Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione

L'obiettivo generale di questa procedura è dimostrare sperimentalmente il flusso ipo EIC utilizzando un software di modellazione che crea una simulazione in forte accordo con l'esperimento fisico. Questo metodo può aiutare a illustrare concetti chiave nel campo dell'idrologia mostrando come il flusso d'acqua attraverso i sedimenti al di sotto di un corso d'acqua sia influenzato dai sedimenti, dalla topografia e dalle proprietà dell'acqua superficiale. Sebbene questo metodo possa essere utilizzato per studiare il flusso iper IC, può anche essere impiegato in laboratori didattici per dimostrare il flusso iper IC a studenti di ogni livello.

Il principale vantaggio di questa tecnica è che combina esperimenti di laboratorio fisici con un software interattivo che simula lo stesso fenomeno. La dimostrazione visiva mostra le somiglianze e le differenze spaziali tra gli esperimenti fisici e le simulazioni, incoraggiando lo sviluppo di una comprensione più approfondita dei principi iper. Iniziare installando il software necessario, ovvero NetLogo e due script da eseguire in net.

Logo, caduta del mouse e interfaccia. Successivamente, seguendo le istruzioni nel protocollo testuale, configurare il canale sperimentale in modo che tutti i parametri rientrino nei vincoli di intervallo dei parametri della simulazione della caduta del mouse. Far funzionare il canale per 12-24 ore per creare una forma del letto con le caratteristiche desiderate.

Regolare l'inclinazione del canale e la profondità dell'acqua per ottenere un flusso uniforme sulla forma del letto. L'obiettivo è che i granuli di sedimenti nelle forme del letto non appaiano in movimento, anche se un lieve movimento potrebbe essere inevitabile. In primo luogo, rendere il flusso uniforme mentre la pompa è in funzione.

Selezionare due punti alla base del canale e registrare la distanza rispetto alla superficie dell'acqua per ciascuna linea. Successivamente, regolare la pendenza del canale o la profondità dell'acqua fino a quando queste misurazioni della distanza verticale risultano uguali. In secondo luogo, spegnere la pompa e attendere che l'acqua cessi di muoversi.

Quindi, negli stessi punti di prima, misurare le distanze tra il fondo del canale e la superficie dell'acqua e misurare la distanza tra queste misurazioni verticali. Calcolare la pendenza del canale come la differenza tra queste misurazioni divisa per la distanza orizzontale inclinata tra di esse. Riavviare ora la pompa e selezionare una sezione di prova.

Scegliere una posizione vicino alla metà o all'estremità a valle del canale dove le dune hanno formato un modello regolare. Questa sezione deve comprendere almeno una forma completa del letto. Nella sezione di prova.

Eseguire alcune misurazioni utilizzando un righello trasparente. Innanzitutto, determinare la profondità media del sedimento effettuando misurazioni in un avvallamento della duna e sulla cresta di una duna. La differenza tra queste misurazioni corrisponde all'altezza della forma del letto.

Successivamente, determinare la profondità media dell'acqua, ovvero la distanza media tra la superficie dell'acqua e la superficie del letto di sabbia. Quindi, misurare e registrare la lunghezza d'onda media delle forme del letto misurando la distanza tra creste di dune successive. Successivamente, registrare la portata del canale da un misuratore di flusso presente nel circuito di ricircolo e calcolare la velocità media del flusso.

Ora, aprire la simulazione della caduta del mouse e verificare che tutte queste misure siano entro i limiti specificati nell'interfaccia utente. Se un parametro misurato è al di fuori del range previsto, regolare il range del parametro facendo clic con il tasto destro sul cursore, selezionando "modifica" e modificando i valori minimo e massimo. Per prima cosa, posizionare una telecamera su un treppiede orientata ortogonalmente rispetto alla parete del canale.

L'immagine dovrebbe essere centrata su una singola forma di fondo nella sezione di prova. Se i riflessi costituiscono un problema, fissare la posizione della telecamera e regolare l'illuminazione; includere un righello nell'immagine può aiutare nella scala. Successivamente, utilizzando una siringa e un ago, effettuare due o tre piccole iniezioni di colorante vicino alla parete della vasca.

Queste iniezioni dovrebbero formare chiazze di due centimetri di acqua colorata da versare, da posizionare in diverse posizioni verticali e orizzontali. Registrare l'orario di inizio delle iniezioni del colorante e scattare una foto iniziale. Può essere istruttivo utilizzare carta trasparente per tracciare i fronti iniziali di D e i contorni intorno al colorante.

Pertanto, è più facile osservare i loro movimenti in laboratorio, ma questo metodo presenta dei compromessi. Utilizzando la fotocamera, acquisire le posizioni dei fronti di D negli intervalli di tempo appropriati. Per la fotografia time-lapse, utilizzare intervalli di 1/32 per ottenere risultati fluidi.

