La medición cuantitativa de In situ Flujos de utilizar un aparato autónomo Velocimetry Subacuático (SCUVA)

El objetivo general del siguiente experimento es medir el movimiento del fluido inducido por cuerpos en movimiento o estacionarios en un entorno natural de campo. Esto se logra utilizando buceo autónomo (scuba), que es desplegado por un buzo dentro de los límites seguros de inmersión. Primero, el buzo identifica y nada hacia un objetivo.

Después de alinear el aparato con respecto al objetivo y posicionar el plano láser, el buzo ilumina y comienza la grabación de video para capturar campos de partículas consecutivos a lo largo del tiempo tras la finalización del buceo; a continuación, se descargan los videos y se procesan. Se obtienen los resultados del análisis, que muestran flujos en el entorno natural tras el transporte de fluidos por animales nadadores.

La principal ventaja de utilizar el equipo de buceo autónomo (scuba) frente a técnicas de medición de laboratorio como la imagen digital de partículas, la simetría FLOS o la DPIV, es que ahora se pueden medir movimientos del fluido en un entorno natural de campo. Y lo que esto permite es responder preguntas clave en los campos de la oceanografía y la biología relacionadas con el rendimiento natatorio de los animales, las interacciones entre depredadores y presas, y la ecología. Este método puede utilizarse para medir el flujo alrededor de animales nadadores, pulpos de coral o interacciones bentónicas.

También puede utilizarse para medir flujos alrededor de estructuras artificiales. La demostración visual de este método es fundamental, ya que las mediciones de campo son difíciles de aprender y requieren conocimientos sobre técnicas de medición y experiencia en buceo con equipo SCUBA nocturno. Para comenzar este procedimiento, obtenga una cinta de grabación en alta definición o HD.

Asegúrese de que todos los componentes del sistema S de buceo tengan suficiente carga de batería y funcionen correctamente. Prepare las carcasas del láser y de la cámara para su uso limpiando las ranuras y las juntas tóricas con una toalla o toallita limpia, aplique uniformemente la grasa para juntas tóricas proporcionada por el fabricante sobre las juntas y colóquelas nuevamente en las ranuras de las carcasas. Además, limpie las aberturas de las carcasas del láser y de la cámara para evitar la deformación de la lámina láser y marcas sobre el objetivo de la carcasa de la cámara.

A continuación, prepárese para una prueba de presión colocando tiras desechables de papel indicadoras de humedad dentro de las carcasas. Verifique las juntas tóricas colocando las carcasas vacías en un recipiente lleno de agua. Deben colocarse objetos pesados encima de las carcasas para sumergirlas.

Dado que las carcasas flotan cuando están vacías después de cinco a 10 minutos, retírelas del recipiente y séquelas con una toalla. Seque el exterior. Verifique si hay humedad dentro de las carcasas inspeccionando las tiras indicadoras de humedad.

Una vez que las carcasas superen la prueba de presión, coloque los componentes de buceo dentro de las carcasas. Sujete los focos de descarga de alta intensidad a la carcasa de la cámara. Asegúrese de que los focos estén orientados de manera que iluminen el área directamente delante de la cámara y del operador, pero sin interferir con el agarre de las asas ni con la operación de los controles de la cámara.

En un entorno con poca luz, se puede utilizar una hoja de papel sensible al calor para determinar la orientación del plano láser. Cuando el haz láser está correctamente alineado respecto a la lente óptica instalada en la carcasa del láser, la combinación de la lente y el láser creará un plano vertical de luz orientado perpendicularmente a la carcasa de la cámara. Utilizando accesorios de buceo y un brazo rígido o extensible, conecte la carcasa del láser con la carcasa de la cámara. Asegúrese de que las carcasas estén firmemente unidas y de que no puedan girar una respecto a la otra.

Es fundamental que la lámina láser permanezca orientada perpendicularmente al campo de visión de la cámara. Debido a las capacidades actuales de medición con equipo de buceo, las inmersiones solo pueden realizarse en lugares con poca luz o durante la noche para evitar interferencias de la luz natural con la luz láser. Por lo tanto, se recomienda esperar hasta el anochecer o más tarde antes de entrar al agua.

Encienda la carcasa de la cámara antes de entrar al agua. La carcasa de la cámara tiene un sensor electrónico de humedad incorporado que proporciona advertencias visuales en caso de presencia de humedad dentro de la carcasa. El sensor solo funciona cuando la carcasa de la cámara está encendida.

