Name: תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: למד מעקב אחר חלקיקים בניסויי מיטה לטעון באמצעות ניתוח תמונה. שיטה זו מאפשרת מדידת מסלולים על פני שטח גדול ללא הטיה ניסיונית ומספקת מידע מפורט על תנועת החלקיקים ומנוחתם.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה על ידי הסוכנות למחקר, באמצעות תוכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי, תמיכה בהכשרה ופיתוח קריירה של חוקרים (מארי קורי - FP7-PEOPLE-2012-ITN), אשר מימנה את רשת ההדרכה הראשונית (ITN) HYTECH &quot;הידרודינמית תחבורה בממשקים הטרוגניים קריטיים מבחינה אקולוגית&quot; (מס &#39;316546). הוא נתמך גם על ידי פולו טריטוריאלית די לקו של הפוליטניקו די מילאנו. הניסויים בוצעו במהלך ביקור של ס&quot;ס בפוליטניקו די מילאנו כמדען אורח. המחברים מודים לטארסיסיו פאציני, סטפניה גרבי, פרנצ&#39;סקו מוטיני (תלמידי B.Sc בפוליטניקו די מילאנו) וסייד עבאס חוסייני-סאדבאדי (עמית בפרויקט הייטק ותלמיד דוקטורט בפוליטניקו די מילאנו) על תמיכתו פעילות ניסויית וניתוח הנתונים. המחברים מודים בהכרת תודה לפרופ &#39;רוג&#39;ר נוקס (אוניברסיטת קנטרברי, קרייסטצ&#39;רץ&#39;, ניו זילנד) על מתן ה- Sתוכנות treams ועצות מתמיד. לבסוף, המחברים מודים לעורך הניהול של JoVE ושלושה מבקרים אנונימיים על הערותיהם ומעוררי המחשבות שלהם, שבזכותם כתב היד יכול להשתפר בצורה משמעותית.

