Misura quantitativamente In situ Flussi utilizzando un autorespiratore subacqueo Velocimetry (SCUVA)

L'obiettivo generale del seguente esperimento è misurare il movimento del fluido indotto da corpi in movimento o stazionari in un ambiente naturale. Questo viene ottenuto utilizzando l'autorespiratore subacqueo (scuba), che viene impiegato da un subacqueo entro i limiti di immersione sicuri. In primo luogo, il subacqueo identifica e nuota verso un bersaglio.

Dopo aver allineato l'apparato rispetto al bersaglio e posizionato il foglio laser, l'immersionista illumina la zona e inizia la registrazione video per acquisire campi di particelle consecutivi nel tempo successivamente al termine dell'immersione; tali video vengono scaricati ed elaborati. Si ottengono i risultati dell'analisi, che mostrano i flussi nell'ambiente naturale dopo il trasporto di fluidi da parte di animali nuotatori.

Il principale vantaggio dell'uso dell'autorespiratore rispetto alle tecniche di misurazione in laboratorio come l'immagine digitale delle particelle, la simmetria FLOS o la DPIV, è che ora è possibile misurare i movimenti dei fluidi in un ambiente naturale. Questo ci permette di rispondere a domande fondamentali nei campi dell' oceanografia e della biologia relative alle prestazioni natatorie degli animali, alle interazioni tra predatori e prede e all'ecologia. Questo metodo può essere utilizzato per misurare il flusso attorno ad animali nuotatori, polipi corallini o interazioni bentoniche.

È inoltre possibile utilizzarlo per misurare i flussi attorno a strutture artificiali. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale poiché le misurazioni sul campo sono difficili da apprendere e richiedono conoscenze sulle tecniche di misurazione e familiarità con l'immersione subacquea notturna. Per iniziare questa procedura, procurarsi un nastro di registrazione ad alta definizione o HD.

Assicurarsi che tutti i componenti S del sistema subacqueo abbiano una carica della batteria sufficiente e funzionino correttamente. Preparare le custodie del laser e della telecamera pulendo le scanalature e le guarnizioni O-ring con un panno o una salvietta pulita, quindi spalmare uniformemente la grassa per guarnizioni O-ring fornita dal produttore sulle guarnizioni e reinserirle nelle scanalature delle custodie. Inoltre, pulire le aperture delle custodie del laser e della telecamera per evitare deformazioni del foglio laser e segni sull'obiettivo della custodia della telecamera.

Successivamente, preparare un test di pressione inserendo strisce di carta monouso per l'umidità negli alloggiamenti. Verificare le guarnizioni ad O-ring posizionando gli alloggiamenti vuoti in una vasca piena d'acqua. Oggetti pesanti devono essere posizionati sopra gli alloggiamenti per immergerli.

Dato che i contenitori galleggiano quando sono vuoti dopo cinque-dieci minuti, rimuoverli dalla vasca e asciugarli con un panno. Asciugare l'esterno. Verificare la presenza di umidità all'interno dei contenitori ispezionando le strisce indicatori di umidità.

Dopo aver superato la prova di pressione, posizionare i componenti subacquei all'interno delle custodie. Fissare i faretti a scarica ad alta intensità alla custodia della telecamera. Assicurarsi che i faretti siano orientati in modo da illuminare l'area direttamente davanti alla telecamera e all'operatore, senza interferire con la presa sulle maniglie e con la regolazione dei comandi della telecamera.

In un ambiente con poca luce, un foglio di carta sensibile al calore può essere utilizzato per determinare l'orientamento del piano laser. Quando il fascio laser è correttamente allineato rispetto alla lente ottica installata nel contenitore del laser, la combinazione tra laser e lente creerà un piano di luce verticale orientato perpendicolarmente al contenitore della fotocamera. Utilizzando accessori subacquei e un braccio rigido o estensibile, collegare il contenitore del laser al contenitore della fotocamera. Assicurarsi che i contenitori siano saldamente fissati e che non possano ruotare l'uno rispetto all'altro.

È fondamentale che il foglio laser rimanga orientato perpendicolarmente al campo visivo della fotocamera. A causa delle attuali capacità delle misurazioni in immersione, le immersioni possono essere effettuate soltanto in luoghi con poca luce o di notte, per evitare interferenze della luce naturale con quella laser. Pertanto, si raccomanda di immergersi al crepuscolo o in orari successivi.

Accendere l'involucro della fotocamera prima di entrare in acqua. L'involucro della fotocamera è dotato di un sensore elettronico di umidità integrato che fornisce avvisi visivi in caso di presenza di umidità all'interno dell'involucro. Il sensore funziona solo quando l'involucro della fotocamera è acceso.

