Visualización de Flujo hyporheic A través de formas de fondo Utilizando Experimentos Dye y Simulación

El objetivo general de este procedimiento es demostrar experimentalmente el flujo de hipo EIC utilizando un software de modelado que crea una simulación que concuerda fuertemente con el experimento físico. Este método puede ayudar a demostrar conceptos clave en el campo de la hidrología al mostrar cómo el flujo de agua a través de los sedimentos debajo de un arroyo está influenciado por las propiedades de los sedimentos, la topografía y el agua superficial. Si bien este método se puede usar para investigar el flujo de hiper IC, también se puede usar en el laboratorio educativo para demostrar el flujo de hiper IC a estudiantes de todos los niveles.

La principal ventaja de esta técnica es que combina experimentos físicos de laboratorio con un software informático interactivo que simula el mismo fenómeno. La demostración visual muestra las similitudes espaciales y las discrepancias entre los experimentos físicos y las simulaciones, lo que fomenta el desarrollo de una comprensión más profunda de los hiperprincipios. Comience con la instalación del software necesario, que es el logotipo de la red y dos scripts para ejecutar en la red.

Logotipo, caída del ratón e interfaz. A continuación, siguiendo las instrucciones del protocolo de texto, configure el canal de laboratorio para que todos los parámetros se encuentren dentro de las restricciones de rango de parámetros de la simulación de caída del mouse. Haga funcionar el canal durante 12 a 24 horas para crear una forma de cama con las características deseadas.

Ajuste la pendiente del canal y la profundidad del agua para lograr un flujo uniforme sobre la forma del lecho. El objetivo es que los granos de sedimento en las formas del lecho no parezcan estar moviéndose, aunque un poco de movimiento puede ser inevitable. Primero, haga que el flujo sea uniforme mientras la bomba está funcionando.

Seleccione dos puntos en la parte inferior del canal y registre la distancia a la superficie del agua para cada línea. A continuación, ajústelo a la pendiente del canal o a la profundidad del agua hasta que estas mediciones de distancia vertical sean las mismas. En segundo lugar, detenga la bomba y espere a que el agua deje de moverse.

Luego, en los mismos lugares que antes, mida las distancias desde el fondo del canal hasta la superficie del agua y mida la distancia entre estas mediciones verticales. Calcule la pendiente del canal como la diferencia entre estas mediciones dividida por la distancia horizontal inclinada entre ellas. Ahora, reinicie la bomba y seleccione una sección de prueba.

Elija una ubicación cerca del extremo medio o aguas abajo del canal donde las dunas hayan formado un patrón regular. Esta sección debe abarcar al menos un formulario de cama completa. En la sección de pruebas.

Haz algunas mediciones con una regla transparente. En primer lugar, determine la profundidad media de los sedimentos tomando medidas en una vaguada de dunas y en una cresta de dunas. La diferencia entre estas medidas es la altura del encofrado de la cama.

A continuación, encuentre la profundidad promedio del agua, que es la distancia promedio desde la superficie del agua hasta la superficie del lecho de arena. A continuación, mida y registre la longitud de onda media de la forma del lecho midiendo la distancia entre las crestas de las dunas sucesivas. A continuación, registre el caudal del canal de un caudalímetro en el circuito de recirculación y calcule la velocidad media del flujo.

Ahora, abra la simulación de caída del mouse y verifique que todas estas mediciones estén dentro de los rangos especificados en la interfaz de usuario. Si un parámetro medido queda fuera del rango de restricción, ajuste el rango de parámetros haciendo clic con el botón derecho en el control deslizante, seleccionando, editando y ajustando los valores mínimo y máximo. Primero, coloque una cámara en un trípode apuntando ortogonalmente a la pared del canal.

La imagen debe estar centrada en una sola forma de cama en la sección de prueba. Si los reflejos son un problema, fije la posición de la cámara y ajuste la iluminación, incluir una regla en la imagen puede ayudar con la escala. A continuación, con una jeringa y una aguja, haga dos o tres pequeñas inyecciones de tinte cerca de la pared del canal.

Estas inyecciones deben formar parches de dos centímetros de agua vertida de color que deben colocarse en una variedad de ubicaciones verticales y horizontales. Registre la hora de inicio de las inyecciones de tinte y tome una fotografía inicial. Puede ser educativo usar papel transparente para trazar los frentes D iniciales y los límites alrededor del tinte.

Por lo tanto, es más fácil observar sus movimientos en el laboratorio, pero este método tiene sus desventajas. Con la cámara, capture las posiciones de los frentes D en los intervalos de tiempo adecuados. Para la fotografía time-lapse, utilice intervalos de 32 para obtener resultados suaves.

