Visualisierung wortlich Übermittlung über bedforms Mit Dye Experimente und Simulation

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Hypo-EIC-Strömung experimentell zu demonstrieren, wobei eine Modellierungssoftware verwendet wird, die eine Simulation erstellt, die stark mit dem physikalischen Experiment übereinstimmt. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselkonzepte auf dem Gebiet der Hydrologie zu demonstrieren, indem sie zeigt, wie die Strömung von Wasser durch Sedimente unter einem Bach durch Sedimente, Topographie und Oberflächenwassereigenschaften beeinflusst wird. Während diese Methode zur Untersuchung des Hyper-IC-Flusses verwendet werden kann, kann sie auch im Bildungslabor verwendet werden, um den Hyper-IC-Fluss für Schüler aller Niveaus zu demonstrieren.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie physikalische Laborexperimente mit interaktiver Computersoftware koppelt, die das gleiche Phänomen simuliert. Die visuelle Demonstration zeigt die räumlichen Ähnlichkeiten und Diskrepanzen zwischen den physikalischen Experimenten und den Simulationen, was die Entwicklung eines tieferen Verständnisses der Hyperprinzipien fördert. Beginnen Sie mit der Installation der erforderlichen Software, bei der es sich um ein net-Logo und zwei Skripte handelt, die in net ausgeführt werden sollen.

Logo, Mausablage und Benutzeroberfläche. Richten Sie anschließend gemäß den Anweisungen im Textprotokoll die Laborrinne so ein, dass alle Parameter innerhalb der Einschränkungen des Parameterbereichs der Mausabwurfsimulation liegen. Lassen Sie die Rinne 12 bis 24 Stunden lang laufen, um eine Beetform mit den gewünschten Eigenschaften zu erstellen.

Passen Sie die Neigung der Rinne und die Wassertiefe an, um eine gleichmäßige Strömung über die Bettform zu erzielen. Ziel ist es, dass sich die Sedimentkörner in Bettformen nicht zu bewegen scheinen, obwohl ein wenig Bewegung unvermeidlich sein kann. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Durchfluss gleichmäßig ist, während die Pumpe läuft.

Wählen Sie zwei Punkte am unteren Rand der Rinne aus und notieren Sie für jede Linie den Abstand zur Wasseroberfläche. Stellen Sie dann die Neigung der Rinne oder die Wassertiefe ein, bis diese vertikalen Abstandsmessungen gleich sind. Zweitens, stoppen Sie die Pumpe und warten Sie, bis sich das Wasser nicht mehr bewegt.

Messen Sie dann an den gleichen Stellen wie zuvor die Abstände vom Boden der Rinne bis zur Wasseroberfläche und messen Sie den Abstand zwischen diesen vertikalen Messungen. Berechnen Sie die Kanalneigung als Differenz zwischen diesen Messwerten dividiert durch den geneigten horizontalen Abstand zwischen ihnen. Starten Sie nun die Pumpe neu und wählen Sie eine Teststrecke aus.

Wählen Sie einen Ort in der Nähe des mittleren oder stromabwärts gelegenen Endes des Kanals, an dem die Dünen ein regelmäßiges Muster gebildet haben. Dieser Abschnitt muss mindestens eine Vollbettform umfassen. Im Testbereich.

Nehmen Sie einige Messungen mit einem transparenten Lineal vor. Bestimmen Sie zunächst die durchschnittliche Sedimenttiefe, indem Sie Messungen an einem Dünentrog und an einem Dünenkamm durchführen. Die Differenz zwischen diesen Maßen ist die Höhe des Bettes.

Ermitteln Sie als Nächstes die durchschnittliche Wassertiefe, d. h. den durchschnittlichen Abstand von der Wasseroberfläche zur Sandbettoberfläche. Messen und zeichnen Sie dann die durchschnittliche Wellenlänge des Bettes auf, indem Sie den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Dünenkämmen messen. Zeichnen Sie als Nächstes die Kanaldurchflussrate von einem Durchflussmesser in der Rezirkulationsschleife auf und berechnen Sie die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit.

Öffnen Sie nun die Mausabwurfsimulation und überprüfen Sie, ob alle diese Messungen innerhalb der in der Benutzeroberfläche angegebenen Bereiche liegen. Wenn ein gemessener Parameter außerhalb des Beschränkungsbereichs liegt, passen Sie den Parameterbereich an, indem Sie mit der rechten Maustaste auf den Schieberegler klicken und die Minimal- und Maximalwerte auswählen, bearbeiten und anpassen. Stellen Sie zunächst eine Kamera auf ein Stativ, das orthogonal zur Rinnenwand ausgerichtet ist.

Das Bild sollte auf eine einzelne Bettform in der Testsektion zentriert sein. Wenn Reflexionen ein Problem darstellen, korrigieren Sie die Position der Kamera und passen Sie die Beleuchtung an, wobei ein Lineal im Bild bei der Skalierung helfen kann. Machen Sie dann mit einer Spritze und einer Nadel zwei oder drei kleine Farbstoffinjektionen in der Nähe der Kanalwand.

Diese Injektionen sollten zwei Zentimeter große Flecken aus farbigem Gießwasser bilden, die an verschiedenen vertikalen und horizontalen Stellen platziert werden sollten. Notieren Sie die Startzeit der Färbeinjektionen und machen Sie ein erstes Foto. Es kann lehrreich sein, Transparentpapier zu verwenden, um die anfänglichen D-Fronten und die Grenzen um den Farbstoff herum nachzuzeichnen.

