Method Article

חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה

DOI:

10.3791/53285

⸱

November 18th, 2015

 ,  ,  , 
1Engineering and Physical Science, St. Ambrose University, 2Civil and Environmental Engineering, Northwestern University, 3Mathematics and Computer Science, Augustana College

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כתב יד זה מתאר כיצד ליצור צורות מיטה רגילות בזרם, לדמיין זרימה דרך צורות המיטה ולהשתמש בסימולציות מחשב כדי לדמות את הזרימה ההיפוראית. סימולציות המחשב משתוות היטב לתצפיות הניסיוניות. סימולציה וניסוי משולבים אלה מתאימים היטב למטרות מחקר וחינוכיות כאחד.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חילופי Advective בין החלל הנקבובית של משקעים ועמודת המים שמעל, שנקרא חילופי hyporheic בסביבות נהרות, כונני תחבורה מומסת בנהרות ותהליכים רבים biogeochemical חשובים. כדי לשפר את ההבנה של תהליכים אלה באמצעות הפגנה חזותית, יצרנו זרימת סימולציה hyporheic בפלטפורמת מידול מחשב רב סוכן NetLogo. הסימולציה מציגה נותב וירטואלי זורם דרך הנחל מכוסה בbedforms דו-ממדי. מאפייני משקעים, זרימה, וbedform משמשים כקלט משתנה למודל. אנו מדגימים כיצד סימולציות אלה תואמים תצפיות ניסיוניות מניסויי מעבדה מתעלים מבוססות על פרמטרים של קלט שנמדדו. צבע מוזרק לתוך המשקעים המתעלים לדמיין את זרימת porewater. לשם השוואה חלקיקים נותב וירטואליים ממוקמים באותם מקומות בסימולציה. ניסוי סימולציה ומעבדה בשילוב זה שמש בהצלחה בתואר הראשון וgraduaמעבדות te לדמיין ישירות אינטראקציות הנהר-porewater ולהראות כיצד זרימת סימולציות מבוססות פיזי יכולות להתרבות תופעות סביבתיות. תלמידים צלמו את המיטה דרך הקירות השקופים המתעלים והשוו אותם לצורות של הצבע באותו פעמים בסימולציה. זה הביא מגמות דומות מאוד, שאפשרו לתלמידים להבין טובים יותר הן את דפוסי הזרימה ומודל המתמטי. הסימולציות גם מאפשרות למשתמש לחזות במהירות את ההשפעה של כל פרמטר קלט על ידי הפעלת סימולציות מרובות. גם תהליך זה יכול להיות בשימוש ביישומי מחקר כדי להמחיש תהליכים בסיסיים, מתייחס נתיבי interfacial ותחבורה porewater, ולתמוך במודלים מבוססי תהליך כמותי.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כמהלכי מים עיליים בזרם, נהר, או אזור גאות ושפל הוא יוצר הדרגתיים ראש המניע את המים לתוך ומחוץ למשקעי 1. במערכות נהרות החלק ממשקעי הנחל שבו חילופי דברים מתרחש ידוע כ2,3 אזור hyporheic. אזור זה חשוב כי חומרים מזינים רבים ומזהמים מאוחסנים, הופקדו, או הפכו בתוך אזור hyporheic 4-9. כמות הזמן נותב מבלה במשקעים נקראת זמן מגורים. בשתי פעמים המגורים ואת מיקומם של מסלולי הזרימה משפיעים על תהליכי השינוי. יש צורך בהבנה משופרת של התהליכים המשפיעים על זרימה דרך המשקעים לחזות תחבורה מומסת בנהרות ולטפל בבעיות סביבתיות גדולות כתוצאה מהתפשטות של חומרים כגון חומרים מזינים (למשל, היפוקסיה החוף 10,11).....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. תוכנת סימולציה

