Seguimiento de partículas lagrangianas basadas en imágenes en experimentos de carga de la cama

El objetivo general de este procedimiento es medir las trayectorias de las partículas individuales transportadas por un flujo como carga de lecho en una gran área de observación para evitar sesgos experimentales relacionados con la longitud máxima de las pistas medibles. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en la mecánica de transporte de carga en cama, ya que proporciona información detallada sobre el movimiento de la partícula y los eventos de reposo. La principal ventaja de esta técnica es que las partículas transportadas pueden ser rastreadas a largas distancias, lo que permite observar exámenes largos.

La primera vez que tuvimos la idea de este método fue analizando datos de experimentos anteriores, cuando nos dimos cuenta de que las partículas pueden transportarse a distancias más largas con respecto a las ventanas de observación. Primero, prepare un conjunto de placas de acero cubiertas con una capa de las partículas de sedimento de interés. Cubra la superficie del sedimento con una pintura negra resistente al agua.

A continuación, coloque los soportes de PVC en la parte inferior del canal y coloque las placas sobre los soportes. Ajuste la ubicación de la placa según sea necesario para garantizar que el lecho de sedimentos sea continuo. A continuación, cubra el canal con tapas acrílicas transparentes.

Ajuste el canal a la pendiente deseada. A continuación, encienda la bomba de canal y llene el canal con agua. Ajuste el caudal mediante la válvula de regulación.

Ajuste la elevación de la cabeza de presión ligeramente por encima de las tapas del canal utilizando el regulador de agua de cola. Asegúrese de que el flujo esté cubierto sin ejercer una fuerza significativa sobre las tapas. Verifique el caudal y la elevación de la carga de presión cada 15 minutos hasta que el cambio entre mediciones sea pequeño, lo que indica un flujo estable.

A continuación, monte un perfilador de velocidad ultrasónico en un soporte con una inclinación predeterminada. Aplique gel de ultrasonido en la punta de la sonda. Coloque la sonda por encima de la tapa del canal con la cola de la sonda hacia la entrada del canal.

La colocación adecuada del gel de sondeo es crucial para obtener buenos perfiles de velocidad para la caracterización de las condiciones hidrodinámicas de fondo. Conecte la sonda al módulo de adquisición y configure el instrumento para perfiles de velocidad instantáneos. Adquiera el número deseado de perfiles de velocidad.

Luego, invierta la posición de la sonda y adquiera otro conjunto de perfiles de velocidad. Adquiera perfiles de velocidad de esta manera para cada lugar de medición en el canal. A continuación, calcule el valor de velocidad media para cada ubicación y determine los componentes de velocidad vertical y en función de la corriente.

Ajuste los valores correspondientes para el medio a través del cual viajó el haz acústico. Identifique un rango de elevaciones en el que el perfil del componente de velocidad de flujo muestra una tendencia lineal en una gráfica semilogarítmica. Ajuste la curva a una ecuación logarítmica y estime la velocidad de corte.

Para comenzar el experimento, establezca la velocidad de fotogramas y la resolución de dos cámaras de acción en los parámetros deseados. Monta las cámaras en las paredes laterales de las tapas que miran hacia la parte inferior del canal lo suficientemente juntas como para enfocar las áreas superpuestas. Asegúrese de que el canal esté marcado con puntos de referencia visuales para distancias conocidas.

Graba un video corto con cada cámara. En función de las grabaciones, ajuste las posiciones y orientaciones de la cámara para asegurarse de que el canal esté en el encuadre y que las áreas de enfoque se superpongan. Verifique que el flujo a través del canal sea estable.

Luego, comience a alimentar lentamente las partículas de interés a mano en la entrada del canal a una velocidad de una partícula cada dos o tres segundos. Alimentamos una pequeña cantidad de sedimentos porque tener pocas partículas en el campo de visión es importante para el seguimiento directo de los sedimentos. Sin embargo, con descargas pequeñas, alguna partícula puede quedar atascada en el área de enfoque.

Comience a grabar con ambas cámaras de video. Apague las luces de la habitación para crear un marcador para la sincronización posterior de la cámara. Mantenga un nivel de luz constante durante todo el experimento.

