Suivi de particules Lagrangian basé sur l'image dans les expériences de charge de lit

L’objectif général de cette procédure est de mesurer les trajectoires de particules individuelles transportées par un écoulement en charge de fond sur une large zone d’observation afin d’éviter les biais expérimentaux liés à la longueur maximale des traces mesurables. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en mécanique du transport de charriage, car elle fournit des informations détaillées sur le mouvement et les événements de repos de la particule. Le principal avantage de cette technique est que les particules transportées peuvent être suivies sur de longues distances, ce qui permet d’observer de longs examens.

Nous avons d’abord eu l’idée de cette méthode en analysant des données d’expériences précédentes, lorsque nous nous sommes rendu compte que les particules peuvent être transportées sur de plus longues distances par rapport aux fenêtres d’observation. Tout d’abord, préparez un ensemble de plaques d’acier recouvertes d’une couche de particules de sédiments d’intérêt. Enduire la surface des sédiments d’une peinture noire résistante à l’eau.

Ensuite, placez les supports en PVC au fond du canal et posez les plaques sur les supports. Ajustez le placement des plaques au besoin pour vous assurer que le lit de sédiments est continu. Couvrez ensuite le canal avec des couvercles en acrylique transparent.

Réglez le canal sur la pente souhaitée. Ensuite, allumez la pompe à canal et remplissez le canal d’eau. Réglez le débit à l’aide de la vanne de régulation.

Réglez l’élévation de la tête de pression légèrement au-dessus des couvercles des canaux à l’aide du régulateur d’eau de queue. Assurez-vous que le flux est couvert sans exercer de force significative sur les couvercles. Vérifiez l’élévation du débit et de la pression toutes les 15 minutes jusqu’à ce que le changement entre les mesures soit faible, indiquant un débit stable.

Ensuite, montez un profileur de vitesse par ultrasons dans un support avec une inclinaison prédéterminée. Appliquez du gel à ultrasons sur l’extrémité de la sonde. Placez la sonde au-dessus du couvercle du canal avec la queue de la sonde vers l’entrée du canal.

Le bon placement du gel de sonde est crucial pour obtenir de bons profils de vitesse pour la caractérisation des conditions hydrodynamiques de fond. Connectez la sonde au module d’acquisition et configurez l’instrument pour des profils de vitesse instantanés. Acquérez le nombre souhaité de profils de vitesse.

Ensuite, inversez la position de la sonde et acquérez un autre ensemble de profils de vitesse. Obtenir des profils de vitesse de cette manière pour chaque point de mesure sur le canal. Ensuite, calculez la valeur de vitesse moyenne pour chaque emplacement et déterminez les composantes de vitesse dans le sens du cours d’eau et verticalement.

Ajustez les valeurs en fonction du milieu traversé par le faisceau acoustique. Identifiez une plage d’altitudes à laquelle le profil des composantes de vitesse du cours d’eau montre une tendance linéaire dans un graphique semi-logarithmique. Ajustez la courbe à une équation logarithmique et estimez la vitesse de cisaillement.

Pour commencer l’expérience, réglez la fréquence d’images et la résolution de deux caméras d’action sur les paramètres souhaités. Montez les caméras sur les parois latérales des couvercles faisant face au fond du canal suffisamment près les unes des autres pour que les zones se chevauchent. Assurez-vous que le canal est marqué par des points de référence visuels pour des distances connues.

Enregistrez une courte vidéo avec chaque caméra. En fonction des enregistrements, ajustez les positions et les orientations de la caméra pour vous assurer que le canal est dans le cadre et que les zones de mise au point se chevauchent. Vérifiez que le débit dans le canal est stable.

Ensuite, commencez à introduire lentement les particules d’intérêt à la main dans l’entrée du canal à raison d’une particule toutes les deux à trois secondes. Nous alimentons une petite quantité de sédiments, car il est important d’avoir peu de particules dans le champ de vision pour un suivi simple des sédiments. À de petites décharges, cependant, certaines particules peuvent être coincées dans la zone de mise au point.

Commencez à enregistrer avec les deux caméras vidéo. Éteignez les lumières de la pièce pour créer un marqueur pour la synchronisation ultérieure de la caméra. Maintenez un niveau de lumière constant tout au long de l’expérience.

