Visualisation hyporhéique Flow Through bedforms utilisant des expériences de colorant et Simulation

L'objectif général de cette procédure est de démontrer expérimentalement l'écoulement hypo EIC à l'aide d'un logiciel de modélisation qui crée une simulation correspondant fortement à l'expérience physique. Cette méthode peut aider à illustrer des concepts clés dans le domaine de l'hydrologie en montrant comment l'écoulement de l'eau à travers les sédiments sous un cours d'eau est influencé par les sédiments, la topographie et les propriétés de l'eau de surface. Bien que cette méthode puisse être utilisée pour étudier l'écoulement hyper EIC, elle peut également être employée dans un laboratoire pédagogique afin de démontrer l'écoulement hyper EIC aux étudiants de tous niveaux.

Le principal avantage de cette technique est qu'elle associe des expériences de laboratoire physiques à un logiciel informatique interactif qui simule le même phénomène. La démonstration visuelle met en évidence les similitudes et les différences spatiales entre les expériences physiques et les simulations, ce qui favorise le développement d'une compréhension approfondie des principes hyper. Commencez par installer le logiciel requis, à savoir NetLogo, ainsi que deux scripts à exécuter dans Net.

Logo, chute de souris et interface. Ensuite, en suivant les instructions du protocole écrit, configurez le canal expérimental de manière à ce que tous les paramètres se situent dans les limites définies par les contraintes des paramètres de simulation de la chute de souris. Faites fonctionner le canal pendant 12 à 24 heures afin de créer une forme de fond présentant les caractéristiques souhaitées.

Réglez la pente du canal et la profondeur de l'eau afin d'obtenir un écoulement uniforme sur la forme du lit. L'objectif est que les grains de sédiment dans les formes du lit ne semblent pas en mouvement, bien qu'un léger déplacement puisse être inévitable. Commencez par établir un écoulement uniforme pendant que la pompe est en marche.

Sélectionnez deux points situés au fond du canal et enregistrez la distance entre chaque point et la surface de l'eau. Ensuite, ajustez la pente du canal ou la profondeur de l'eau jusqu'à ce que ces mesures de distance verticale soient identiques. Deuxièmement, arrêtez la pompe et attendez que l'eau cesse de bouger.

Ensuite, aux mêmes emplacements qu'auparavant, mesurez les distances entre le fond du canal et la surface de l'eau, puis mesurez la distance horizontale entre ces relevés verticaux. Calculez la pente du canal comme étant la différence entre ces mesures divisée par la distance horizontale en pente qui les sépare. Maintenant, redémarrez la pompe et sélectionnez une section d'essai.

Choisissez un emplacement près du milieu ou de l'extrémité aval de la conduite où les dunes ont formé un motif régulier. Cette section doit englober au moins une forme de fond complète. Dans la section d'essai.

Effectuez plusieurs mesures à l’aide d’une règle transparente. Déterminez d’abord la profondeur moyenne du sédiment en prenant des mesures au creux d’une dune et au sommet d’une dune. La différence entre ces mesures correspond à la hauteur de la forme du lit.

Ensuite, déterminez la profondeur moyenne de l'eau, correspondant à la distance moyenne entre la surface de l'eau et la surface du lit de sable. Puis mesurez et enregistrez la longueur d'onde moyenne des formes du lit en mesurant la distance entre les crêtes successives des dunes. Ensuite, enregistrez le débit du canal à partir d'un débitmètre situé dans la boucle de recirculation et calculez la vitesse moyenne d'écoulement.

Ouvrez maintenant la simulation de chute de souris et vérifiez que toutes ces mesures se situent dans les plages spécifiées dans l'interface utilisateur. Si un paramètre mesuré se situe en dehors de la plage de contrainte, ajustez la plage du paramètre en cliquant avec le bouton droit sur le curseur, en sélectionnant « modifier » et en ajustant les valeurs minimale et maximale. Commencez par installer une caméra sur un trépied, orientée orthogonalement par rapport à la paroi du canal.

L'image doit être centrée sur une seule forme de lit dans la section d'essai. Si des reflets posent problème, fixez la position de la caméra et ajustez l'éclairage ; inclure une règle sur l'image peut aider à l'échelle. Ensuite, à l'aide d'une seringue et d'une aiguille, effectuez deux ou trois petites injections de colorant près de la paroi de la conduite.

Ces injections doivent former des zones de deux centimètres de large d'eau colorée, qui doivent être placées à divers emplacements verticaux et horizontaux. Enregistrez l'heure de début des injections de colorant et prenez une photo initiale. Il peut être instructif d'utiliser du papier transparent pour tracer les fronts initiaux de D et les limites entourant le colorant.

Ainsi, il est plus facile d'observer leurs déplacements en laboratoire, mais cette méthode présente des inconvénients. À l’aide de la caméra, enregistrez les positions des fronts de D aux intervalles de temps appropriés. Pour la photographie en accéléré, utilisez des intervalles de 1/32 pour des résultats fluides.