<ol><li>Francis, J. R. D. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/332/1591/443">Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream.</a> Proc Royal Soc London, A. 332, 443-471 (1973).</li>
<li>Drake, T. G., Shreve, R. L., Dietrich, W. E., Whiting, P. J., Leopold, L. B. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/bedload-transport-of-fine-gravel-observed-by-motion-picture-photography/7ABAD72E7D892760E5A11927365A0291">Bedload transport of fine gravel observed by motion-picture photography.</a> J Fluid Mech. 192, 193-217 (1988).</li>
<li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00221686.2015.1085920?journalCode=tjhr20">Particle motion and diffusion at weak bed load: accounting for unsteadiness effects of entrainment and disentrainment.</a> J Hydraul Res. 53 (5), 633-648 (2015).</li>
<li>Fathel, S. L., Furbish, D. J., Schmeeckle, M. W. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JF003552/full">Experimental evidence of statistical ensemble behavior in bed load sediment transport.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 120 (11), 2298-2317 (2015).</li>
<li>Lajeunesse, E., Malverti, L., Charru, F. <a target="_blank" href="http://www.ipgp.fr/~lajeunes/Site_IPGP/Publications_files/2010-JGR-Bedload.pdf">Bedload transport in turbulent flow at the grain scale: experiments and modeling.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 115, F04001(2010).</li>
<li>Tsakiris, A. G., Papanicolaou, A. N., Lauth, T. J. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00221686.2013.876454?journalCode=tjhr20">Signature of bedload particle transport mode in the acoustic signal of a geophone.</a> J Hydraul Res. 52 (2), 185-204 (2014).</li>
<li>Mendes, L., Antico, F., Sanches, P., Alegria, F., Aleixo, R., Ferreira, R. M. L. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/27/12/125305/meta">A particle counting system for calculation of bedload fluxes.</a> Meas Sci Technol. 27 (12), 125305(2016).</li>
<li>Heays, K. G., Friedrich, H., Melville, B. W., Nokes, R. <a target="_blank" href="http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000850">Quantifying the dynamic evolution of graded gravel beds using Particle Tracking Velocimetry.</a> J Hydraul Eng. 140 (7), 04014027(2014).</li>
<li>Radice, A., Malavasi, S., Ballio, F. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00348-006-0195-9">Solid transport measurements through image processing.</a> Exp Fluids. 41 (5), 721-734 (2006).</li>
<li>Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.2478/s11600-008-0015-0">Double-average characteristics of sediment motion in one-dimensional bed load.</a> Acta Geophys. 56 (3), 654-668 (2008).</li>
<li>Radice, A. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/245297738_Use_of_the_Lorenz_Curve_to_Quantify_Statistical_Nonuniformity_of_Sediment_Transport_Rate">Use of the Lorenz curve to quantify statistical nonuniformity of sediment transport rate.</a> J Hydraul Eng. 135 (4), 320-326 (2009).</li>
<li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2008WR007192/full">On statistical properties of bed load sediment concentration.</a> Water Resou. Res. 45 (6), W06501(2009).</li>
<li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.2478/s11600-010-0020-y">Statistics and characteristic scales for bed load in a channel flow with sidewall effects.</a> Acta Geophys. 58 (6), 1072-1093 (2010).</li>
<li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.2478/s11600-012-0028-6">Scale-based statistical analysis of sediment fluxes.</a> Acta Geophys. 60 (6), 1744-1777 (2012).</li>
<li>Radice, A., Nikora, V., Campagnol, J., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2012WR012255/pdf">Active interactions between turbulence and bed load: Conceptual picture and experimental evidence.</a> Water Resour Res. 49 (1), 90-99 (2013).</li>
<li>Campagnol, J., Radice, A., Nokes, R., Bulankina, V., Lescova, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00221686.2013.812152">Lagrangian analysis of bed-load sediment motion: database contribution.</a> J Hydraul Res. 51 (5), 589-596 (2013).</li>
<li>Ballio, F., Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S100162791500061X">Fluctuations and time scales for bed-load sediment motion over a smooth bed.</a> Int J Sediment Res. 30 (4), 321-327 (2015).</li>
<li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F. An analysis of entrainment and deposition rate fluctuations in weak bed load transport. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHosseini-Sadabadi%2C+SA+%22Hydrodynamic+and+mass+transport+at+freshwater+aquatic+interfaces%22">Hydrodynamic and mass transport at freshwater aquatic interfaces</a>. Rowiński, P. M., Marion, A. , Springer. 333-342 (2016).</li>
<li>Papanicolaou, A. N., Diplas, P., Balakrishnan, M., Dancey, C. L. <a target="_blank" href="http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)0887-3801(1999)13:2(71)">Computer vision technique for tracking bed load movement.</a> J Comput Civil Eng. 13 (2), 71-79 (1999).</li>
<li>Ramesh, B., Kothyari, U. C., Murugesan, K. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00221686.2011.620369">Near-bed particle motion over transitionally-rough bed.</a> J Hydraul Res. 49 (6), 757-765 (2011).</li>
<li>Amir, M., Nikora, V., Witz, M. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00221686.2016.1233583">A novel experimental technique and its application to study the effects of particle density and flow submergence on bed particle saltation.</a> J Hydraul Res. 55 (1), 101-113 (2017).</li>
<li>Ettema, R. Ice effects on sediment transport in rivers. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aEttema%2C+R+%22Sedimentation+Engineering%22">Sedimentation Engineering</a>. Garcìa, M. H. , Restion, VA. 613-648 (2008).</li>
<li>Knack, I., Shen, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001627915600063">Sediment transport in ice-covered channels.</a> Int J Sediment Res. 30 (1), 63-67 (2015).</li>
<li>Goring, D. G., Nikora, V. I. <a target="_blank" href="http://www.civil.ist.utl.pt/~ruif/SUMMER_SCHOOL/auxiliary/papers/goring_nikora_2002.pdf">Despiking acoustic Doppler velocimeter data.</a> J Hydraul Eng. 128 (1), 117-126 (2002).</li>
<li>Nowak, M. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00348-002-0407-x">Wall shear stress measurement in a turbulent pipe flow using ultrasound Doppler velocimetry.</a> Exp Fluids. 33 (2), 249-255 (2002).</li>
<li>McCuen, R. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMcCuen%2C+RH+%22Microcomputer+applications+in+statistical+hydrology%22">Microcomputer applications in statistical hydrology</a>. , Prentice Hall. Englewood Cliffs, NJ. (1993).</li>
<li>Lloyd, P. M., Ball, D. J., Stansby, P. K. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00221689509498658">Unsteady surface-velocity field measurement using particle tracking velocimetry.</a> J. Hydraul. Res. 33 (4), 519-534 (1995).</li>
<li>Radice, A., Aleixo, R., Hosseini-Sadabadi, S. A., Sarkar, S. On image grabbing and processing for measurement of geophysical flows. Proc. HydroSenSoft 2017, International Symposium and Exhibition on Hydro-Environment Sensors and Software. , Madrid, Spain. (2017).</li>
<li>Nokes, R. Streams. System theory and design. , University of Canterbury. Christchurch, New Zealand. Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.civil.canterbury.ac.nz/streams.shtml ">http://www.civil.canterbury.ac.nz/streams.shtml </a> (2016).</li>
<li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F. Post-processing of particle tracking data for phenomenological depiction of weak bed-load sediment transport. Proc. River Flow 2016. VIII Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, St. , St. Louis, US. 780-786 (2016).</li>
</ol>

