Quantitativen Messung In situ Flows mit einem Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, die durch bewegte oder stationäre Körper in einer natürlichen Feldumgebung hervorgerufene Fluidbewegung zu messen. Dies wird mithilfe von Tauchausrüstung (scuba) erreicht, die von einem Taucher innerhalb sicherer Tauchgrenzen eingesetzt wird. Zunächst identifiziert der Taucher ein Ziel und schwimmt dorthin.

Nachdem die Apparatur relativ zum Ziel ausgerichtet und die Laserlichtscheibe positioniert wurde, beleuchtet der Taucher das Untersuchungsgebiet und beginnt mit der Videoaufnahme, um aufeinanderfolgende Partikelfelder im Zeitverlauf nach Abschluss des Tauchgangs zu erfassen. Um Geschwindigkeitsfelder im Bereich eines Ziels zu erhalten, werden die Videos heruntergeladen und verarbeitet. Die Ergebnisse der Analyse zeigen Strömungen in natürlicher Feldumgebung nach Fluidtransport durch schwimmende Tiere.

Der Hauptvorteil der Verwendung von Scuba gegenüber laborbasierten Messverfahren wie digitaler Partikelbildverfahren, FLOS-Symmetrie oder DPIV besteht darin, dass nun Strömungsbewegungen in natürlichen Feldumgebungen gemessen werden können. Dies ermöglicht es uns, zentrale Fragen in den Bereichen Ozeanographie und Biologie bezüglich der Schwimmleistung von Tieren, der Interaktionen zwischen Räuber und Beute sowie ökologischer Zusammenhänge zu beantworten. Diese Methode kann verwendet werden, um Strömungen um schwimmende Tiere, Korallenpolypen oder benthische Wechselwirkungen zu messen.

Es kann auch zur Messung von Strömungen um künstliche Strukturen verwendet werden. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Feldmessungen schwer zu erlernen sind und Kenntnisse in Messtechniken sowie Erfahrung im Nachttauchen mit Scuba-Ausrüstung erfordern. Um dieses Verfahren zu beginnen, besorgen Sie ein Aufnahmegerät für hochauflösende (HD) Aufnahmen.

Stellen Sie sicher, dass alle S-Scuba-Komponenten über ausreichende Batterieleistung verfügen und ordnungsgemäß funktionieren. Bereiten Sie die Laser- und Kameragehäuse für den Einsatz vor, indem Sie die O-Ring-Nuten und O-Ringe mit dem sauberen Tuch oder Wischtuch reinigen, den vom Hersteller bereitgestellten O-Ring-Fett gleichmäßig auf die O-Ringe auftragen und diese wieder in den Gehäusenuten einsetzen. Reinigen Sie außerdem die Öffnungen der Laser- und Kameragehäuse, um eine Verformung des Laserstrahls und Beschädigungen auf der Linse des Kameragehäuses zu vermeiden.

Bereiten Sie als Nächstes einen Drucktest vor, indem Sie Einweg-Papier-Feuchtigkeitsstreifen in die Gehäuse legen. Überprüfen Sie die O-Ring-Dichtungen, indem Sie die leeren Gehäuse in eine mit Wasser gefüllte Wanne stellen. Gewichtete Gegenstände sollten auf die Gehäuse gelegt werden, um sie zu untertauchen.

Da die Gehäuse nach fünf bis zehn Minuten, wenn sie leer sind, schwimmen, nehmen Sie sie aus der Wanne und trocknen Sie sie mit einem Handtuch ab. Trocknen Sie die Außenseite. Prüfen Sie durch Inspektion der Feuchtigkeitsstreifen, ob sich Feuchtigkeit in den Gehäusen befindet.

Nachdem die Gehäuse den Drucktest bestanden haben, bringen Sie die Tauchkomponenten in den Gehäusen an. Befestigen Sie die Hochleistungs-Entladungs-Lichtköpfe am Kameragehäuse. Achten Sie darauf, dass die Lichter so ausgerichtet sind, dass sie den Bereich direkt vor der Kamera und dem Bediener beleuchten, aber nicht die Handhabung der Griffe und die Bedienung der Kameraeinstellungen beeinträchtigen.

Unter Bedingungen mit geringer Beleuchtung kann ein temperatursensibles Blatt Papier verwendet werden, um die Ausrichtung des Laserstrahls zu bestimmen. Wenn der Laserstrahl korrekt zur in der Laserhalterung installierten optischen Linse ausgerichtet ist, erzeugt die Kombination aus Laser und Linse ein vertikales Lichtblatt, das senkrecht zur Kamera-Halterung ausgerichtet ist. Verbinden Sie mithilfe von Tauchzubehör und einem starren oder verlängerbaren Arm die Laserhalterung und die Kamera-Halterung miteinander. Stellen Sie sicher, dass die Gehäuse fest miteinander verbunden sind und sich nicht gegeneinander drehen können.

Es ist entscheidend, dass das Laserblatt senkrecht zur Sichtachse der Kamera ausgerichtet bleibt. Aufgrund der derzeitigen Möglichkeiten von scuba-Messungen können Tauchgänge nur an Orten mit geringer Beleuchtung oder nachts durchgeführt werden, um Störungen durch natürliches Licht bei der Laserbeleuchtung zu vermeiden. Daher wird empfohlen, erst bei Dämmerung oder später ins Wasser zu gehen.

Schalten Sie das Kameragehäuse ein, bevor Sie ins Wasser gehen. Das Kameragehäuse verfügt über einen integrierten elektronischen Feuchtigkeitssensor, der bei Feuchtigkeit im Inneren des Gehäuses visuelle Warnungen anzeigt. Der Sensor funktioniert nur, wenn das Kameragehäuse eingeschaltet ist.