Continúe alimentando partículas en el canal durante la duración deseada del experimento. Luego, detenga las cámaras y retire las partículas atrapadas del lecho de sedimentos. Repita el experimento en otras condiciones hidrodinámicas según sea necesario.

Para comenzar a procesar las imágenes extraídas de los vídeos, primero aplique una transformación radial a las coordenadas de los píxeles para que los lados del canal aparezcan como líneas rectas. Determine la conversión, el factor de conversión de píxeles a distancia en función de la elevación del lecho y los marcadores de referencia para las distancias conocidas. A continuación, cree una nueva secuencia de imágenes en el software de análisis de imágenes de flujo de fluidos.

Rellene el intervalo de tiempo entre fotogramas y el factor de conversión de píxel a distancia para la secuencia de imágenes. Seleccione los archivos de interés y ejecute el proceso. Genere mapas de intensidad de una selección aleatoria de imágenes de partículas de la secuencia.

Identifique un valor umbral apropiado para la intensidad de las partículas de interés. A continuación, cree una canalización de filtro para la secuencia. Establezca el filtro en Eliminación de fondo.

Cree un nuevo algoritmo de identificación de partículas utilizando un único umbral. Rellene los umbrales de intensidad y diámetro de las partículas. Agregue los procesos de identificación de partículas a la canalización de filtros y, a continuación, ejecute los procesos.

Una vez finalizado el filtrado, abra la vista de imagen del registro de partículas recién creado. Desplácese por los fotogramas y observe los desplazamientos de partículas entre las imágenes. A continuación, cree una nueva canalización de análisis de PTV.

Cree un nuevo análisis y seleccione la distancia en la pestaña Cálculo de costes. Rellene la posición y las dimensiones de la ventana de búsqueda. Agregue el nuevo proceso a la canalización y ejecute el proceso.

Utilice la reconexión de pistas para corregir cualquier interrupción en los registros de partículas individuales. Repita este proceso para la segunda grabación de la cámara. A continuación, en un módulo especializado en procesamiento de imágenes, seleccione el archivo de pista para ambas cámaras y haga clic en buscar propiedades de pista.

Compare las imágenes de las cámaras ascendentes y descendentes para determinar el cambio de coordenadas entre las cámaras. Rellene el desplazamiento de coordenadas de la cámara posterior y haga clic en uniformar el sistema de referencia. Rellene los límites del área de superposición entre las imágenes.

Elimine todas las trayectorias más pequeñas que la longitud del área superpuesta. Fusione las bases de datos de pistas de partículas y rellene las tolerancias de superposición. Luego, únete a las vías.

Una vez completado el proceso, guarde los resultados y, a continuación, analice los datos de la pista para investigar la cinemática de las partículas de carga del lecho. El perfil de velocidad de flujo medido fue asimétrico, lo que se atribuyó a una diferencia de rugosidad entre el lecho de sedimento y la tapa del canal. Las cámaras ascendentes y descendentes muestran 37 y 34 pistas, respectivamente, durante 100 segundos.

Después de unir los datos de ambas cámaras, se identificaron 59 pistas en total. La pista más larga abarcó toda la ventana de observación con una longitud total de aproximadamente 1,6 metros. Las huellas se analizaron para identificar cuándo las partículas estaban en movimiento o en reposo en el lecho de sedimentos.

La gran área de observación permitió identificar lúpulos largos, observándose lúpulos de hasta 600 milímetros en estas condiciones hidrodinámicas. Se encontró que los lúpulos más cortos y rápidos ocurren con mayor frecuencia. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo realizar experimentos de transporte de sedimentos de seguimiento de partículas en grandes áreas.

Mientras intenta este procedimiento, recuerde asegurarse de que la iluminación del experimento sea buena, aunque las imágenes se puedan recopilar de muchas maneras, empezando por imágenes de alta calidad, simplifica gran parte del trabajo siguiente. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo del transportador de sedimentos exploraran una variedad de indicadores para la interpretación y el modelado de procesos.