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תכנון ניסוי התחבורה של מטען עם הדמיית חלקיקים כולל מספר שלבים, כולל בחירת תצורה ניסיונית וכלים לחומרה, מדידת זרימה, זריעת חלקיקים והדמיה, וניתוח תמונה. וריאציות בכל שלב יש יתרונות וחסרונות. המאפיינים העיקריים של הפרוטוקול המוצגים בכתב יד זה הם:) i (שימוש בזרימה בלחץ ובמיטה גסה קבועה,) ii (זריעת מספר נמוך של חלקיקי עומס למיטה בעלי צבע מנוגד לצבע המיטה הקבוע,) iii באמצעות אור טבעי ו, (iv) באמצעות מצלמות מרובות כדי לקבל מסלולים עצמאיים לעקוב להיות מחוברים זה לזה. השיטה הניסויית ועיבוד הנתונים מאפשרים את העברת חלקיקי העומס על מנת לאמוד את המדידה הסופית. הזרימה המכוסה מבטיחה ראייה אופטימלית של החלקיקים הנעים. המיטה קבועה עם זאת, מונע תצפית של כמה תהליכים ( למשל , אלה מקושרים עם vertica<html> • התפשטות של חלקיקי משקע בתוך שכבת העומס הפעילה), ובכך מגבילה את תחולת הטכניקה על עומסי מיטה חלשים. הגודל של דגימות הנתונים שהתקבלו באמצעות רק 100 של הסרט היה קטן יחסית. עם זאת, גודל המדגם יכול בקלות להיות מוגברת על ידי הארכת משך ניסיוני של רכישת התמונה ועיבוד. האכלה מספר מצומצם של חלקיקים דורשת זמן ניסיוני ארוך יותר מאשר האכלה בשיעור גבוה משמעותית; אבל זה שווה את המאמץ בגלל מעקב חלקיקים פשוט יחסית בשל ריכוז קטן של חלקיקים בתנועה ואת השימוש בצבעים שונים, שניהם להפחית את ההסתברות של מעקב אחר טעויות. השימוש באור טבעי בניסוי ימנע את הצורך בהתקני תאורה; עם זאת, החיסרון הוא כי תאורה טובה תלויה בתנאי מזג האוויר. CFDs של אורך הופכה החלקיקים ומשך מתוארG&gt; &quot;איור 4 מציג את הערכים הנמוכים ביותר כמו אלה השכיחים ביותר.הערכים הנמדדים הגדולים ביותר של אורך הופ ומשך היו סביב 600 מ&quot;מ ו 7, בהתאמה, זה היה גדול משמעותית לעומת ערכים מקבילים של הספרות 4 , 16 , 30 , שכן מדידת מסלולים ארוכים יותר עלולה להסתכן בקפיצות חלקיקים ארוכות.היתרון של שימוש בשתי מצלמות ניכר בהתחשב בכך שלמצלמה אחת היה אורך מוקד של כ -850 מ&quot;מ, שלא יהיה גדול בהרבה מערכי אורך הופ שימדדו. פרוטוקול המדידה באמצעות שתי מצלמות במקום, הבטיח הפרדה מספקת בין קשקשי אורך של התהליך לבין אלה של שדה מדידה, ובכך להפחית את הסיכון של biasing התוצאות הפנומנולוגיות בשל מגבלות ניסיוני.כמו כן, ניתן להתמקד גם באזור המיקוד על ידי הגדלת מספר המצלמות להציב לאורך העשן. הליך חלופי לעומת פרוטוקול המתואר כאן היא ליצור תמונות חופפות לפני זיהוי החלקיקים ומעקב. הפרוטוקול שלנו (של ביצוע מעקב פעמיים וקישור מסלולים החלקיקים) היה המועדף כמו מיזוג התמונה שיטה היה להכפיל את הגודל של קבצי הנתונים, הדורש צריכת זיכרון זה לא היה זול. עם אלגוריתמים לעיבוד המתוארים כאן, כמה מסלולים החלקיקים שהיו קצרים מאורך השטח החופף נמחקו כי הם מנעו שחזור מלא של מסלולי משקעים. עם זאת, אורך הסף של 120 מ&quot;מ היה בסדר גודל אחד קצר יותר מאשר אורך המסלול שניתן להשיג, ועל אובדן נתונים אלה היה מקובל לכן. יתר על כן, המסלול שהצטרף לראות את 8 המקרים התחתונים של איור 1 לא יאפשר להגדיל משמעותית אורך המסלול להתקבל. מצד שני, מצבים אלה עשויים לעזורב אחזור של מסלולים ארוכים, כגון המצב בתרשים 5 כי יכול להיות עקב הפרעות המסלול. במקרה דומה, ניתן לשחזר מסלול ארוך על ידי פעולות הצטרפות חוזרות. עם זאת חשוב לזכור כי הפרעות המסלול כמו אלה בתרשים 5 קשורות בבירור לתהליך המעקב ולא לתהליך ההצטרפות. כתב היד הזה הציג תוצאות הוכחה של מושג עבור ניסוי אחד, כדי להדגים את היכולות של הפרוטוקול שאומץ. בניסויים עתידיים, הפרוטוקול יחול על סדרה של תנאים הידרו דינמיים שונים כדי להשיג ניתוח מפורט של העומס המיטה תהליך הובלה. <img alt="איור 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> איור 5: מצב של מסלול הצטרפות לנוכחות של הפרעות. </חזקה&gt; ההצטרפות של מסלולים אלה למסלול אחד אינה אפשרית עם הפרוטוקול המתואר כאן. כפי שצוין ב איור של איור 1 ו בשלב 8.4 של הפרוטוקול, מסלולים קצרים מאורך של האזור החופף אינם נכללים. זה מבטל את המסלולים האדומים וירוקים קצר; לכן, לא ניתן לחבר את שאריתן הארוכות, כי אין להן נקודה משותפת. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