Der nächste Schritt besteht darin, ins Wasser zu gehen und den Aufbau der Ausrüstung und des Experiments gemäß dem schriftlichen Protokoll durchzuführen. Sobald die Ausrüstung aufgebaut ist, kalibrieren Sie das Scuba-Gerät, indem Sie ein Objekt mit bekannten Abmessungen in der Laser-Ebene aufzeichnen. Nach dem Tauchgang kann eine Kalibrierkonstante ermittelt werden, um die Größe des Sichtfelds von Pixeln in Zentimeter umzuwandeln, sobald ein Ziel gefunden wurde.

Die strömungsmechanischen Eigenschaften der Umgebung müssen bestimmt werden. Falls vorhanden, bestimmt die Strömungsrichtung die Anordnung der Apparatur und die Positionierung des Tauchers relativ zum Zielobjekt. Während der Messungen kann die Richtung der umgebenden Hauptströmung beobachtet werden, indem die vom Taucher ausgeatmeten Blasen verfolgt und deren seitliche Bewegung registriert wird.

Eine kleine Menge fluoreszierenden Farbstoffs kann ebenfalls freigesetzt werden, um die Stromrichtung zu bestimmen. Da die vom Taucher erzeugte Strömung eine Fehlerquelle für DPIV-Messungen darstellen kann, sollte sich der Taucher nicht stromaufwärts der Zielposition befinden. Der Laserstrahl sollte parallel zur Stromrichtung verlaufen, um die Verweilzeit der Partikel innerhalb der Laserlichtebene zu maximieren und somit DPIV-Fehler zu minimieren.

Danach positionieren Sie das S-Scuba, um die Strömungsbewegungen um ein Zielobjekt herum zu beleuchten und aufzuzeichnen. Beginnen Sie mit der Aufnahme, während sich das Zielobjekt durch das Sichtfeld der Kamera bewegt, und vermeiden Sie Dreh- und Bewegungen aus der Ebene heraus während der Videografie. Nachdem alle Komponenten des Scuba ausgeschaltet und der Laserarm in seine eingefahrene Position zurückgebracht wurden, nehmen Sie das Scuba aus dem Wasser, und trennen Sie die Kamera- und Lasergehäuse vom Arm.

Spülen oder einweichen Sie die Ausrüstung in Frischwasser, bevor Sie sie trocknen, um ein Rosten der Ausrüstung zu verhindern. Nachdem die Gehäuse getrocknet sind, entfernen Sie die Komponenten aus den Gehäusen, laden Sie die Batterien auf und ersetzen Sie sie bei Bedarf. Für einen weiteren Tauchgang schließen Sie die Videokamera an einen Computer an und extrahieren Sie das Video von dem HD-Band mithilfe einer HD-Videosoftware.

Nach der Videoextraktion den Bereich des Videos festlegen, der in eine Reihe von Bildern für die DPIV-Analyse umgewandelt werden soll. Sicherstellen, dass die Pixel-Seitenverhältnisse und die Größen der extrahierten Bilder den Einstellungen des HD-Videos entsprechen. Diese Bilder aus der Tauchvorbereitungs-Kalibrierung mit dem A-D-P-I-V-Verarbeitungsprogramm importieren.

Geben Sie die Kalibrationskonstante ein, wählen Sie die Parameter für die Bildaufnahme aus, die von der DPIV-Software angefordert werden, und erzeugen Sie anschließend die Geschwindigkeitsfelder aus aufeinanderfolgenden Partikelbildern. Abhängig von der Qualität und den Arten der Messungen können zusätzliche Nachbearbeitungsschritte ebenfalls angewendet werden, sofern die Aufnahme korrekt durchgeführt wurde.

Die Partikelbilder um das Zielobjekt herum sollten scharf sein und sich leicht unterscheiden lassen, wie hier im in-situ-Partikelfeld um Aurelia dargestellt, in Kombination mit dem A-D-P-I-V-Softwarepaket werden die Geschwindigkeitsfelder der Strömung um das Zielobjekt sichtbar. Gelbe Vektoren im Geschwindigkeitsfeld zeigen Betrag und Richtung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit an. Wenn genügend Videoaufnahmen gesammelt werden, um eine Bildzeitreihe bereitzustellen, kann ebenfalls eine Zeitreihe von Geschwindigkeitsfeldern bestimmt werden.

Fehlerhafte Bildgebung kann zu unscharfen Partikelfeldern im cju führen. Gezeigt ist hier ein Partikelfeld, das missi umgibt. Der rote Pfeil zeigt einen Bereich hoher Reflektivität an, der zur Sättigung des Bildes führt und es erschwert, zwischen Partikeln und dem Zielobjekt zu unterscheiden.

Ein weiteres Beispiel für eine fehlerhafte Aufnahme ist in diesem Partikelfeld sichtbar, das so viele Fehlstellen aufweist. Hier zeigt der rote Pfeil einen Bereich mit Striae, der entsteht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit nicht mit ausreichend hoher Frequenz abgetastet wird. Nach Beherrschung dieses Verfahrens können die Messungen innerhalb von ein bis zwei Stunden abgeschlossen werden, abhängig von der Tauchdauer. Bei Anwendung dieser Messtechnik ist es jedoch äußerst wichtig, eine korrekte neutrale Auftriebslage beizubehalten und über ausreichende Kenntnisse der lokalen Tauchbedingungen zu verfügen, bevor man ins Wasser geht. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern äußerst gefährlich ist; daher sollten stets die erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen, wie beispielsweise die korrekte Justierung des Lasers, eingehalten werden, wenn dieses Verfahren angewendet wird.

Mit der nachfolgenden Prozedur kann eine MATLAB-Nachbearbeitung verwendet werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, beispielsweise zur energetischen Leistung und zu Durchflussraten.