  1. השתמש בתוכנה מתוארת בסעיף זה.
    1. להוריד ולהתקין את השפה החופשית / קוד פתוח רב סוכן הדוגמנות ופלטפורמת הדמיה, NetLogo (זמין: http://ccl.northwestern.edu/netlogo/, גרסה 5.1 או מאוחר יותר).
      הערה: תוכנה זו זמינה ללא עלות והוא פועל על כל מערכות ההפעלה העיקריות (Windows / Mac / לינוקס).
    2. הורד את שני קבצים ספציפיים תסריט סימולציה (mouse....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השימוש בסימולציה בשיתוף עם ניסויים מאפשר לתלמידים לבחון את הדמיון ושוני בין מודלים מתמטיים האידיאליים ומערכות אמיתיות מורכבות יותר. איור 4 מראה דוגמא השוואת צילומי הזרקת צבע עם סימולציות Mousedrop. התצלום הראשוני משמש כדי לקבוע את המיקום של נותב הצבע המדומה בזמן אפס, ולאחר מכן הסימולציה מנוהלת עבור 34.2 דקות ולעומת תמונה שצולמה באותו הזמן. בסך הכל המודל עושה עבודה מצוינת של לכידת התנועה של המים צבועים על מרווח זמן זה. בועת הצבע הראשונה, ממוקמת בצד המוגן ש.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בשיתוף, סימולציות הפגנה ומעקב חלקיקים המתעלות לספק מבוא מקיף לזרימת hyporheic עבור מגוון של קהלים. משתתפים של כל הרמות מסופקים ראיות חזותיות להתרחשות של חילופי hyporheic הנגרמת על ידי bedforms, וההשתנות החזקה בזרימה תת-קרקעית מתחת לנתיבים bedforms. נהלים אלה יכולים לשמש כהפגנה פשוטה של ​​זרימת porewater לסטודנטים לתואר ראשון או K-12 תלמידים, או שהוא יכול לשמש בקורסים לתואר שני בשיתוף עם מצגת מעמיקה יותר של הידראוליקה נהר, תחבורת משקעים, והמכניקה של חילופי hyporheic . ללא קשר לרמה,.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי מענקי הקרן הלאומית למדע EAR-0810270, EAR-1215898 ו-EAR-1344280, כמו גם מלגת מחקר לתארים מתקדמים של NSF.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
FlumeEngineering Laboratory Designמותאם אישיתעם דפנות ברורות למשך 24-48 שעות. לחלופין, ניתן לבנות צינור הוראה קטן בפחות מ-300 דולר בהתאם להנחיות המפורטות בחומרים המשלימים שלנו.
מד זרימהרוזמאונט 8800 מערבולת זה ממוקם בתוך לולאת המחזור של הצינור
חולאותנו. סיליקהF30חול בדרגת מחקר ליצירת שכבה בעומק 10-20 ס"מ בכל הצינור
דגימות צבע מחברותמסיס במים בדרגת מזון המיוצר לתמיסה מימית. צבעים כהים כמו אדום, כחול וירוק עובדים הכי טוב. (הימנע מצבעי מאכל בפרופילן גליקול.)
מזרקHSW4100.000V05-10 מ"ל, למשל HSW Norm-Ject מזרק חד פעמי 2 חלקים
Pipetting NeedleCadence Science794214-gage, 6-in selfnt end,  כדי להזריק את הצבע עמוק לתוך החול.
מצלמה דיגיטליתכלמצלמה דיגיטלית עם חצובה יציבה. (ניתן להשתמש במצלמות Time lapse כדי לאסוף נתונים מהירים במרווחים שווים.) השתמשנו במצלמת Nikon D7000.
סרגלכלשקוף הוא הטוב ביותר.
סרט מדידהכל
תוכנת NetlogoCCLhttp://ccl.northwestern.edu/netlogo/
Mousedrop.nlogoNetlogo Commons4259http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259
Interface.nlogoNetlogo Commons4258http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258
צינור מעבדה מזון צבע

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Huettel, M., Webster, I. T. Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. Bordeau, B. P., Jørgensen, B. B. , Oxford University Press. New York. 144-179 (2001).
  2. Bencala, K. E., Walters, R. A.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Hyporheic FlowBedform SimulationDye ExperimentsNetLogo ModelingFlume ExperimentsSediment TransportPorewater FlowVirtual TracersFlow VisualizationComputer Simulation

Related Articles