מאז עבודות חלוציות הופיע לפני כמה עשורים 1 , 2 , השימוש של ניתוח תמונה לחקר תחבורה משקע הנהר גדל בהתמדה. טכניקה זו אכן הוכיחה את יכולתו לספק נתונים ברזולוציה גבוהה יחסית בעלות נמוכה עבור ניתוחים מפורטים של תופעות פיזיות 3 , 4 , 5 . עם הזמן, שיפורים משמעותיים הושגו עבור חומרה הן כלי תוכנה. המדידה של הובלה משקעים יכולה להתבצע באמצעות גישה Eulerian שמכוונת מדידה של שטפי משקע, או אחד Lagrangian אחד שמטרתו למדוד מסלולים של דגנים בודדים כשהם נעים. עיבוד תמונה מציעה אפשרויות ייחודיות עבור מעקב החלקיקים בהשוואה לשיטות Eulerian אחרים 6 , 7 . עם זאת, desPite את הפוטנציאלים האלה, היישום של ניתוח תמונה למשקעים העומסים על עומס המיטה סובל ממגבלות ניסיוניות קריטיות, במונחים של סולמות תמיכה מרחבית / טמפורלית למדידה וגודל של דגימות נתונים. לדוגמה, קשה להשיג בו זמנית שילוב נכון של מרחב מרחבי גדול, משך זמן ארוך של ניסוי ותדר מדידה גבוה 3 , 4 , 8 , מבלי לפגוע באיכות ובכמות הנתונים. בנוסף, מעקב החלקיקים יכול להתבצע באופן ידני 2 , 4 , אשר דורש מאמץ אנושי גדול, או באופן אוטומטי 3 , 8 , עם אפשרות של שגיאות מעקב שנעשו על ידי התוכנה המשמשת לניתוח. מאמר זה מציג פרוטוקול לחקירה הניסויית של משקע למיטה trAnsport, שם משך זמן ארוך הושג על ידי סוג של מצלמה בשימוש, שדה גדול של נוף היה מובטחת על ידי שימוש בו זמנית של שתי מצלמות במקומות שונים, ועיבוד אוטומטי אמין התאפשרה על ידי תנאי ניסוי אד הוק . פעולת הניסוי תוכננה וכלי העיבוד נבחרו על בסיס הניסיון שנרכש על ידי המחברים במספר עבודות מחקר העוסקות בחקירה מפורטת של הובלה משקעים בשיטות תמונה 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . ניסוי תחבורה משקע מתואר, כי בוצע שחרור חלקיקEs מעל מיטה גסה קבועה. האכלה החלקיקים היה הרבה פחות קיבולת התחבורה של הזרם כדי לשמור על ריכוז נמוך של גרגרים נעים, ובכך למנוע את הצפיפות של חלקיקים להיות במעקב. יתר על כן, חלקיקים מועברים לא זז ברציפות, אבל תנועה לסירוגין נצפתה. השימוש במיטה קבועה ולא במיטלטל מייצג אובדן דמיון לתנאי הטבע. עם זאת, מיטה קבועה שימשה לעתים קרובות בניסויים הובלה משקעים 19 , 20 , 21 תחת ההנחה כי התוצאות פשוטות יותר להסביר מאשר אלה מתרחישים מורכבים עם מגוון של תהליכי משחק. השימוש במיטה קבועה כמובן מונע תהליכים של קבורה משקעים reappence מלהיות שנצפו. מאידך, בנוכחות עומס מיטה חלש, הובלת המשקעים מתרחשת בשכבה שטחית של מיטה רופפת, ובמקרה זה,השימוש במיטה קבועה עשוי להיות הולם. למעשה, השוואות ספציפיות בין המאפיינים של תנועת החלקיקים בניסויים לרוץ עם שני התנאים לא הציגו הבדלים משמעותיים 3 , 14 . לבסוף, הניסוי המוצג כאן בוצע עם זרימה בלחץ כדי להבטיח מצב אופטימלי להדמיה החלקיקים דרך כיסוי שקוף. הסדימנט התחבורה עם זרימה בלחץ נבדק באופן ניסיוני במחקר אב טיפוס קרח מכוסה נהרות, מראה כי האינטראקציה בין שכבת הגבול ליד המיטה ואת המשקע מקביל לזה של ערוץ פתוח 22 , 23 . בסעיפים הבאים, כל השיטות מתוארות ותוצאות נציג מסוימות מסופקות.

<table><tbody><tr><td>חיישן מרחק לייזר</td><td>METRICA</td><td>PREXISOX2</td><td>משמש למדידת שיפוע הזרם</td></tr><tr><td>שרף פוליאסטר דו-רכיבי</td><td>Gelson</td><td>MS 65213</td><td>משמש להדבקת חלקיקי משקעים על לוחות פלדה</td></tr><tr><td>ספריי צבע עמיד במים</td><td>כל</td><td></td><td>משמש לצביעת המיטה הקבועה</td></tr><tr><td>Ultrasonic Velocity Profiler</td><td>עיבוד אותות</td><td>DOP 2000</td><td>משמש למדידת המים פרופילי מהירות</td></tr><tr><td>מצלמה</td><td>Go-Pro</td><td>Hero 4 שחור</td><td>משמש לרכישת סרטים של תנועת חלקיקים בעומס מיטה</td></tr><tr><td>זרמים</td><td>אוניברסיטת קנטרברי</td><td>2.01</td><td>משמש לזיהוי חלקיקים ומעקב</td></tr><tr><td>MatLab</td><td>MathWorks</td><td>R14</td><td>משמש לפיתוח קודים אד הוק למגוון פעולות</td></tr><tr><td>פרספקס</td><td></td><td></td><td>חומר אקרילי שקוף</td></tr></tbody></table>