Per una simulazione. Eseguire prima il rilascio del mouse e confrontare i risultati con il trasporto del colorante osservato. Nel rilascio del mouse, regolare i parametri del sistema fisico in modo da corrispondere alle condizioni sperimentali dei canali.

Assicurarsi di prestare particolare attenzione alle unità di misura durante l'inserimento di questi parametri. Successivamente, regolare i cursori per indicare i momenti in cui il colore di tracciamento della simulazione cambierà. Impostare questi cambiamenti di colore in modo che corrispondano ai tempi osservati.

Se tutti i parametri temporali sono impostati a zero, la simulazione mostrerà un colore uniforme. Dopo aver impostato tutti i parametri, fare clic sul pulsante di configurazione. La forma del letto dovrebbe apparire nella vista della simulazione.

Successivamente, fare clic sul pulsante di rilascio del mouse per indicare le posizioni iniziali dei tracciatori virtuali. È possibile fare clic su più posizioni nel letto. Tenere premuto il pulsante del mouse per rilasciare ulteriori tracciatori virtuali.

Dopo aver posizionato tutti i traccianti virtuali, è possibile fare clic sul pulsante "avanza al tempo successivo" per eseguire la simulazione. Fino al tempo uno, non fare nuovamente clic sul pulsante di configurazione, altrimenti i traccianti dovranno essere riposizionati. È inoltre possibile fare clic sul pulsante "avvia/ferma" per eseguire la simulazione.

I traccianti continueranno a muoversi finché tutti i traccianti virtuali non avranno lasciato il sistema, a meno che non si prema il pulsante vai-ferma. Ancora una volta, questa funzione può essere utilizzata per mettere in pausa la simulazione, in modo da poter effettuare confronti tra le distribuzioni del colorante simulate e quelle misurate. Una volta avviata la simulazione, la velocità viene calcolata in corrispondenza della posizione di ciascun tracciante.

In base ai parametri della simulazione, il tracciante si sposta in una nuova posizione utilizzando quella velocità, quindi la procedura viene ripetuta finché il tracciante non esce dal sistema. Successivamente, eseguire la simulazione dell'interfaccia cliccando prima su setup e poi su go stop. Questo avvierà la simulazione con le impostazioni predefinite.

La simulazione dell'interfaccia introduce i traccianti virtuali sulla superficie del letto fluviale in modo ponderato rispetto al flusso, in base alle velocità sotterranee calcolate; per impostazione predefinita, le particelle lasciano tracce che mostrano i percorsi seguiti. Disattivare il pulsante "mostra tracce" per eliminare queste traiettorie. Attivando l'interruttore del punto rosso, si disattiva il grafico della distribuzione cumulativa del tempo di residenza e viene rilasciata una nuova particella ogni volta.

Si esce dal sistema. Dopo aver osservato la simulazione con i parametri predefiniti, fare clic su "go stop" per arrestare la simulazione. Successivamente, modificare uno o più parametri e riavviare la simulazione con i nuovi parametri facendo clic su "setup", seguito da "go stop". In questo caso, abbiamo regolato l'altezza della forma del letto, eseguito la simulazione e quindi ripetuto il processo, modificando la profondità del letto per confrontare la simulazione con i risultati sperimentali.

La fotografia iniziale è stata utilizzata per determinare la posizione del tracciante D simulato al tempo zero. Successivamente, la simulazione è stata eseguita per 34,2 minuti e confrontata con una fotografia scattata in quel momento. Nel complesso, il modello ha ottenuto risultati eccellenti.

Ogni blob D si muove nelle stesse direzioni generali del modello e si deforma in modo simile ai blob D simulati. Tuttavia, un'analisi accurata rivela alcune discrepanze. Ad esempio, il blob D a destra assume una forma più simile a quella di un fagiolo rispetto alla simulazione.

Questo è probabilmente dovuto alla depressione osservabile nella topografia della forma del letto immediatamente al di sopra di questo grumo, che si è formata durante l'iniezione nel sedimento. Un'altra discrepanza comune riguarda i tempi, che non erano perfetti neanche in questo caso. Ciò è probabilmente causato da piccoli errori nelle misurazioni delle proprietà del sedimento.

Le discrepanze comuni derivano da una combinazione di errori di misurazione e effetti fisici di secondo ordine dovuti alla variabilità della geometria irregolare delle forme del letto e al compattamento dei sedimenti, e così via. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in 24 ore. Durante l'esecuzione di questa procedura, è importante lasciare stabilizzare la forma del letto, essere pazienti e prestare attenzione alle unità di misura durante l'effettuazione e l'inserimento delle misurazioni.

Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri esperimenti per rispondere a ulteriori domande sull'influenza della topografia, della conducibilità idraulica e delle proprietà dell'acqua superficiale sul flusso iper. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come visualizzare sperimentalmente il flusso iper e di come utilizzare le nostre simulazioni al computer.