Visualización del campo de flujo alrededor de una tubería vibratoria dentro de un agujero de barrido de equilibrio

Las tuberías submarinas se utilizan ampliamente en entornos offshore con el propósito de transportar productos fluidos o hidrocarbonos. Cuando se coloca una tubería en un fondo marino erosionable, es probable que se forme un agujero alrededor de la tubería debido a las ondas, corrientes o movimientos dinámicos de la propia tubería (vibración forzada o vibración inducida por vórtice)^1,2. Para mejorar la comprensión del mecanismo de escudería alrededor de una tubería submarina, las mediciones de los campos de flujo turbulento y las estimaciones de la cizalla duradel lecho y las tensiones normales dentro de la región de interacción entre los fluidos y los fondos marinos son esenciales medidas del orificio de escarcha dimensión^1,2,3 ,^4,5,6,7. En un entorno donde la cizalladura del lecho y las tensiones normales son extremadamente difíciles de determinar porque el campo de flujo es inestable y el límite inferior es áspero, las tensiones instantáneas cercanas a las tensiones (aproximadamente 2 mm por encima del límite) podrían ser utilizado como su sustituto^8,9. En las últimas décadas, se ha estudiado y publicado una tubería vibratoria sin presentar cuantitativamente los valoresde los sofisticados campos de flujo alrededor de la tubería dentro del agujero 3,^{4, 5,10,11,12,13,14,15,16,17, 18}. Por lo tanto, el objetivo de este papel de método es proporcionar un protocolo experimental novedoso para visualizar los campos de flujo detallados y determinar la cizallacasiy casi límite y las tensiones normales dentro de un agujero de barrido de equilibrio inducido por una tubería vibratoria forzada. Cabe señalar que el proceso de interacción oleoducto-fluido-semillero en este estudio está en un ambiente de agua en reposo en lugar de aquellos con corrientes y ondas unidireccionales.

Este método experimental consta de dos componentes importantes, a saber, (1) simulación de vibraciones de tubería (forzadas); y (2) mediciones de los campos de flujo alrededor de la tubería. En el primer componente, la tubería vibratoria se simuló en un flujo experimental mediante el uso de un sistema de vibración, que tiene un servomotor, dos muelles de conexión y marcos de soporte de tubería. Se pueden simular diferentes frecuencias y amplitudes de vibración ajustando la velocidad del motor y la ubicación de los muelles de conexión. En el segundo componente, se adoptaron las técnicas de transformación de la imagen de partícula (PIV) y de la onda resueltas en el tiempo para obtener datos de campo de flujo de resolución temporal y espacial elevados en diferentes fases de vibración de tubería. El sistema PIV resuelto en el tiempo consiste en un láser de onda continua, una cámara de alta velocidad, partículas de sembración y algoritmos de correlación cruzada. Aunque las técnicas PIV se han utilizado ampliamente en la obtención de campos de flujo turbulento constante^{19,20,21,22,23,24,25}, aplicaciones en condiciones complejas de campo de flujo inestable, como casos de interacción de tuberías-fluidos-fondos marinos, son relativamente limitadas^8,9,26,27. La razón es probablemente porque el algoritmo tradicional de correlación entre intervalos de tiempo único de las técnicas PIV es incapaz de capturar con precisión las entidades de flujo en campos de flujo inestable donde hay un gradiente de velocidad relativamente alta^{9, 20}. El método descrito en este documento puede resolver este problema utilizando el algoritmo de correlación cruzada de intervalo múltiple^9,28.