תמונה מבוססי lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

ניתוח תמונה שימש יותר ויותר למדידת זרימת הנהרות בשל היכולות שלה כדי לספק תיאורים כמותיים מפורטים במחיר נמוך יחסית. כתב יד זה מתאר יישום של velocimetry מעקב החלקיקים (PTV) לניסוי לטעון את המיטה עם משקעים קלים. המאפיינים העיקריים של תנאי הובלה משקעים שנחקרו היו נוכחות של זרימה מכוסה של מיטה מחוספסת קבועה שממנה חלקיקים שוחררו במספר מצומצם על פתחי הכניסה. תחת תנאי זרימה מיושמת, התנועה של חלקיקים בודדים עומס המיטה היה לסירוגין, עם לסירוגין תנועה ודממה תנאי. דפוס הזרימה היה מאופיין מראש על ידי מדידות אקוסטיות של פרופילים אנכיים של מהירות הזרם. במהלך ההדמיה התהליך, שדה ראייה גדול הושג באמצעות שתי מצלמות פעולה להציב במקומות שונים לאורך העשן. פרוטוקול הניסוי מתואר במונחים של צ&#39;אןכיול nel, מימוש הניסוי, עיבוד תמונה מראש, מעקב אחר החלקיקים אוטומטי, שלאחר עיבוד של נתונים מסלול החלקיקים של שתי המצלמות. התוצאות המוצגות של הוכחת המושג כוללות הסתברות הסתברות של אורך הופכת החלקיקים ומשך הזמן. ההישגים של עבודה זו מושווים לאלה של הספרות הקיימת כדי להוכיח את תקפות הפרוטוקול.

התוצאות המוצגות בסעיף זה הן עבור ניסוי שבו המדרון העגום נקבע לאפס (ערכי המדרון חושבו בדייקנות של 0.05%). המשקע בשימוש נעשתה של חלקיקים PBT שהיו מעין-כדורית, עם מ&quot;מ גודל d = 3 וכן עמ &#39;צפיפות ρ = 1270 ק&quot;ג / מ&#39; 3. הניסוי היה מופעל עם קצב זרימה Q = 9.7 × 10 -3 m 3 / s וכתוצאה מכך מהירות בתפזורת U = 0.31 m / s. עבור מדידות המהירות עם UVP, בדיקה 2 מגהרץ שימש ב 81 ° היצר. מהירות הנתונים נרכשו ב 20 הרץ עבור 250 s. באיור 2 מופיע פרופיל המהירות המייצגת. היא צולמה בציר הערוץ ובגובה 4.5 מ &#39;מפרץ האפונים, שם התפתח הזרימה במלואה. ערכים מסוימים הקשורים למדידות גובה לא חוקיות הוסרו. אסימטריהC פרופיל נבעה מחספוס שונים של מכסה פלסטיק ומיטה משקע. המגרשים גם להראות את החלק של הפרופיל המשמש להערכת מהירות הגזירה, קבלת u S = 25.9 ± 1.3 מ&quot;מ / s. מספר ריינולדס החלקיקים (Re p = u ים × ד / ν, עם ν כמו צמיגות קינמטיקה של מים) היה אפוא שווה 78, המציין משטר transitionally מחוספס. הדמיה של הובלה משקעים בוצעה עם שתי מצלמות להציב ב 3.5 מ &#39;ו 4.3 מ&#39; מפרץ הכניסה. המצלמות פעלו בתדירות של 30 fps ועם רזולוציה של 1,920 x 1,080 פיקסלים. הגורם לתיקון עיוות התמונה היה k = 0.6. לאחר הסרת עיוות, כיול התמונה היה 1 פיקסל = 0.5 מ&quot;מ. אורך החפיפה היה בין 760.15 ל 880.11 מ&quot;מ (כאשר האחרון היה אורך של אזור המיקוד של אשוחSt מן הקצה במעלה שלה). עוצמת הסף לזיהוי חלקיקים הוגדרה ל -80, וגודל הכתם הצפוי נע בין 0.5 ל -8 מ&quot;מ. חלון החיפוש עבור מעקב החלקיקים היה כדלקמן: 1 מ&quot;מ במעלה הזרם 7 מ&quot;מ, 4 מ&quot;מ רוחבית. חלון החיפוש עבור חיבור מחדש של מסלולים שנקטעו היה כדלקמן: 1 מ&quot;מ במעלה הזרם 31 מ&quot;מ במורד, 16 מ&quot;מ רוחבית לאורך 4 המסגרות הבאות. ערך הסף של השורש הריבועי של ההפרש הריבועי הממוצע של ערכי x ו- y בין שני מסלולים שיצטרפו נקבע ל -10 מ&quot;מ. רצועות החלקיקים נמדדים באמצעות תת קבוצה של 3,000 תמונות מכל מצלמה (המקביל ל -100 S משך) מתוארים באיור 3 . מסד הנתונים הבין 37 ו 34 מסלולים מן במעלה במורד הזרם המצלמה, בהתאמה. חפיפה של המסלולים המתקבלים על ידי שתי המצלמות מוצע הראשון ולאחר מכן את הסט מלא של tמדפים מוצגים. נראה כי החפיפה בחלק המרכזי של אזור המדידה הייתה משביעת רצון. 12 קישורים התקבלו בסוף 59 מסלולים. המסלול הארוך ביותר כלל את כל חלון התצפית באורך כולל של כ -1.6 מ &#39;(יותר מ -530 מידות חלקיקים, 15.2 עומק זרימה או רוחב של 5.3), שהוא גדול מאוד בהשוואה למחקרי ספרות אחרים שבהם בוצעו ניתוחים דומים 3 , 4 , 5 , 8 . על ידי לקיחת מסגרת Lagrangian, האינדיקטורים העיקריים של קינמטיקה החלקיקים מוחלים כאן במונחים של תכונות של חלקיקים כשות. תחת התחבורה לסירוגין במיטה כמו אחד בניסוי זה, אלה כשות הם תנועות מופרדים על ידי תקופות מנוחה. כדי לזהות כשות בתוך מסלול מלא עבור חלקיק אחד, זיהוי תנועת החלקיקים והדממה הואצעד ראשוני הכרחי. בעבודה זו, אנו מיישמים קריטריון 30 אשר רואה חלקיק בתנועה ברגע מסוים, אם x המיקום שלה באותו רגע הוא גדול יותר מאשר כל אלה הקודם נמוך מכל אלה. מספר כולל של 98 כשות הושג מתוך 59 מסלולים חלקיקים נמדדים. איור 4 מתאר את התפלגות זרם התדרים המצטברת (CFD) למשך האורך והמשך. <img alt="איור 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> איור 2: פרופיל מהירות מדידה. (למעלה) פרופיל אנכי ממוצעים בזמן של רכיב מהירות הזרם. (תחתון) אמידת מהירות הגזירה על ידי התאמת משוואה לוגריתמית לחלק התחתון של הפרופיל. שים לב כי ציר אנכי החל העליון של הערוץ מכוונת כלפי מטה משמש העלילה הראשונה, represe<html> Nting התוצאה מן המדידה עם UVP. ציר מקרקעית הערוץ ומכוון כלפי מעלה משמש במקום זאת במגרש השני, לפי הצורך, כדי לאמוד את מהירות הגזירה על ידי התאמת המשוואה. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> איור 3: תצוגת תוכנית של מסלולי חלקיקים נמדדים. (למעלה) המסילה של שתי המצלמות (מצלמה במעלה הזרם באדום ומורד במורד השחור). (תחתון) המדגם של רצועות הצטרפו (שינוי צבע לבהירות וכמה מסלולים מודגשת על ידי קו עבה). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; איור 4: התפלגות התדר המצטברת (CFD) של אורך הופ (למעלה) ומשך (למטה). בתוך כל מסלול של איור 3 , החלקיק היה מתויג בכל רגע כדי לייצג אם החלקיק היה בתנועה או במנוחה באותו רגע. חלקיקים של חלקיקים הוצאו אז מן המסלולים כמו חלקים בין entryment החלקיקים (המעבר מדממה לתנועה) ואת חוסר איזון (המעבר מתנועה לדממה). הדגימות שהתקבלו עבור אורך הופ ומשכים שימשו כדי ליצור את ההפצות המתוארות כאן. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> קוד משלים קבצים: join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">בבקשה</a>לחץ כאן להורדת קובץ זה.

