قياس الكمي في الموقع التدفقات باستخدام جهاز قائم بذاته Velocimetry تحت الماء (SCUVA)

الهدف العام من التجربة التالية هو قياس حركة السوائل الناجمة عن أجسام متحركة أو ثابتة في بيئة ميدانية طبيعية. ويتم تحقيق ذلك باستخدام معدات الغوص (scuba)، التي يتم نشرها بواسطة غواص ضمن حدود الغوص الآمنة. أولاً، يحدد الغواص الهدف ويسبح باتجاهه.

بعد محاذاة الجهاز بالنسبة للهدف وتحديد موضع الشريحة الليزرية، يقوم الغواص بالإضاءة وبدء تسجيل الفيديو لالتقاط حقول الجسيمات المتتالية عبر الزمن بعد اكتمال الغوص، وذلك لاستخراج حقول السرعة المحيطة بالهدف، ثم يتم تنزيل مقاطع الفيديو ومعالجتها. ويتم الحصول على نتائج التحليل، والتي توضح التدفقات في بيئة المجال الطبيعية بعد نقل السوائل بواسطة الحيوانات السابحة.

تكمن الميزة الرئيسية لاستخدام الغوص (scuba) مقارنة بتقنيات القياس المختبرية مثل تصوير الجسيمات الرقمي، أو تناظر FLOS، أو DPIV، في إمكانية قياس حركات السوائل الآن في بيئة ميدانية طبيعية. وهذا يتيح لنا الإجابة على أسئلة جوهرية في مجالات علوم المحيطات والأحياء تتعلق بأداء السباحة لدى الحيوانات، والتفاعلات بين المفترس والفريسة، وعلم البيئة. ويمكن استخدام هذه الطريقة لقياس التدفق حول الحيوانات السابحة أو البوليبات المرجانية أو التفاعلات القاعية.

يمكن استخدامه أيضاً لقياس التدفقات حول الهياكل التي صنعها الإنسان. ويعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية نظراً لصعوبة تعلم القياسات الميدانية، والتي تتطلب معرفة بتقنيات القياس وإجادة الغوص باستخدام معدات السكوبا ليلاً. لبدء هذا الإجراء، أحضر شريط تسجيل عالي الدقة أو HD.

تأكد من أن جميع مكونات جهاز S scuba مشحونة بكهرباء كافية وتعمل بشكل صحيح. جهز أغلفة الليزر والكاميرا للاستخدام من خلال تنظيف مجاري الحلقات المانعة للتسرب (O-rings) والحلقات نفسها باستخدام منشفة نظيفة أو منديل، ثم وزع شحم الحلقات المانعة للتسرب الموفر من قبل الشركة المصنعة بالتساوي على الحلقات وأعد تركيبها في مجاري الغلاف. بالإضافة إلى ذلك، قم بتنظيف فتحات أغلفة الليزر والكاميرا لمنع تشوه شريحة الليزر وظهور علامات على عدسة غلاف الكاميرا.

بعد ذلك، استعد لإجراء اختبار الضغط بوضع شرائط ورقية مخصصة لقياس الرطوبة داخل الأغلفة. تحقق من سدادات الحلقات الدائرية (O-rings) عن طريق وضع الأغلفة الفارغة في حوض مليء بالماء. يجب وضع أجسام ثقيلة فوق الأغلفة لضمان غمرها بالكامل.

بما أن الأغلفة تطفو عندما تكون فارغة بعد مرور 5 إلى 10 دقائق، قم بإخراج الأغلفة من الحوض وتجفيفها بالمنشفة. جفف الجزء الخارجي، ثم تحقق من وجود أي رطوبة داخل الأغلفة من خلال فحص شرائط قياس الرطوبة.

بمجرد اجتياز الأغلفة لاختبار الضغط، ضع مكونات الغوص داخل الأغلفة. قم بتثبيت وحدات إضاءة التفريغ عالية الكثافة بغلاف الكاميرا. تأكد من توجيه الأضواء بطريقة تضمن إضاءة المنطقة التي تقع مباشرة أمام الكاميرا والمشغل، دون أن تعيق الإمساك بالمقابض أو تشغيل عناصر تحكم الكاميرا.

في بيئة ذات إضاءة منخفضة، يمكن استخدام ورقة حساسة للحرارة لتحديد اتجاه صفيحة الليزر. عندما يتم محاذاة شعاع الليزر بشكل صحيح بالنسبة للعدسة البصرية المثبتة في غلاف الليزر، سيقوم مزيج عدسة الليزر بتكوين صفيحة ضوء عمودية موجهة بشكل متعامد مع غلاف الكاميرا. باستخدام ملحقات الغوص والذراع الصلبة أو القابلة للتمديد، قم بتوصيل غلاف الليزر وغلاف الكاميرا ببعضهما البعض. تأكد من أن الأغلفة مثبتة بإحكام ومن أنها لا يمكن أن تدور بالنسبة لبعضها البعض.

من الضروري أن تظل ورقة الليزر موجهة بشكل عمودي على مجال رؤية الكاميرا. ونظرًا للإمكانيات الحالية لقياسات الغوص، لا يمكن إجراء عمليات الغوص إلا في المواقع ذات الإضاءة المنخفضة أو في وقت الليل لمنع تداخل الضوء الطبيعي مع ضوء الليزر. لذلك، يُوصى بأن يكون الوقت وقت الغسق أو بعد ذلك قبل دخول الماء.

قم بتشغيل غلاف الكاميرا قبل الدخول إلى الماء. يحتوي غلاف الكاميرا على مستشعر رطوبة إلكتروني مدمج يوفر تحذيرات مرئية في حالة وجود رطوبة داخل غلاف الكاميرا. ولا يعمل المستشعر إلا عندما يكون غلاف الكاميرا قيد التشغيل.

