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

L’objectif global de cette procédure est de démontrer expérimentalement l’écoulement hypo EIC à l’aide d’un logiciel de modélisation qui crée une simulation qui s’accorde fortement avec l’expérience physique. Cette méthode peut aider à démontrer 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 IC, elle peut également être utilisée dans un laboratoire éducatif pour démontrer l’écoulement hyper IC aux étudiants de tous niveaux.

Le principal avantage de cette technique est qu’elle associe des expériences physiques en laboratoire à des logiciels informatiques interactifs qui simulent le même phénomène. La démonstration visuelle montre les similitudes spatiales et les divergences entre les expériences physiques et les simulations, ce qui encourage le développement d’une compréhension plus profonde des hyper-principes. Commencez par installer le logiciel requis, qui est le logo net et deux scripts à exécuter dans net.

Logo, souris et interface. Ensuite, en suivant les instructions du protocole texte, configurez le canal de laboratoire de sorte que tous les paramètres tombent dans les contraintes de plage de paramètres de simulation de chute de souris. Faites fonctionner le canal pendant 12 à 24 heures pour créer une forme de lit avec les caractéristiques souhaitées.

Ajustez la pente du canal et la profondeur de l’eau pour obtenir un écoulement uniforme sur la forme du lit. L’objectif est que les grains de sédiments dans les formes de lit ne semblent pas bouger, bien qu’un peu de mouvement puisse être inévitable. Tout d’abord, uniformisez le débit pendant que la pompe fonctionne.

Sélectionnez deux points au bas du canal et notez la distance jusqu’à la surface de l’eau pour chaque ligne. Ajustez ensuite à la pente du canal ou à la profondeur de l’eau jusqu’à ce que ces mesures de distance verticale soient les mêmes. Deuxièmement, arrêtez la pompe et attendez que l’eau cesse de bouger.

Ensuite, aux mêmes endroits que précédemment, mesurez les distances entre le fond du canal et la surface de l’eau et mesurez la distance entre ces mesures verticales. Calculez la pente du canal en divisant la différence entre ces mesures par la distance horizontale inclinée entre elles. Maintenant, redémarrez la pompe et sélectionnez une section de test.

Choisissez un emplacement près de l’extrémité médiane ou aval du canal où les dunes ont formé un motif régulier. Cette section doit englober au moins une forme de lit double. Dans la section test.

Faites quelques mesures à l’aide d’une règle transparente. Tout d’abord, déterminez la profondeur moyenne des sédiments en prenant des mesures à un creux dunaire et à une crête dunaire. La différence entre ces mesures est la hauteur de la forme du lit.

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

Maintenant, ouvrez la simulation de chute de la souris et vérifiez que toutes ces mesures sont dans les plages spécifiées dans l’interface utilisateur. Si un paramètre mesuré se trouve en dehors de la plage de contraintes, ajustez la plage de paramètres en cliquant avec le bouton droit de la souris sur le curseur, en sélectionnant, modifiant et ajustant les valeurs minimale et maximale. Tout d’abord, installez une caméra sur un trépied pointé orthogonalement à la paroi du canal.

L’image doit être centrée sur une forme de lit unique dans la section de test. Si les reflets sont un problème, fixez la position de l’appareil photo et ajustez l’éclairage, y compris une règle dans l’image peut aider à la mise à l’échelle. Ensuite, à l’aide d’une seringue et d’une aiguille, faites deux ou trois petites injections de colorant près de la paroi du canal.

Ces injections doivent former des plaques de deux centimètres d’eau colorée qui doivent être placées à divers endroits verticaux et horizontaux. Enregistrez l’heure de début des injections de colorant et prenez une première photo. Il peut être instructif d’utiliser du papier transparent pour tracer les façades initiales en D et les limites autour de la teinture.

Ainsi, il est plus facile d’observer leurs mouvements en laboratoire, mais cette méthode a ses inconvénients. À l’aide de l’appareil photo, capturez les positions des fronts D aux intervalles de temps appropriés. Pour la photographie en accéléré, utilisez les intervalles 32 pour des résultats fluides.

Pour une simulation. Lancez d’abord la souris et comparez les résultats avec le transport de colorant observé. Dans le dépôt de la souris, ajustez les paramètres physiques du système pour qu’ils correspondent aux conditions expérimentales des canaux.