Para una simulación. Primero ejecute la gota del ratón y compare los resultados con el transporte de tinte observado. En la caída del ratón, ajuste los parámetros físicos del sistema para que coincidan con las condiciones experimentales de los canales.

Asegúrese de prestar mucha atención a las unidades al ingresar estos parámetros. A continuación, ajuste los controles deslizantes para indicar a qué horas cambiará el color de seguimiento de la simulación. Establezca estos cambios de color para que coincidan con los tiempos observados.

Si todos los parámetros de tiempo se establecen en cero, la simulación mostrará un solo color en todo momento. Una vez configurados todos los parámetros, haga clic en el botón de configuración. El encofrado de cama debe aparecer en la vista de simulación.

A continuación, haga clic en el botón de soltar del ratón para indicar las ubicaciones de inicio de los rastreadores virtuales. Se puede hacer clic en varias ubicaciones de la cama. Mantenga presionado el mouse para liberar más rastreador virtual.

Una vez que se hayan colocado todos los trazadores virtuales, puede hacer clic en el botón avanzar a la próxima vez para ejecutar la simulación. Hasta el primer momento, no vuelva a hacer clic en el botón de configuración o los trazadores tendrán que volver a colocarse. También puede hacer clic en el botón de parada para ejecutar la simulación.

Los rastreadores seguirán moviéndose hasta que todos los rastreadores virtuales hayan abandonado el sistema, a menos que presione el botón de detenerse. Una vez más, esto se puede usar para pausar la simulación, de modo que se puedan hacer comparaciones entre las distribuciones de colorantes simuladas y medidas. Una vez que la simulación comienza a ejecutarse, se calcula la velocidad para la ubicación de cada trazador.

Según los parámetros de simulación, el trazador se desplaza a una nueva ubicación utilizando esa velocidad, y luego se repite el procedimiento hasta que el trazador abandona el sistema. A continuación, ejecute la simulación de interfaz haciendo clic en configuración seguido de ir a parar. Esto ejecutará la simulación con la configuración predeterminada.

La simulación de interfaz introduce los trazadores virtuales en la superficie del lecho del arroyo de una manera ponderada por flujo en función de las velocidades subsuperficiales calculadas por defecto las partículas dejan trayectorias que muestran dónde han estado. Desactive el botón Mostrar rutas para eliminar estas rutas. Al encender el interruptor de gota roja, se deshabilita el gráfico de distribución del tiempo de residencia acumulado y se libera una nueva partícula cada vez.

Uno sale del sistema. Después de observar la simulación con los parámetros predeterminados, haga clic en ir a detener para detener la simulación. Luego cambie uno o más parámetros, reinicie la simulación con los nuevos parámetros haciendo clic en configuración, seguido de ir a parar aquí, ajustamos la altura de la forma de la cama, ejecutamos la simulación y luego repetimos el proceso, ajustando la profundidad de la cama para comparar la simulación con los resultados experimentales.

La fotografía inicial se utilizó para determinar la ubicación del trazador D simulado en el tiempo cero. Luego, la simulación se ejecutó durante 34,2 minutos y se comparó con una fotografía tomada en ese momento. En general, el modelo hizo un excelente trabajo.

Cada blob D se mueve en las mismas direcciones generales que el modelo y se deforma de forma similar a los blobs D simulados. Sin embargo, una inspección cuidadosa muestra algunas discrepancias. Por ejemplo, la mancha D de la derecha tiene una forma más parecida a la de un frijol que la simulación.

Esto se debe probablemente al buzamiento observable en la topografía de la forma del lecho inmediatamente por encima de esta mancha, que se creó durante su inyección en el sedimento. Otra discrepancia común es el tiempo, que tampoco fue perfecto. Es probable que esto se deba a ligeros errores en las mediciones de las propiedades de los sedimentos.

Las discrepancias comunes se forman a partir de una combinación de errores de medición y efectos físicos de segundo orden debido a la variabilidad de la geometría irregular del lecho y al empaquetamiento de sedimentos, etc. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en 24 horas. Al intentar este procedimiento, es importante dejar que la forma de la cama se estabilice, ser paciente y prestar atención a las unidades mientras realiza e ingresa las mediciones.

Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros experimentos para responder preguntas adicionales sobre la influencia de la topografía, la conductividad hidráulica y las propiedades del agua superficial en el hiperflujo. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo visualizar el hiperflujo experimentalmente y cómo usar nuestras simulaciones por computadora.