כתב היד מציג פרוטוקול להולכת ניסויי הובלה של משקעים למיטה, שבהם החלקיקים הנעים עוקבים אחר ניתוח תמונה. מתקן הניסוי, ההליכים להפעלת מימוש ועיבוד נתונים, ולבסוף כמה תוצאות הוכחה של מושג מוצגים כאן.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

המטרה הכללית של הליך זה היא למדוד את מסלוליהן של חלקיקים בודדים המועברים על ידי זרימה כעומס קרקעית (bed-load) על פני שטח תצפית רחב, כדי למנוע הטיה ניסויית הקשורה לאורך המקסימלי של עקבות שניתן למדוד. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מרכזיות במכניקת הובלת עומס קרקעית, שכן היא מספקת מידע מפורט על אירועי התנועה והמנוחה של החלקיקים. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שניתן לעקוב אחר החלקיקים המועברים למרחקים ארוכים, מה שמאפשר תצפית על בחינות ממושכות.העלינו לראשונה את הרעיון לשיטה זו בעת ניתוח נתונים מניסויים קודמים, כאשר הבנו שניתן להעביר חלקיקים למרחקים גדולים יותר ביחס לחלונות התצפית. ראשית, הכינו סט של לוחות פלדה המכוסים בשכבה של חלקיקי המשקע הרלוונטיים. קבעו על פני השטח של המשקע ציפוי של צבע שחור עמיד למים.בשלב הבא, מקמו תומכי PVC בתחתית התעלה והניחו את הפלטות על התומכים. התאימו את מיקום הפלטות לפי הצורך כדי להבטיח ששכבת המשקעים תהיה רציפה. לאחר מכן, כסו את התעלה במכסי אקרילי שקופים.כוון את התעלה לשיפוע הרצוי. לאחר מכן, הפעל את משאבת התעלה ומלא את הערוץ במים. קבע את קצב הזרימה באמצעות שסתום הוויסות.כוון את גובה ראש הלחץ למצב שיהיה מעט מעל מכסי התעלה באמצעות ווסת מי המדרזר (tail water regulator). ודא שהזרימה מכסה את המכסים מבלי להפעיל כוח משמעותי עליהם. בדוק את קצב הזרימה ואת גובה ראש הלחץ בכל 15 דקות עד שההפרש בין המדידות יהיה קטן, דבר המעיד על זרימה יציבה.לאחר מכן, התקינו מד מהירות אולטרסוני (ultrasonic velocity profiler) במחזיק עם נטייה שנקבעה מראש. מרחו ג'ל אולטרסאונד על קצה הפרוב. מקמו את הפרוב מעל מכסה התעלה, כאשר זנב הפרוב פונה לעבר כניסת התעלה.מיקום נכון של ג'ל הבדיקה הוא קריטי להשגת פרופילי מהירות טובים לצורך אפיון של תנאי ההידרודינמיקה של הרקע. חברו את הגשוש למודול הרכישה והגדירו את המכשיר לקבלת פרופילי מהירות רגעיים. רכשו את מספר פרופילי המהירות הרצוי.לאחר מכן, הפכו את כיוון הגשש ורכשו סט נוסף של פרופילי מהירות. רכשו פרופילי מהירות באופן זה עבור כל נקודת מדידה בתעלה. לאחר מכן, חשבו את ערך המהירות הממוצע לכל מיקום וקבעו את רכיבי המהירות לאורך הזרם ובציר האנכי.התאימו את הערכים בהתאם לתווך שדרכו עברה קרן האקוסטיקה. זהו טווח גבהים שבו פרופיל רכיב המהירות בכיוון הזרימה מראה מגמה ליניארית בגרף חצי-לוגריתמי. התאימו את העקומה למשוואה לוגריתמית והעריכו את מהירות הגזירה.כדי להתחיל את הניסוי, הגדירו את קצב הפריימים והרזולו션 של שתי מצלמות אקשן לפרמטרים הרצויים. התקינו את המצלמות על הדפנות הצדיות של המכסים, כשהן פונות לתחתית התעלה ובמרחק קרוב מספיק זה מזו כך שמישורי המיקוד שלהן יחפפו. ודאו שהתעלה מסומנת בנקודות ייחוס חזותיות למרחקים ידועים.הקליטו סרטון קצר עם כל מצלמה. על סמך ההקלטות, התאימו את מיקומי המצלמות ואת הכיוון שלהן כדי להבטיח שהתעלה נמצאת בתוך הפריים ושאזורי המיקוד חופפים. ודאו שהזרימה דרך התעלה יציבה.לאחר מכן, התחילו להזין באיטיות את החלקיקים הרלוונטיים באופן ידני לפתח הכניסה של תעלת הזרימה (flume), בקצב של חלקיק אחד מדי שניים עד שלושה שניות. אנו מזינים כמות קטנה של משקעים מכיוון שנוכחותם של חלקיקים ספורים בשדה הראייה חיונית למעקב פשוט אחרי המשקעים. עם זאת, בזרימות נמוכות, ייתכן שחלק מהחלקיקים ייתקעו באזור המיקוד.