Assurez-vous de faire très attention aux unités lorsque vous entrez ces paramètres. Ensuite, ajustez les curseurs pour indiquer à quel moment la couleur du suivi de la simulation changera. Réglez ces changements de couleur pour qu’ils correspondent aux heures observées.

Si les paramètres temporels sont tous réglés sur zéro, la simulation affichera une seule couleur tout au long du processus. Une fois tous les paramètres définis, cliquez sur le bouton de configuration. Le formulaire de lit doit apparaître dans la vue de simulation.

Ensuite, cliquez sur le bouton de la souris pour indiquer les emplacements de départ des traceurs virtuels. Plusieurs emplacements dans le lit peuvent être cliqués. Maintenez la souris enfoncée pour libérer plus de traceur virtuel.

Une fois que tous les traceurs virtuels ont été placés, vous pouvez cliquer sur le bouton Passer à la prochaine fois pour exécuter la simulation. Jusqu’à la première heure, ne cliquez pas à nouveau sur le bouton de configuration ou les traceurs devront être placés à nouveau. Vous pouvez également cliquer sur le bouton d’arrêt pour exécuter la simulation.

Les traceurs continueront à bouger jusqu’à ce que tous les traceurs virtuels aient quitté le système, à moins que vous n’appuyiez sur le bouton d’arrêt. Là encore, cela peut être utilisé pour mettre la simulation en pause, afin que des comparaisons puissent être faites entre les distributions de colorant simulées et mesurées. Une fois que la simulation commence à s’exécuter, 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 d’interface en cliquant sur configurer puis sur aller arrêter. Cela exécutera la simulation avec les paramètres par défaut.

La simulation d’interface introduit les traceurs virtuels à la surface du lit du cours d’eau de manière pondérée en fonction des vitesses souterraines calculées : par défaut, les particules quittent leurs trajectoires, indiquant où elles ont été. Désactivez le bouton Afficher les chemins pour éliminer ces chemins. Le fait de mettre l’interrupteur de goutte rouge sur on désactive le graphique de distribution du temps de séjour cumulé et libère une nouvelle particule à chaque fois.

L’un d’eux sort du système. Après avoir observé la simulation avec les paramètres par défaut, cliquez sur Aller arrêter pour arrêter la simulation. Ensuite, modifiez un ou plusieurs paramètres, redémarrez la simulation avec les nouveaux paramètres en cliquant sur configurer, puis allez arrêter ici, nous avons ajusté la hauteur de la forme du lit, exécuté la simulation, puis répété le processus, en ajustant la profondeur du lit pour comparer la simulation aux résultats expérimentaux.

La photographie initiale a été utilisée pour déterminer l’emplacement du traceur D simulé au temps zéro. Ensuite, la simulation a duré 34,2 minutes et a été comparée à une photographie prise à ce moment-là. Dans l’ensemble, le modèle a fait un excellent travail.

Chaque objet B D se déplace dans les mêmes directions générales que le modèle et se déforme de la même manière que les objets B D simulés. Cependant, une inspection minutieuse révèle certaines divergences. Par exemple, la goutte D à droite a plus la forme d’un haricot que la simulation.

Cela est probablement dû au pendage observable dans la topographie de la forme du lit immédiatement au-dessus de cette tache, qui a été créée lors de son injection dans le sédiment. Un autre écart courant est le timing, qui n’était pas non plus parfait. Cela est probablement dû à de légères erreurs dans les mesures des propriétés des sédiments.

Les écarts courants sont formés à partir d’une combinaison d’erreurs de mesure et d’effets physiques de second ordre dus à l’irrégularité de la forme du lit, à la variabilité de la géométrie et à l’accumulation de sédiments, etc. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en 24 heures. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de laisser la forme du lit se stabiliser, d’être patient et de faire attention aux unités lors de la prise et de la saisie des mesures.

Après cette procédure, d’autres expériences peuvent être réalisées afin de répondre à des questions supplémentaires sur l’influence de la topographie, de la conductivité hydraulique et des propriétés de l’eau de surface sur l’hyperécoulement. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de visualiser l’hyper flux de manière expérimentale et de la façon d’utiliser nos simulations informatiques.