Il passo successivo consiste nell'entrare in acqua e iniziare l'allestimento dell'equipaggiamento e dell'esperimento come descritto nel protocollo scritto. Una volta allestito l'equipaggiamento, calibrare l'autorespiratore registrando un oggetto di dimensioni note nel piano del laser. Al termine dell'immersione, è possibile estrarre una costante di calibrazione per convertire le dimensioni del campo visivo da unità di pixel a centimetri, una volta individuato un bersaglio.

È necessario determinare le proprietà del flusso ambientale in massa. Se presente, la direzione della corrente determinerà la posizione dell'apparato e dell'immersionista rispetto al bersaglio. Durante le misurazioni, la direzione del flusso in massa attorno al bersaglio può essere dedotta osservando le bolle espirate dall'immersionista e notando il loro movimento laterale.

Una piccola quantità di colorante fluorescente può essere inoltre rilasciata per determinare la direzione della corrente. Poiché il flusso generato dal subacqueo può costituire una fonte di errore nelle misurazioni DPIV, il subacqueo non deve trovarsi a monte della posizione bersaglio. Il foglio laser deve essere orientato parallelamente alla direzione della corrente, in modo da massimizzare il tempo di permanenza delle particelle all’interno del foglio laser, riducendo così al minimo gli errori DPIV.

Quindi posizionare l'S scuba per illuminare e registrare i movimenti del fluido intorno a un bersaglio. Iniziare la registrazione mentre il bersaglio si muove all'interno del campo visivo della telecamera, evitando movimenti rotazionali e fuori dal piano durante la registrazione video. Dopo aver spento tutti i componenti dello scuba e riposizionato il braccio del laser nella sua posizione retratta, rimuovere lo scuba dall'acqua, staccare le custodie della telecamera e del laser dal braccio.

Risciacquare o immergere l'apparecchiatura in acqua dolce prima dell'essiccazione per prevenire la ruggine. Dopo che gli alloggiamenti sono asciutti, rimuovere i componenti dagli alloggiamenti, ricaricare e sostituire le batterie se necessario. Per un'immersione successiva, collegare la videocamera a un computer ed estrarre il video dal nastro HD utilizzando un software per video HD.

Dopo l'estrazione del video, determinare l'intervallo del video da convertire in una serie di immagini per l'analisi DPIV. Assicurarsi che i rapporti d'aspetto dei pixel e le dimensioni delle immagini estratte corrispondano alle impostazioni video HD. Importare queste immagini nel programma di elaborazione A-D-P-I-V a partire dalla calibrazione subacquea effettuata prima dell'immersione.

Immettere la costante di calibrazione e selezionare i parametri di acquisizione delle immagini, che vengono richiesti dal pacchetto software DPIV. Quindi generare i campi di velocità a partire da immagini consecutive delle particelle. Ulteriori passaggi di post-elaborazione, a seconda della qualità e dei tipi di misurazioni, possono essere applicati anche quando l'acquisizione delle immagini è eseguita correttamente.

Le immagini delle particelle intorno al bersaglio devono essere nitide e facilmente distinguibili, come mostrato in questo campo di particelle in situ intorno ad aurelia in combinazione con il pacchetto software A-D-P-I-V; in questo modo vengono rivelati i campi di velocità del flusso intorno al bersaglio. I vettori gialli nel campo di velocità indicano l'intensità e la direzione della velocità locale del flusso. Se viene raccolto un numero sufficiente di video per fornire una serie temporale di immagini, può essere determinata anche una serie temporale di campi di velocità.

Un'immagine non corretta può causare campi di particelle poco chiari in cju. Qui viene mostrato un campo di particelle attorno a missi. La freccia rossa indica una regione di elevata riflettività, che provoca la saturazione dell'immagine, rendendo difficile distinguere tra le particelle e l'obiettivo.

Un altro esempio di acquisizione immagini non corretta è evidente in questo campo di particelle che circonda così tanti mancati rilevamenti; qui, la freccia rossa indica una zona di strisciamento che si verifica quando la portata non viene campionata a una frequenza sufficientemente elevata. Dopo aver padroneggiato questa procedura, le misurazioni possono essere completate tra una e due ore, a seconda della durata dell'immersione. Tuttavia, è molto importante mantenere una galleggiabilità neutra adeguata e possedere una conoscenza sufficiente delle condizioni subacquee locali prima di entrare in acqua. Non dimenticare che lavorare con i laser è estremamente pericoloso, quindi le opportune precauzioni, come l'allineamento del laser, devono sempre essere seguite durante l'esecuzione di questa procedura.

Seguendo questa procedura, l'elaborazione successiva in MATLAB può essere utilizzata per rispondere ad ulteriori domande, come le prestazioni energetiche e le portate.