Mesurer quantitativement In situ Flux aide d'un appareil autonome à la vélocimétrie subaquatique (SCUVA)

L'objectif général de l'expérience suivante est de mesurer le mouvement d'un fluide induit par des corps en mouvement ou immobiles dans un environnement naturel. Cela est réalisé à l'aide de la plongée sous-marine autonome, qui est mise en œuvre par un plongeur dans les limites sécuritaires de la plongée. Tout d'abord, le plongeur identifie une cible et nage vers celle-ci.

Après avoir aligné l'appareil par rapport à la cible et positionné le plan laser, le plongeur illumine la zone et commence l'enregistrement vidéo afin de capturer des champs de particules consécutifs dans le temps après la fin de la plongée. Afin d'obtenir des champs de vitesse entourant une cible, les vidéos sont téléchargées et traitées. Les résultats de l'analyse sont obtenus, montrant des écoulements dans l'environnement naturel après le transport de fluide par des animaux nageurs.

Le principal avantage de l'utilisation de la plongée sous-marine par rapport aux techniques de mesure en laboratoire telles que l'imagerie numérique de particules, la symétrie FLOS ou la VPI numérisée (DPIV), est qu'elle permet désormais de mesurer les mouvements des fluides dans un environnement naturel. Cela nous permet de répondre à des questions essentielles dans les domaines de l'océanographie et de la biologie, notamment liées aux performances de nage des animaux, aux interactions prédateur-proie et à l'écologie. Cette méthode peut être utilisée pour mesurer les écoulements autour d'animaux nageurs, de pulpes de corail ou d'interactions benthiques.

Il peut également être utilisé pour mesurer les écoulements autour de structures artificielles. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car les mesures sur le terrain sont difficiles à apprendre et exigent une connaissance des techniques de mesure ainsi qu'une aisance dans la plongée sous-marine de nuit. Pour commencer cette procédure, procurez-vous une cassette d'enregistrement haute définition ou HD.

Vérifiez que tous les composants du scaphandre S possèdent une charge suffisante de batterie et fonctionnent correctement. Préparez les boîtiers du laser et de la caméra en nettoyant les rainures des joints toriques et les joints eux-mêmes avec une serviette ou un chiffon propre, puis appliquez uniformément la graisse pour joints toriques fournie par le fabricant sur les joints, et remettez-les en place dans les rainures des boîtiers. En outre, nettoyez les ouvertures des boîtiers du laser et de la caméra afin d'éviter toute déformation du plan laser et toute trace sur l'objectif de la caméra.

Ensuite, préparez un test de pression en insérant des bandes absorbantes jetables dans les boîtiers. Vérifiez les joints toriques en plaçant les boîtiers vides dans un récipient rempli d'eau. Des objets lestés doivent être placés sur les boîtiers afin de les immerger complètement.

Étant donné que les boîtiers flottent lorsqu'ils sont vides après cinq à dix minutes, retirez-les du bac et essuyez-les avec une serviette. Séchez l'extérieur. Vérifiez s'il y a de l'humidité à l'intérieur des boîtiers en examinant les bandes d'humidité.

Une fois que les boîtiers ont passé le test de pression, placez les composants de plongée à l'intérieur des boîtiers. Fixez les projecteurs à décharge à haute intensité sur le boîtier de la caméra. Veillez à orienter les lumières de manière à éclairer la zone située directement devant la caméra et l'opérateur, sans toutefois gêner la prise en main des poignées ni la manipulation des commandes de la caméra.

Dans un environnement peu lumineux, une feuille de papier sensible à la température peut être utilisée pour déterminer l'orientation de la feuille laser. Lorsque le faisceau laser est correctement aligné par rapport à la lentille optique installée dans le boîtier laser, la combinaison lentille laser créera une feuille de lumière verticale orientée perpendiculairement au boîtier de l'appareil photo. À l'aide d'accessoires de plongée et d'un bras rigide ou télescopique, reliez le boîtier laser au boîtier de l'appareil photo. Assurez-vous que les boîtiers sont solidement fixés et qu'ils ne peuvent pas tourner l'un par rapport à l'autre.

Il est essentiel que le plan laser reste orienté perpendiculairement au champ de vision de la caméra. En raison des capacités actuelles des mesures sous-marines, les plongées ne peuvent être effectuées que dans des endroits peu éclairés ou de nuit, afin d'éviter toute interférence de la lumière naturelle avec la lumière laser. Par conséquent, il est recommandé d'attendre le crépuscule ou une heure ultérieure avant d'entrer dans l'eau.

