Method Article

تصور Hyporheic تدفق من خلال Bedforms عن طريق التجارب صبغ والمحاكاة

DOI:

10.3791/53285

⸱

November 18th, 2015

 ,  ,  , 
1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تصف هذه المخطوطة كيفية إنشاء أشكال سرير منتظمة في مجرى ، وتصور التدفق عبر أشكال الأسرة ، واستخدام المحاكاة الحاسوبية لمحاكاة التدفق المنخفض. تقارن عمليات المحاكاة الحاسوبية بشكل جيد مع الملاحظات التجريبية. هذه المحاكاة والتجربة المقترنة مناسبة تماما للأغراض البحثية والتعليمية.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

التبادل عبر الهوائي الأفقي بين الفضاء المسام من الرواسب وعمود الماء المغطي، ودعا الصرف hyporheic في البيئات النهرية، يدفع النقل المذاب في الأنهار والعديد من العمليات البيولوجية الكيميائية الهامة. لتحسين فهم هذه العمليات من خلال مظاهرة البصرية، أنشأنا محاكاة تدفق hyporheic في متعدد وكيل النمذجة الحاسوبية منصة NetLogo. وتبين المحاكاة الافتراضية التتبع التي تتدفق من خلال مجرى النهر مغطاة bedforms ثنائي الأبعاد. وتستخدم الرواسب، والتدفق، وbedform الخصائص كما المتغيرات الإدخال للنموذج. نحن لتوضيح كيف تطابق هذه المحاكاة الملاحظات التجريبية من التجارب المسايل المختبر، استنادا للمعلمات الإدخال قياسها. يتم حقن صبغة في الرواسب المسايل لتصور تدفق porewater. وعلى سبيل المقارنة توضع الجسيمات التتبع الافتراضية في نفس المواقع في المحاكاة. وقد استخدمت هذه المحاكاة ومختبر التجربة يقترن بنجاح في المرحلة الجامعية وgraduaمختبرات الشركة المصرية للاتصالات لتصور مباشرة التفاعلات النهر porewater وتظهر كيف محاكاة التدفق على جسديا يمكن أن تتكاثر الظواهر البيئية. استغرق الطلاب صورا للسرير من خلال الجدران المسايل شفافة وقارنوها الأشكال من الصبغة في الأوقات نفسها في المحاكاة. وأدى ذلك إلى اتجاهات متشابهة جدا، والذي يسمح للطلاب لفهم أفضل لكل من أنماط تدفق والنموذج الرياضي. المحاكاة كما تسمح للمستخدم لتصور بسرعة تأثير كل معلمة الإدخال عن طريق تشغيل المحاكاة متعددة. ويمكن أيضا أن تستخدم هذه العملية في تطبيقات البحوث لتوضيح العمليات الأساسية، تتصل تدفقات بينية والنقل porewater، ودعم النماذج القائمة على عملية الكمي.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

كما نقل المياه السطحية في تيار، النهر، أو منطقة المد والجزر يخلق التدرجات الرأس التي تدفع المياه داخل وخارج الرواسب 1. في الأنظمة النهرية ومن المعروف أن جزء من رواسب قيعان الأنهار التي يحدث فيها هذا التبادل كما 2،3 منطقة hyporheic. هذه المنطقة مهمة لأنه يتم تخزين العديد من العناصر الغذائية والملوثات، إيداع أو تحويل داخل المنطقة hyporheic 4-9. ويطلق على مقدار الوقت الذي يقضيه التتبع في الرواسب فترة الإقامة. في المرتين الإقامة ومواقع مسارات تدفق تؤثر على عمليات التحول. هناك حاجة إلى تحسين فهم العمليات التي تؤثر على تدفق من خلال الرواسب التنبؤ النقل المذاب في الأنهار ومعالجة المشاكل البيئية الكبيرة....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. محاكاة البرمجيات

  1. استخدام البرامج الموضحة في هذا القسم.
    1. تحميل وتثبيت الحرة / مفتوحة المصدر متعدد وكيل لغة النمذجة والمحاكاة منصة، NetLogo (المتوفر http://ccl.northwestern.edu/netlogo/، الإصدار 5.1 أو في وقت لاحق).
      ملاحظة: يتوفر هذا البرنامج في أي تكلفة، ويعمل على جميع أنظمة التشغيل الرئيسية (ويندوز / ماك / لينكس).
    2. تحميل الملفين النصي محاكاة محدد....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