Pour une simulation. Exécutez d'abord la chute de souris et comparez les résultats avec le transport de colorant observé. Dans la chute de souris, ajustez les paramètres du système physique afin qu'ils correspondent aux conditions expérimentales des canaux.

Veillez à prêter une attention particulière aux unités lors de la saisie de ces paramètres. Ensuite, ajustez les curseurs pour indiquer les moments auxquels la couleur de suivi de la simulation changera. Réglez ces changements de couleur afin qu'ils correspondent aux temps observés.

Si les paramètres de temps sont tous réglés à zéro, la simulation affichera une couleur unique sur l'ensemble de la surface. Une fois tous les paramètres définis, cliquez sur le bouton de configuration. La forme du lit devrait apparaître dans la vue de la simulation.

Ensuite, cliquez sur le bouton de dépôt de la souris pour indiquer les positions initiales des traceurs virtuels. Vous pouvez cliquer sur plusieurs emplacements dans le lit. Maintenez le bouton de la souris enfoncé pour libérer davantage de traceur virtuel.

Une fois que tous les traceurs virtuels ont été placés, vous pouvez cliquer sur le bouton avancer au moment suivant pour exécuter la simulation. Jusqu'au temps un, ne recliquez pas sur le bouton de configuration, sinon les traceurs devront être replacés. Vous pouvez également cliquer sur le bouton démarrer arrêter pour exécuter la simulation.

Les traceurs continueront de bouger jusqu'à ce que tous les traceurs virtuels aient quitté le système, sauf si vous appuyez sur le bouton « go stop ». Là encore, cela peut être utilisé pour interrompre la simulation, afin de permettre des comparaisons entre les distributions simulées et mesurées du colorant. Une fois la simulation lancée, la vitesse est calculée pour l'emplacement de chaque traceur.

En fonction des paramètres de simulation, le traceur se déplace vers un nouvel emplacement en utilisant cette vitesse, puis la procédure est répétée jusqu'à ce que le traceur quitte le système. Ensuite, exécutez la simulation de l'interface en cliquant sur « setup », suivi de « go stop ». Cela lancera la simulation avec les paramètres par défaut.

La simulation de l'interface introduit les traceurs virtuels à la surface du lit de cours d'eau de manière pondérée par le flux, selon les vitesses sous-jacentes calculées. Par défaut, les particules laissent des trajectoires montrant les endroits qu'elles ont parcourus. Désactivez le bouton afficher les trajectoires pour supprimer ces chemins. Activer l'interrupteur de la goutte rouge désactive le tracé de la distribution cumulative du temps de séjour et libère une nouvelle particule à chaque fois.

On quitte le système. Après avoir observé la simulation avec les paramètres par défaut, cliquez sur « go stop » pour arrêter la simulation. Ensuite, modifiez un ou plusieurs paramètres, puis redémarrez la simulation avec les nouveaux paramètres en cliquant sur « setup », suivi de « go stop ». Ici, nous avons ajusté la hauteur de la forme du lit, exécuté la simulation, puis répété le processus en modifiant la profondeur du lit afin de comparer la simulation aux résultats expérimentaux.

La photographie initiale a été utilisée pour déterminer le positionnement du traceur D simulé au temps zéro. Ensuite, la simulation a été exécutée pendant 34,2 minutes et comparée à une photographie prise à ce moment-là. Dans l'ensemble, le modèle a très bien fonctionné.

Chaque blob D se déplace dans les mêmes directions générales que le modèle et se déforme de manière similaire aux blobs D simulés. Toutefois, un examen attentif révèle certaines différences. Par exemple, le blob D situé à droite forme davantage une forme de haricot par rapport à la simulation.

Cela est probablement dû à la dépression observable dans la topographie de la forme du lit juste au-dessus de ce blob, qui s'est formée lors de son injection dans le sédiment. Une autre divergence fréquente concerne le chronométrage, qui n'était pas non plus parfait. Cela est probablement dû à de légères erreurs dans les mesures des propriétés du sédiment.

Les écarts courants proviennent d'une combinaison d'erreurs de mesure et d'effets physiques du second ordre dus à la variabilité de la géométrie irrégulière des formes du lit et au tassement des sédiments, entre autres. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en 24 heures. Lors de l'exécution de cette procédure, il est important de laisser la forme du lit se stabiliser, de faire preuve de patience et de prêter attention aux unités lors de la prise et de la saisie des mesures.

Après avoir suivi cette procédure, d'autres expériences peuvent être réalisées afin de répondre à des questions supplémentaires concernant l'influence de la topographie, de la conductivité hydraulique et des propriétés de l'eau de surface sur l'écoulement hyper. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de visualiser expérimentalement l'écoulement hyper et de l'utilisation de nos simulations informatiques.