝制框架将管道模型悬置于水槽中海底模型的上方。

该示意图展示了整个装置的概览。需要注意的是，共有四个轴承，可确保铝制支撑架仅能沿垂直方向振动。连接杆将可动磁极与伺服电机相连，驱动铝制框架的运动。

该装置的设置取决于管道的几何形状。这个丙烯酸管道模型的复制品直径为35毫米。调节支撑架和立杆，使管道底部位于初始海床表面以上一个管道直径的高度。

遵守所有激光安全规程，并开始使用激光。将532纳米激光器及用于测速的光学元件放置在水槽上方。光学元件包括用于形成照明光片的组件。

打开激光器后，调整光学元件，使在水槽的感兴趣区域内形成一个平坦的照明光片。该光片应位于水槽中心，并与侧壁平行。这些示意图的正面和侧面视图展示了实验装置中激光器、光学元件以及所形成的激光光片的位置。

接下来，设置粒子图像测速装置的相机。使用具有适当焦距的高速相机，并将其对准垂直于激光片的方向。将相机连接到装有正确控制软件的计算机上。

打开摄像机后，调整视野，确保管道流体海底区域可见且图像清晰。为校准装置，首先使用示踪粒子。这种铝粉提供的颗粒直径为10微米。

向水槽的测试段加入约 20 克示踪粒子。确认相机能将示踪粒子清晰聚焦。然后，将校准标尺放置在激光片光平面内的视场中，并拍摄一张校准图像。

选择数据采集的采样率后，关闭激光器和相机。实验时，取一块透明亚克力板，将其支撑在激光源下方的试验台上方，并置于水面上，以抑制表面波动。

该示意图详细展示了如何利用连接在水槽导轨上的绳索来支撑此装置中的平板。接下来，启动框架上的伺服电机，这将开始对管道模型施加强迫振动。

使振动系统持续运行24小时。24小时后，打开激光器以生成光片。使用已校准的设置启动相机及其控制软件。

然后，关闭灯光并开始数据采集。数据采集完成后，检查32乘32像素 interrogation window 的示踪粒子密度是否大于8，然后再采集额外的数据集。所有数据集采集完毕后，开始数据处理。

使用粒子图像测速软件并打开校准图像。接着，进入工具栏并点击比例设置按钮。将十字光标移至标尺图像上的一个刻度标记处并进行标记。

接下来，在尺子图像上标记第二个刻度。在打开的对话框中，根据尺子输入两个标记之间的距离。注意记录计算出的标尺值。

返回工具栏并单击原点按钮。然后，使用鼠标为所有数据图像设置坐标原点。完成后单击“是”。

然后，点击文件菜单并加载作为数据采集的原始图像中的第一幅图像。检查其他文件是否可访问，然后返回到第一幅图像。接着，点击参数菜单。

在对话框中输入数据文件的数量和采样率以加载所有图像。保存数值后关闭对话框。接下来，进入图像滤波菜单。

然后，应用低通滤波器。在工具栏中，点击 PTV 模块。接着点击追踪点。

然后在图像中找到管道圆周右侧半部分的中心点并选中。在点击工具栏中的 PTV 工具之前，确认选择无误。在打开的对话框中，调节伽马值、光闸和中值滤波器设置，以突出图像中的管道轮廓。

批准更改后，点击对象跟踪按钮。使用鼠标在处理后的图像上选择管道的一个可识别区域。完成此操作后，软件将跟踪图像中的位移并记录时间序列。

数据保存后，前往并点击 PTV 工具。在对话框中，点击默认按钮，然后点击“确定”以恢复原始图像，用于后续分析。点击 PTV 模块以停用该模块。

停留在工具栏中并打开参数面板。在关闭对话框之前，验证速度矢量计算参数及其他参数。然后，进入图像滤波菜单。

对原始图像应用拉普拉斯滤波函数，以突出示踪粒子并滤除不需要的散射光。现在，返回工具栏并点击边界。使用鼠标在图像上设置几何掩膜，以排除海底区域。

确认边界已设置完毕。完成后，单击“保存边界”以保存边界数据。最后，转到工具栏并单击“运行”按钮，使用互相关方法计算瞬时速度场。

导出并保存瞬时速度场的数据以供进一步分析。此图为管道振动24小时后拍摄的准平衡冲刷剖面与振动管道的图像。分析的原点设定在原始海床表面与管道垂直中心线的交点处。

示踪粒子可见，但悬浮在流体中的沉积物颗粒极少，表明系统处于准平衡阶段。通过该方案采集的数据可用于可视化相位平均速度场和涡量动力学。本视频包含一个管道振动周期内72帧的流场图像。

该方法还可用于研究涡流诱导振动过程，例如由非对称涡流脱落引起的管道振动。