定量的に測定その場で自己完結型水中速度計測装置（SCUVA）を使用してフロー

本実験の全体的な目的は、自然のフィールド環境において、移動体または静止体によって誘発される流体の動きを測定することです。これは、安全な潜水範囲内でダイバーによって展開されるスキューバを使用して達成されます。まず、ダイバーがターゲットを特定し、そこまで泳ぎます。

装置をターゲットに合わせて調整し、レーザーシートを配置した後、ダイバーが照明を点灯させ、ビデオ録画を開始して、潜水完了後の連続的な粒子場を時間経過とともにキャプチャします。ターゲット周辺の速度場を得るために、ビデオをダウンロードして処理します。分析の結果、遊泳動物による流体輸送後の自然場環境における流れが示されます。

デジタル粒子画像流速計（DPIV）やFLOS対称性などの研究室での測定手法と比較して、スキューバを使用する最大の利点は、自然のフィールド環境において流体の動きを測定できることです。これにより、動物の遊泳能力、捕食者と獲物の相互作用、および生態系に関する海洋学や生物学分野の重要な疑問に答えることが可能になります。この手法は、遊泳する動物の周囲、サンゴのポリプ、または底生生物の相互作用における流れの測定に活用できます。

また、人工構造物周囲の流れの測定にも使用できます。現地での測定は、測定技術の知識や夜間のスキューバダイビングへの習熟が必要であり、習得が困難であるため、この手法を視覚的に提示することが不可欠です。この手順を開始するために、高精細（HD）録画テープを用意してください。

すべてのS scubaコンポーネントのバッテリー残量が十分であり、正常に動作していることを確認します。きれいなタオルまたはワイプでOリング溝とOリングを清掃し、メーカー提供のOリンググリスをOリングに均一に塗布して、ハウジングの溝に装着することで、レーザーおよびカメラハウジングを使用可能な状態に準備します。さらに、レーザーシートの変形やカメラハウジングレンズへの汚れを防ぐため、レーザーおよびカメラハウジングの開口部を清掃してください。

次に、使い捨ての紙製水分検知ストリップをハウジング内に配置し、圧力テストの準備をします。空のハウジングを水で満たした水槽に入れ、Oリングシールの状態を確認します。ハウジングを完全に沈めるために、上に重りを置いてください。

5〜10分後に、空の状態のハウジングが浮き上がってくるので、ハウジングを槽から取り出し、タオルで拭き取ります。外側を乾燥させます。水分検知ストリップを確認して、ハウジング内部に水分が残っていないかチェックしてください。

ハウジングの耐圧試験に合格した後、ハウジング内部にスキューバ機器を配置します。カメラハウジングに高輝度放電（HID）ライトポッドを取り付けます。ライトは、カメラとオペレーターの直前を照らすように配置し、ハンドルの把握やカメラのコントロール操作を妨げないようにしてください。

低照度環境では、温度感応性ペーパーを使用してレーザーシートの方向を決定できます。レーザービームがレーザーハウジングに設置された光学レンズに対して適切に調整されている場合、レーザーレンズの組み合わせにより、カメラハウジングに対して垂直な方向の垂直光シートが形成されます。スキューバ用アタッチメントとリジッドアームまたは伸縮式アームを用いて、レーザーハウジングとカメラハウジングを互いに接続します。ハウジングがしっかりと固定され、互いに対して回転しないことを確認してください。

レーザーシートをカメラの視野に対して常に垂直に維持することが極めて重要です。現在の水中測定の能力では、自然光によるレーザー光への干渉を防ぐため、潜水は低照度の場所または夜間にのみ行うことができます。したがって、入水は夕暮れ時以降にすることをお勧めします。

入水前にカメラハウジングの電源を入れてください。カメラハウジングには電子式湿度センサーが内蔵されており、ハウジング内に湿気が浸入した際に視覚的な警告を表示します。このセンサーは、カメラハウジングの電源が入っている時にのみ機能します。

次のステップは、入水して、記述されたプロトコルに従い機器および実験のセットアップを開始することです。機器のセットアップが完了したら、既知の寸法を持つ物体をレーザーシート内で記録し、scubaのキャリブレーションを行います。ダイブ後、ターゲットを検出した際に、視野サイズをピクセル単位からセンチメートルに変換するためのキャリブレーション定数を抽出できます。

環境のバルク流特性を決定する必要があります。潮流がある場合は、その方向によって、ターゲットに対する装置およびダイバーの配置が決まります。測定中は、ダイバーが吐き出した気泡を観察し、その側方への動きを確認することで、ターゲット周囲のバルク流の方向を推測できます。

また、少量の蛍光染料を放出して、現在の流向を特定することも可能です。ダイバーが発生させる流れがDPIV測定の誤差要因となるため、ダイバーは対象位置の上流に位置しないようにしてください。レーザーシートは、粒子がシート内に留まる時間を最大化し、それによってDPIVの誤差を最小限に抑えるため、流向と平行に配置します。

次に、ターゲット周辺の流体運動を照らし、記録するためにS scubaを配置します。ターゲットがカメラの視野内を移動する際に記録を開始し、ビデオ記録中は回転運動や面外運動を避けてください。scubaのすべてのコンポーネントの電源を切り、レーザーアームを格納位置に戻した後、scubaを水から取り出し、アームからカメラとレーザーのハウジングを取り外します。

装置の錆を防ぐため、乾燥させる前に真水で洗浄または浸漬してください。ハウジングが乾燥した後、ハウジングからコンポーネントを取り出し、必要に応じて電池を充電または交換します。次回のダイビングに向けて、ビデオカメラをコンピューターに接続し、HDビデオソフトウェアパッケージを使用してHDテープからビデオを抽出してください。

ビデオの抽出後、DPIV解析のために一連の画像に変換するビデオの範囲を決定します。ピクセルアスペクト比と抽出された画像サイズがHDビデオ設定と一致していることを確認してください。これらの画像を、潜水前の scuba キャリブレーションから A-D-P-I-V 処理プログラムにインポートします。

DPIVソフトウェアパッケージの指示に従い、校正定数の入力および画像キャプチャパラメータの選択を行います。次に、連続する粒子画像から速度場を生成します。イメージングが正しく行われている場合、測定の質や種類に応じて、さらなる後処理ステップを適用することも可能です。

標的周囲の粒子画像は、このin situ粒子場のように鮮明で判別しやすいものである必要があります。A-D-P-I-V処理ソフトウェアパッケージを併用することで、標的周囲の流れの速度場がここに明らかにされます。速度場における黄色いベクトルは、局所的な流れの速度の大きさと方向を示しています。時系列画像を提供できる十分なビデオが収集されていれば、速度場の時系列を決定することも可能です。

不適切なイメージングを行うと、cju粒子場の像が不鮮明になる可能性があります。ここに示しているのは、missi周囲の粒子場です。赤色の矢印は高反射領域を示しており、これにより画像が飽和し、粒子と標的の区別が困難になります。

不適切なイメージングのもう一つの例が、この粒子場に顕著に現れています。赤色の矢印は、サンプリングの流量周波数が十分に高くない場合に生じるストリーキング領域を示しています。この手順を習得すれば、潜水時間に依存しますが、測定は1～2時間で完了できます。ただし、この測定手法を行う際は、適切な中性浮力を維持し、入水前に現地の潜水条件を十分に把握しておくことが非常に重要です。レーザーの使用は極めて危険であるため、本手順での作業時は、レーザーの光軸合わせなどの適切な予防措置を常に講じてください。

この手順に続き、MATLABによる後処理を行うことで、エネルギー性能や流量などの追加的な疑問を検討することができます。