تتمثل الخطوة التالية في النزول إلى الماء والبدء في إعداد المعدات والتجربة كما هو موضح في البروتوكول المكتوب. وبمجرد الانتهاء من إعداد المعدات، يتم معايرة نظام scuba عن طريق تسجيل جسم ذو أبعاد معروفة في ورقة الليزر. وبعد انتهاء الغوص، يمكن استخراج ثابت معايرة لتحويل حجم مجال الرؤية من وحدات البكسل إلى سنتيمترات عند العثور على الهدف.

يجب تحديد خصائص التدفق الكتلي البيئي. وفي حال وجود تيار مائي، فإن اتجاهه سيحدد وضعية الجهاز والغواص بالنسبة للهدف. وأثناء القياسات، يمكن استنتاج اتجاه التدفق الكتلي المحيط بالهدف من خلال مراقبة الفقاعات الخارجة من الغواص وملاحظة حركتها الجانبية.

يمكن أيضاً إطلاق كمية صغيرة من الصبغة الفلورية لتحديد اتجاه التيار الحالي. وبما أن التدفق الناتج عن الغواص قد يكون مصدراً لخطأ في قياسات الـ DPIV، فيجب ألا يتواجد الغواص في اتجاه عكس التيار بالنسبة للموقع المستهدف. يتم توجيه ورقة الليزر بشكل موازٍ لاتجاه التيار لزيادة وقت بقاء الجزيئات داخل ورقة الليزر إلى أقصى حد، وبالتالي تقليل أخطاء الـ DPIV.

ثم قم بوضع S scuba لإضاءة وتسجيل حركات السوائل المحيطة بالهدف. ابدأ التسجيل عندما يتحرك الهدف عبر مجال رؤية الكاميرا، وتجنب الحركات الدورانية أو الحركات خارج المستوى أثناء تسجيل الفيديو. بعد إيقاف تشغيل جميع مكونات scuba وإعادة ذراع الليزر إلى وضعه المتراجع، قم بإزالة scuba من الماء، وفك أغلفة الكاميرا والليزر من الذراع.

اشطف الجهاز أو انقعه في ماء عذب قبل التجفيف لمنع صدأ الجهاز. بعد تجفيف الأغلفة، أخرج المكونات من الأغلفة، وأعد شحن البطاريات واستبدلها إذا لزم الأمر. وللقيام بغوصة أخرى، قم بتوصيل كاميرا الفيديو بجهاز الكمبيوتر واستخرج الفيديو من شريط HD باستخدام حزمة برمجيات فيديو HD.

بعد استخراج الفيديو، حدد النطاق الزمني للفيديو الذي سيتم تحويله إلى سلسلة من الصور لتحليل DPIV. تأكد من أن نسب العرض إلى الارتفاع للبكسل وأحجام الصور المستخرجة تتطابق مع إعدادات فيديو HD. قم باستيراد هذه الصور إلى برنامج معالجة A-D-P-I-V من معايرة الغوص ببدلة السكوبا التي تمت قبل الغوص.

أدخل ثابت المعايرة وحدد معاملات التقاط الصور، والتي يطلبها برنامج DPIV. ثم قم بإنشاء حقول السرعة من صور الجسيمات المتتالية. كما يمكن تطبيق خطوات معالجة لاحقة إضافية، بناءً على جودة وأنواع القياسات، وذلك عند تنفيذ التصوير بشكل صحيح.

يجب أن تكون صور الجسيمات المحيطة بالهدف حادة وسهلة التمييز كما هو موضح في مجال الجسيمات الموضعي المحيط بـ aurelia بالتزامن مع حزمة برمجيات المعالجة A-D-P-I-V، حيث تظهر هنا مجالات السرعة للتدفق المحيط بالهدف. وتشير المتجهات الصفراء في مجال السرعة إلى مقدار واتجاه سرعة التدفق المحلية. وفي حال جمع مقاطع فيديو كافية لتوفير سلسلة زمنية من الصور، يمكن أيضاً تحديد سلسلة زمنية لمجالات السرعة.

يمكن أن يؤدي التصوير غير الصحيح إلى عدم وضوح مجالات الجسيمات في cju. يظهر هنا مجال جسيمات يحيط بـ missi. يشير السهم الأحمر إلى منطقة ذات انعكاسية عالية، مما يؤدي إلى تشبع الصورة، وهو ما يجعل من الصعب التمييز بين الجسيمات والهدف.

يظهر مثال آخر على التصوير غير الصحيح في مجال الجسيمات هذا، حيث يشير السهم الأحمر إلى منطقة من التخطيط التي تنتج عندما لا يتم أخذ عينات من معدل التدفق بتردد عالٍ بما يكفي. عند إتقان هذا الإجراء، يمكن إكمال القياسات في غضون ساعة إلى ساعتين، اعتماداً على مدة الغطس أثناء تنفيذ تقنية القياس هذه، ومع ذلك، فمن المهم جداً الحفاظ على التوازن المتعادل الصحيح وأيضاً امتلاك معرفة كافية بظروف الغوص المحلية قبل دخول الماء. لا تنسَ أن العمل باستخدام الليزر خطر للغاية، لذا يجب دائماً اتباع الاحتياطات المناسبة، مثل محاذاة الليزر عند العمل بهذا الإجراء.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن استخدام المعالجة اللاحقة في برنامج MATLAB للإجابة على أسئلة إضافية مثل أداء الطاقة ومعدلات التدفق.