استخدام المحاكاة بالتزامن مع التجارب يتيح للطلاب لمراقبة أوجه التشابه والاختلاف بين النماذج الرياضية المثالية والنظم الحقيقية أكثر تعقيدا. يبين الشكل 4 مثالا مقارنة الصور حقن الصبغة مع المحاكاة Mousedrop. يتم استخدام صورة أولية لتحديد وضع الصبغة الكاشفة محاكاة في وقت الصفر، ومن ثم يتم تشغيل محاكاة ل34.2 دقيقة ومقارنة مع صورة فوتوغرافية التقطت في ذلك الوقت. عموما نموذج يقوم بعمل ممتاز لالتقاط حركة المياه مصبوغ خلال هذه الفترة الزمنية. وسائل الصبغة الأولى، .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

بالتزامن، تقدم المظاهرة وتتبع الجسيمات المحاكاة المسايل مقدمة شاملة إلى تدفق hyporheic لمجموعة من الجماهير. وقدم المشاركون من جميع المستويات أدلة بصرية لحدوث تبادل hyporheic الناجمة عن bedforms، وتباين قوي في مسارات التدفق تحت سطح الأرض تحت bedforms. ويمكن استخدام هذه الإجراءات كما مظاهرة بسيطة من تدفق porewater للطلاب الجامعيين أو K-12 طالبا، أو أنها يمكن أن تستخدم في مقررات الدراسات العليا بالتزامن مع عرض أكثر تعمقا من الهيدروليكية النهر، نقل الرواسب، وآليات الصرف hyporheic . بغ.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تستند هذه المادة إلى العمل المدعوم من منح المؤسسة الوطنية للعلوم EAR-0810270 و EAR-1215898 و EAR-1344280 ، بالإضافة إلى زمالة أبحاث الدراسات العليا NSF.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

تصميم الأغذية :

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
مختبر الهندسةFlumeمجرى مختبر مخصص مع جوانب واضحة لمدة 24-48 ساعة. بدلا من ذلك ، يمكن إنشاء مجرى تعليمي صغير بأقل من 300 دولار باتباع الإرشادات الواردة في موادنا التكميلية.
مقياس الجريانRosemount 8800 دوامة يقع هذا داخل حلقة إعادة تدوير المجرى
الرملالولايات المتحدة. السيليكاF30رمل من الدرجة البحثية لتشكيل طبقة بعمق 10-20 سم في جميع أنحاء المجيل
عينات صبغمن شركاتصبغة غذائية قابلة للذوبان في الماء مصنوعة في محلول مائي. تعمل الألوان الداكنة مثل الأحمر والأزرق والأخضر بشكل أفضل. (تجنب أصباغ الطعام في البروبيلين جلايكول.)
حقنةHSW4100.000V05-10 مل ، <م > على سبيل المثال < / م > HSW Norm-Ject 2 جزء حقنة يمكن التخلص منها
PipettingNeedle Cadence Science794214-gage ، 6 في نهاية حادة ،   ؛ لحقن الصبغة بعمق في الرمال.
الكاميرا الرقميةأيكاميرا رقمية مع حامل ثلاثي القوائم ثابت. (يمكن استخدام كاميرات الفاصل الزمني لجمع بيانات سريعة متباعدة بشكل متساو.) استخدمنا كاميرا نيكون D7000.
المسطرةأيشفاف هو الأفضل.
شريط قياسأي
برنامج NetlogoCCLhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogoNetlogo Commons4259http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogoNetlogo Commons4258http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Huettel, M., Webster, I. T. Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. , Oxford University Press. New York. 144-179 (2001).
  2. Bencala, K. E., Walters, R. A.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Hyporheic FlowBedform SimulationDye ExperimentsNetLogo ModelingFlume ExperimentsSediment TransportPorewater FlowVirtual TracersFlow VisualizationComputer Simulation

Related Articles