Continuez à introduire des particules dans le canal pendant la durée d’expérience souhaitée. Ensuite, arrêtez les caméras et retirez les particules piégées du lit de sédiments. Répétez l’expérience dans d’autres conditions hydrodynamiques au besoin.

Pour commencer à traiter les images extraites des vidéos, appliquez d’abord une transformation radiale aux coordonnées des pixels afin que les côtés du canal apparaissent comme des lignes droites. Déterminez la conversion, le facteur de conversion des pixels en distance en fonction de l’élévation du lit et des marqueurs de référence pour les distances connues. Ensuite, créez une nouvelle séquence d’images dans le logiciel d’analyse d’images d’écoulement de fluides.

Renseignez l’intervalle de temps entre les images et le facteur de conversion pixel-distance pour la séquence d’images. Sélectionnez les fichiers qui vous intéressent et lancez le processus. Générez des cartes d’intensité à partir d’une sélection aléatoire d’images de particules de la séquence.

Identifier une valeur seuil appropriée pour l’intensité des particules d’intérêt. Ensuite, créez un pipeline de filtre pour la séquence. Réglez le filtre sur la suppression de l’arrière-plan.

Créez un nouvel algorithme d’identification de particules à l’aide d’un seuil unique. Remplissez les seuils d’intensité et de diamètre des particules. Ajoutez les processus d’identification des particules au pipeline de filtration, puis exécutez les processus.

Une fois le filtrage terminé, ouvrez la vue d’image de l’enregistrement de particules nouvellement créé. Faites défiler les cadres et notez les déplacements de particules entre les images. Ensuite, créez un pipeline d’analyse PTV.

Créez une nouvelle analyse et sélectionnez distance dans l’onglet Coûts de revient. Renseignez la position et les dimensions de la fenêtre de recherche. Ajoutez le nouveau processus au pipeline et exécutez-le.

Utilisez la reconnexion de piste pour corriger toute interruption dans les enregistrements de particules individuels. Répétez ce processus pour l’enregistrement de la deuxième caméra. Ensuite, dans un module de traitement d’image spécialisé, sélectionnez le fichier de piste pour les deux caméras et cliquez sur Rechercher les propriétés de la piste.

Comparez les images des caméras en amont et en aval pour déterminer le décalage de coordonnées entre les caméras. Renseignez le décalage des coordonnées de la caméra en aval et cliquez sur Uniformiser le système de référence. Remplissez les limites de la zone de chevauchement entre les images.

Supprimez toutes les trajectoires inférieures à la longueur de la zone de chevauchement. Fusionnez les bases de données de traces de particules et remplissez les tolérances de chevauchement. Ensuite, rejoignez les pistes.

Une fois le processus terminé, enregistrez les résultats, puis analysez les données de la piste pour étudier la cinématique des particules de charriage. Le profil de vitesse d’écoulement mesuré était asymétrique, ce qui a été attribué à une différence de rugosité entre le lit de sédiments et le couvercle du canal. Les caméras amont et aval montrent respectivement 37 et 34 pistes sur 100 secondes.

Après avoir joint les données des deux caméras, 59 pistes ont été identifiées au total. La trajectoire la plus longue s’étendait sur toute la fenêtre d’observation sur une longueur totale d’environ 1,6 mètre. Les traces ont été analysées pour identifier quand les particules étaient en mouvement ou au repos sur le lit de sédiments.

La grande zone d’observation a permis d’identifier les longs sauts, avec des sauts allant jusqu’à 600 millimètres observés dans ces conditions hydrodynamiques. Les sauts plus courts et plus rapides se produisent le plus fréquemment. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’effectuer des expériences de transport de sédiments ou de suivi de particules sur de grandes zones.

Pendant que vous essayez cette procédure, n’oubliez pas de vous assurer que l’éclairage de l’expérience est bon, même si les images peuvent être collectées de plusieurs façons, à partir d’images de haute qualité, simplifie une grande partie du travail suivant. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine du transport de sédiments pour explorer une variété d’indicateurs pour l’interprétation et la modélisation des processus.