התחילו את ההקלטה בשתי מצלמות הווידאו. כבו את אורות החדר כדי ליצור נקודת סימון לסנכרון מאוחר יותר של המצלמות. שמרו על רמת תאורה קבועה לאורך כל הניסוי.המשיכו להזין חלקיקים לתוך התעלה למשך משך הזמן הרצוי לניסוי. לאחר מכן, הפסיקו את פעולת המצלמות והסירו את החלקיקים שנלכדו ממיטת המשקעים. חזרו על הניסוי תחת תנאים הידרודינמיים אחרים לפי הצורך.כדי להתחיל בעיבוד התמונות שהופקו מהסרטונים, החיל ראשית טרנספורמציה רדיאלית על קואורדינטות הפיקסלים כך שדפנות התעל פירור (flume) יופיעו כקוים ישרים. קבע את מקדם ההמרה מפיקסלים למרחק בהתבסס על גובה המצע וסימני הייחוס למרחקים ידועים. לאחר מכן, צור רצף תמונות חדש בתוכנה לניתוח תמונות של זרימת נוזלים.מלאו את מרווח הזמן בין הפריימים ואת מקדם ההמרה מפיקסלים למרחק עבור רצף התמונות. בחרו את הקבצים הרלוונטיים והפעילו את התהליך. ייצרו מפות עוצמה של בחירה אקראית של תמונות חלקיקים מהרצף.זהה ערך סף מתאים עבור עוצמת החלקיקים המדוברים. לאחר מכן, צור צינור סינון (filter pipeline) עבור הרצף. הגדר את המסנן להסרת רקע.צור אלגוריתם חדש לזיהוי חלקיקים באמצעות סף בודד. הזן את ספי עוצמת החלקיקים והקוטר. הוסף את תהליכי זיהוי החלקיקים למסלול הסינון (filter pipeline) ולאחר מכן הרץ את התהליכים.עם סיום הסינון, פתח את התצוגה הגראפית של רשומת החלקיק שנוצרה acabado. גלול דרך הפריימים ושים לב להעתקות החלקיקים בין התמונות. לאחר מכן, צור צינור ניתוח PTV חדש.צרו ניתוח חדש ובחרו ב-distance בלשונית ה-costings. מלאו את המיקום ואת הממדים של חלון החיפוש. הוסיפו את התהליך החדש לשורת העיבוד (pipeline) והפעילו את התהליך.השתמשו בחיבור מחדש של מסלולים (track reconnection) כדי לתקן הפרעות כלשהן ברישומי החלקיקים הבודדים. חזרו על תהליך זה עבור ההקלטה מהמצלמה השנייה. לאחר מכן, במודול ייעודי לעיבוד תמונות, בחרו את קובץ המסלול עבור שתי המצלמות ולחצו על "find track properties".השוו את התמונות מהמצלמות שמעלה (upstream) ומטה (downstream) כדי לקבוע את הש desplazamiento בקוורדינאטות בין המצלמות. הזינו את הש desplazamiento בקוורדינאטות עבור המצלמה שבלבם (downstream) ולחצו על "make reference system uniform" (השבת מערכת הייחוס לאחידות). הזינו את גבולות אזור החפיפה בין התמונות.הסר את כל המסלולים שאתורם קטן מאורך אזור החפיפה. מיזג את מאגרי הנתונים של עקבי החלקיקים ומלא את סבילות החפיפה. לאחר מכן, חבר את העקבים.עם השלמת התהליך, שמור את התוצאות ולאחר מכן נתח את נתוני המסלולים כדי לחקור את קינמטיקת החלקיקים של עומס המצע. פרופיל מהירות הזרימה שנמדד היה אסימטרי, דבר שיוחס להבדל בחספוס בין מצע המשקעים למכסה של התעלה. המצלמות במעלה הזרם ובסוף הזרם מראות 37 ו-34 מסלולים, בהתאמה, לאורך 100 שניות.לאחר איחוד הנתונים משתי המצלמות, זוהו בסך הכל 59 נתיבים. הנתיב הארוך ביותר השתרע על פני כל חלון התצפית, לאורך כולל של כ-1.6 meters. הנתיבים נותחו כדי לזהות מתי החלקיקים היו בתנועה או במצב של מנוחה על קרקעית המשקע.שטח התצפית הגדול אפשר זיהוי של קפיצות ארוכות, כאשר תחת תנאים הידרודינמיים אלו נצפו קפיצות של עד 600 מילימטרים. נמצא כי קפיצות קצרות ומהירות יותר התרחשו בתדירות הגבוהה ביותר. לאחר צפייה בסרטון זה, תגיעו להבנה טובה כיצד לבצע ניסויי מעבר משקעים באמצעות מעקב אחר חלקיקים בשטחים נרחבים.בעודכם מבצעים הליך זה, זכרו להבטיח שתנאי התאורה בניסוי יהיו טובים; למרות שניתן לאסוף תמונות בדרכים רבות, התחלה עם תמונות באיכות גבוהה מפשטת רבות מהעבודה הבאה. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום הובלת המשקעים לבחון מגוון של אינדיקטורים לצורך פרשנות תהליכים ומידול.