Daher ist es einfacher, ihre Bewegungen im Labor zu beobachten, aber diese Methode hat ihre Nachteile. Erfassen Sie mit der Kamera die Positionen der D-Fronten in den entsprechenden Zeitabständen. Verwenden Sie für Zeitrafferaufnahmen 32. Intervalle, um glatte Ergebnisse zu erzielen.

Für eine Simulation. Führen Sie zunächst Mouse Drop aus und vergleichen Sie die Ergebnisse mit dem beobachteten Farbstofftransport. Passen Sie die physikalischen Systemparameter an die experimentellen Bedingungen der Gerinne an.

Achten Sie bei der Eingabe dieser Parameter genau auf die Einheiten. Passen Sie als Nächstes die Schieberegler an, um anzuzeigen, zu welchen Zeiten sich die Farbe der Simulationsverfolgung ändert. Stellen Sie diese Farbänderungen so ein, dass sie den beobachteten Zeiten entsprechen.

Wenn alle Zeitparameter auf Null gesetzt sind, wird in der Simulation durchgehend eine einzige Farbe angezeigt. Nachdem Sie alle Parameter eingestellt haben, klicken Sie auf die Schaltfläche Setup. Die Bettform sollte in der Simulationsansicht angezeigt werden.

Klicken Sie anschließend mit der Maustaste, um die Startpositionen der virtuellen Tracer anzugeben. Es können mehrere Stellen im Bett angeklickt werden. Halten Sie die Maus gedrückt, um mehr virtuellen Tracer freizugeben.

Nachdem alle virtuellen Tracer platziert wurden, können Sie auf die Schaltfläche Zum nächsten Zeitpunkt vorspulen klicken, um die Simulation auszuführen. Klicken Sie bis zum ersten Mal nicht erneut auf die Setup-Schaltfläche, sonst müssen die Tracer erneut platziert werden. Sie können auch auf die Schaltfläche "Stopp" klicken, um die Simulation auszuführen.

Die Tracer bewegen sich so lange, bis alle virtuellen Tracer das System verlassen haben, es sei denn, Sie drücken die Go-Stop-Taste. Auch dies kann verwendet werden, um die Simulation zu pausieren, so dass Vergleiche zwischen den simulierten und gemessenen Farbstoffverteilungen angestellt werden können. Sobald die Simulation gestartet wird, wird die Geschwindigkeit für die Position der einzelnen Tracer berechnet.

Basierend auf den Simulationsparametern bewegt sich der Tracer mit dieser Geschwindigkeit an eine neue Position, dann wird der Vorgang wiederholt, bis der Tracer das System verlässt. Führen Sie als Nächstes die Schnittstellensimulation aus, indem Sie auf Setup und dann auf Go Stop klicken. Dadurch wird die Simulation mit den Standardeinstellungen ausgeführt.

Die Grenzflächensimulation führt die virtuellen Tracer auf der Oberfläche des Bachbetts flussgewichtet ein, basierend auf den berechneten Untergrundgeschwindigkeiten: Standardmäßig verlassen die Partikel ihre Pfade und zeigen, wo sie sich befunden haben. Deaktivieren Sie die Schaltfläche Pfade anzeigen, um diese Pfade zu entfernen. Wenn Sie den roten Drop-Schalter auf ein stellen, wird das Diagramm der kumulativen Verweilzeitverteilung deaktiviert und jedes Mal ein neues Partikel freigesetzt.

Einer verlässt das System. Nachdem Sie die Simulation mit den Standardparametern beobachtet haben, klicken Sie auf Stopp, um die Simulation zu stoppen. Ändern Sie dann einen oder mehrere Parameter, starten Sie die Simulation mit den neuen Parametern neu, indem Sie auf Setup klicken, gefolgt von Go Stop hier, wir haben die Höhe der Bettform angepasst, die Simulation ausgeführt und dann den Vorgang wiederholt, indem wir die Betttiefe angepasst haben, um die Simulation mit den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen.

Das Ausgangsfoto wurde verwendet, um die Platzierung des simulierten D-Tracers zum Zeitpunkt Null zu bestimmen. Dann wurde die Simulation 34,2 Minuten lang durchgeführt und mit einem Foto verglichen, das zu diesem Zeitpunkt aufgenommen wurde. Insgesamt hat das Modell einen hervorragenden Job gemacht.

Jeder D-Blob bewegt sich in die gleichen allgemeinen Richtungen wie das Modell und verformt sich ähnlich wie die simulierten D-Blobs. Bei genauerem Hinsehen zeigen sich jedoch einige Diskrepanzen. Zum Beispiel bildet der D-Blob auf der rechten Seite eher eine Bohnenform als die Simulation.

Dies ist wahrscheinlich auf die beobachtbare Vertiefung der Topographie der Bettungsform unmittelbar über diesem Klumpen zurückzuführen, die bei seiner Injektion in das Sediment entstand. Eine weitere häufige Diskrepanz ist das Timing, das ebenfalls nicht perfekt war. Dies ist wahrscheinlich auf geringfügige Fehler bei der Messung der Sedimenteigenschaften zurückzuführen.

Übliche Diskrepanzen entstehen aus einer Kombination von Messfehlern und physikalischen Effekten zweiter Ordnung aufgrund von unregelmäßiger Variabilität der Bettform, Geometrievariabilität und Sedimentpackung usw. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 24 Stunden durchgeführt werden. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, die Bettform stabilisieren zu lassen, geduldig zu sein und auf die Einheiten zu achten, während Sie Messungen vornehmen und eingeben.

Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Experimente durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zum Einfluss der Topographie, der hydraulischen Leitfähigkeit und der Eigenschaften des Oberflächenwassers auf die Hyperströmung zu beantworten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Hyperströmungen experimentell visualisiert und wie man unsere Computersimulationen einsetzt.