El siguiente paso consiste en entrar al agua e iniciar la instalación del equipo y del experimento según lo descrito en el protocolo escrito. Una vez que el equipo haya sido instalado, calibre el equipo de buceo grabando un objeto con dimensiones conocidas en la lámina láser. Después del buceo, se puede extraer una constante de calibración para convertir el tamaño del campo de visión de unidades de píxeles a centímetros al encontrar un objetivo.

Es necesario determinar las propiedades del flujo masivo ambiental. Si está presente, la dirección de la corriente dictará la posición del aparato y del buzo con respecto al objetivo. Durante las mediciones, se puede inferir la dirección del flujo masivo que rodea al objetivo observando las burbujas exhaladas por el buzo y anotando su movimiento lateral.

También se puede liberar una pequeña cantidad de colorante fluorescente para determinar la dirección de la corriente. Dado que el flujo generado por el buzo puede ser una fuente de error en la medición de DPIV, el buzo no debe ubicarse aguas arriba de la posición objetivo. La lámina de láser debe ser paralela a la dirección de la corriente para maximizar el tiempo de permanencia de las partículas dentro de la lámina de láser, minimizando así los errores de DPIV.

Luego, coloque el S-SCUBA para iluminar y registrar los movimientos del fluido alrededor de un objetivo. Comience a grabar cuando el objetivo se mueva a través del campo de visión de la cámara; evite movimientos rotacionales y fuera del plano durante la grabación del video. Después de apagar todos los componentes del S-SCUBA y devolver el brazo láser a su posición retraída, retire el S-SCUBA del agua y desmonte las carcasas de la cámara y del láser del brazo.

Lave o sumerja el aparato en agua fresca antes de secarlo para prevenir la oxidación del equipo. Una vez secas las carcasas, retire los componentes de las mismas, recargue y sustituya las baterías si es necesario. Para otro buceo, conecte la cámara de video a una computadora y extraiga el video del casete HD utilizando un paquete de software para video HD.

Después de la extracción del video, determine el rango del video que se convertirá en una serie de imágenes para el análisis DPIV. Asegúrese de que las relaciones de aspecto de píxeles y los tamaños de las imágenes extraídas coincidan con la configuración del video HD. Importe estas imágenes al programa de procesamiento A-D-P-I-V a partir de la calibración subacuática previa al buceo.

Introduzca la constante de calibración y seleccione los parámetros de captura de imagen, que solicita el paquete de software DPIV. Luego genere los campos de velocidad a partir de imágenes consecutivas de partículas. Dependiendo de la calidad y los tipos de mediciones, también se pueden aplicar pasos adicionales de postprocesamiento cuando la adquisición de imágenes se realiza correctamente.

Las imágenes de las partículas que rodean el objetivo deben ser nítidas y fáciles de distinguir, como se muestra en este campo de partículas in situ que rodea a Aurelia en combinación con el paquete de software A-D-P-I-V; aquí se revelan los campos de velocidad del flujo que rodea el objetivo. Los vectores amarillos en el campo de velocidad indican la magnitud y la dirección de la velocidad del flujo local. Si se recopila suficiente video para proporcionar una serie temporal de imágenes, también se puede determinar una serie temporal de campos de velocidad.

Una imagen inadecuada puede dar como resultado campos de partículas en cju poco definidos. Aquí se muestra un campo de partículas que rodea a missi. La flecha roja indica una región de alta reflectividad, lo que provoca la saturación de la imagen y dificulta distinguir entre las partículas y el objetivo.

Otro ejemplo de imagen incorrecta es evidente en este campo de partículas que rodea a los errores aquí; la flecha roja indica una región de estelas que se produce cuando la frecuencia de muestreo del caudal no es lo suficientemente alta. Tras dominar este procedimiento, las mediciones pueden completarse entre una y dos horas, dependiendo de la duración del buceo. Sin embargo, al emplear esta técnica de medición, es muy importante mantener una flotabilidad neutra adecuada y contar también con suficientes conocimientos sobre las condiciones locales de buceo antes de entrar al agua. No olvide que trabajar con láseres es extremadamente peligroso, por lo que siempre deben seguirse las precauciones adecuadas, como la alineación del láser, al trabajar con este procedimiento.

Tras seguir este procedimiento, se puede utilizar el postprocesamiento en MATLAB para responder preguntas adicionales, como el rendimiento energético y las tasas de flujo.