image-based-lagrangian-particle-tracking-in-bed-load-experiments

Research

JoVE Journal

Environment

סביבה

מיקרוסקופיה confocal משמשת לתערובות תמונה שקטה וזורמים קולואיד פולימר, הנלמדים כמערכות מודל להשעיות אטרקטיביות. אלגוריתמי ניתוח תמונה משמשים לחישוב מדדים מבניים ודינמיים לחלקיקי colloidal המודדים שינויים עקב כליאה גיאומטרית.

ההדמיה confocal של רגיעה מרותקת ותערובות קולואיד פולימר מזרימים

FIM הוא מערכת חדשנית, הדמיה חסכונית שנועדה לעקוב אחר אובייקטים נעים קטנים כגון C. elegans, planaria או זחלים תסיסנית. תכנית FIMTrack הנלווית נועדה לספק ניתוח נתונים מהיר ויעיל. יחד, כלים אלה מאפשרים ניתוח תפוקה גבוהה של תכונות התנהגותיות.

FIM הדמיה וFIMtrack: שני כלים חדשים המאפשר תפוקה גבוהה וניתוח תנועה חסכוני

מיקרוריאולוגיה של מעקב אחר חלקיקים חוקרת את הצמיגות של חומרים. כאן, הטכניקה משמשת לקביעת הצמיגות, תאימות הזחילה ותפקידי הצלבה יעילים של רכיבי מטריצה שונים של ביופילם חיידקי. המטריצה מורכבת מחומרים פולימריים המופרשים על ידי החיידקים ומרכיביה קובעים את מבנה הביופילם ואת התכונות המכניות.

במיפוי באתרו של התכונות מכניות של Biofilms ידי Microrheology מעקב חלקיקים

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.

חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה

Velocimetry מעקב חלקיקים תלת ממדי (3D-PTV) מערכת המבוססת על מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתוארת כאן. הטכניקה מוחלת על זרימת סילון מצינור עגול בקרבת עשר בקטרים ​​במורד בבית מספר ריינולדס Re 7,000 ≈.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

שיטה אנלוגי השפעול נגיש עבור לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית צפופה נוזלים מוצג. הטכניקה משתמשת חלקיקים velocimetry תמונה של ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומאפשר תצפית ישירה, מאקרוסקופית של תהליכים דינמיות ידוע והוא ניבא קיימת אינטראקציה חזקה, גבוהה צפיפות גזים ונוזלים.

טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים

פרוטוקול זה פרטים הקמה ותפעול של מיקרוסקופ מעקב בזמן אמת 3D חלקיק יחיד מסוגל מעקב הננומטרי פלורסנט רגשים במהירויות גבוהות המפזרת, המחירים ספירה נמוכה פוטון.

פרוטוקול לצורך מעקב בזמן אמת 3D חלקיק יחיד

שתי שיטות שונות עבור אפיון של חלקיק התחלתית של חרוז אחד כפונקציה של הגיאומטריה מיטה משקעים מן למינריות לזרימה מערבולות מוצגים.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

מאמר זה מספק תיאור מפורט כיצד ליצור דגימות למעקב אחר חלבון יחיד בשכבות דו-שכביות ליפידיות הנתמכות על ידי מוצקים. הוא גם מסביר מיקרוסקופ פלואורסצנציה פשוט עם רגישות למולקולה בודדת וקצב פריימים מהיר. לבסוף, אנו מתארים את ההליך להפקת מסלולי חלבון יחיד.

מעקב אחר חלבונים בודדים בדו-שכבתיות של ליפידים באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי

למד מעקב אחר חלקיקים בניסויי מיטה לטעון באמצעות ניתוח תמונה. שיטה זו מאפשרת מדידת מסלולים על פני שטח גדול ללא הטיה ניסיונית ומספקת מידע מפורט על תנועת החלקיקים ומנוחתם.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

גלה סרטונים נוספים