Activez le boîtier de la caméra avant d'entrer dans l'eau. Le boîtier de la caméra est équipé d'un capteur électronique d'humidité intégré qui fournit des avertissements visuels en cas de présence d'humidité à l'intérieur du boîtier. Le capteur ne fonctionne que lorsque le boîtier de la caméra est allumé.

L'étape suivante consiste à entrer dans l'eau et à installer le matériel et l'expérience comme décrit dans le protocole écrit. Une fois le matériel installé, étalonner le scaphandre autonome en enregistrant un objet de dimensions connues dans le plan laser. Après la plongée, une constante d'étalonnage peut être extraite afin de convertir la taille du champ de vision d'unités de pixels en centimètres lorsqu'une cible est identifiée.

Les propriétés globales du flux environnemental doivent être déterminées. S'il est présent, le sens du courant déterminera le positionnement de l'appareil et du plongeur par rapport à la cible. Pendant les mesures, la direction du flux global entourant la cible peut être déduite en observant les bulles expulsées par le plongeur et en notant leur déplacement latéral.

Une petite quantité de colorant fluorescent peut également être libérée afin de déterminer le sens du courant. Étant donné que le flux généré par le plongeur peut constituer une source d'erreur de mesure en VPI, le plongeur ne doit pas se situer en amont de la position cible. Le plan laser doit être parallèle à la direction du courant afin de maximiser le temps de séjour des particules dans le plan laser, réduisant ainsi au minimum les erreurs de VPI.

Ensuite, positionnez le S-SCUBA pour éclairer et enregistrer les mouvements du fluide entourant une cible. Commencez l'enregistrement lorsque la cible traverse le champ de vision de la caméra, en évitant les mouvements de rotation et hors du plan pendant l'enregistrement vidéo. Après avoir éteint tous les composants du SCUBA et remis le bras laser en position rétractée, retirez le SCUBA de l'eau, puis détachez les boîtiers de la caméra et du laser du bras.

Rincez ou faites tremper l'appareil dans de l'eau fraîche avant de le sécher afin d'éviter la corrosion de l'appareil. Une fois les boîtiers séchés, retirez les composants des boîtiers, rechargez et remplacez les piles si nécessaire. Pour une autre plongée, connectez la caméra vidéo à un ordinateur et extrayez la vidéo de la cassette HD à l'aide d'un logiciel vidéo HD.

Après l'extraction de la vidéo, déterminez la plage de la vidéo à convertir en une série d'images pour l'analyse DPIV. Assurez-vous que les rapports d'aspect des pixels et les dimensions des images extraites correspondent aux paramètres vidéo HD. Importez ces images dans le programme de traitement A-D-P-I-V à partir de l'étalonnage sous-marin préalable à la plongée.

Saisissez la constante d'étalonnage et sélectionnez les paramètres de capture d'image, qui sont demandés par le logiciel DPIV. Ensuite, générez les champs de vitesse à partir d'images consécutives des particules. Des étapes supplémentaires de post-traitement, selon la qualité et les types de mesures, peuvent également être appliquées lorsque l'acquisition d'images est correctement réalisée.

Les images des particules entourant la cible doivent être nettes et faciles à distinguer, comme le montre ce champ de particules in situ entourant Aurelia en combinaison avec le logiciel de traitement A-D-P-I-V, qui révèle ici les champs de vitesse de l'écoulement entourant la cible. Les vecteurs jaunes dans le champ de vitesse indiquent l'amplitude et la direction de la vitesse d'écoulement locale. Si une vidéo suffisante est enregistrée pour fournir une série temporelle d'images, une série temporelle de champs de vitesse peut également être déterminée.

Un mauvais réglage de l'imagerie peut entraîner des champs de particules flous dans les voies urinaires. On observe ici un champ de particules entourant missi. La flèche rouge indique une région de forte réflectivité, ce qui provoque une saturation de l'image et rend difficile la distinction entre les particules et la cible.

Un autre exemple d'imagerie incorrecte est visible dans ce champ de particules entourant des trous ici ; la flèche rouge indique une zone de traînage qui se produit lorsque la fréquence d'échantillonnage du débit n'est pas suffisamment élevée. Une fois cette procédure maîtrisée, les mesures peuvent être effectuées en une à deux heures, selon la durée de la plongée. Toutefois, il est essentiel de maintenir une flottabilité neutre adéquate et de posséder une connaissance suffisante des conditions locales de plongée avant d'entrer dans l'eau. N'oubliez pas que le travail avec des lasers est extrêmement dangereux ; les précautions appropriées, telles que l'alignement du laser, doivent toujours être respectées lors de l'utilisation de cette procédure.

Après cette procédure, un post-traitement sous MATLAB peut être utilisé pour répondre à des questions supplémentaires, telles que la performance énergétique et les débits.