양적 측정 현장에서 흐름

다음 실험의 전반적인 목적은 자연 필드 환경에서 이동하거나 정지해 있는 물체에 의해 유도된 유체의 움직임을 측정하는 것입니다. 이는 안전 다이빙 범위 내에서 스쿠버 다이버가 배치한 스쿠버 장비를 사용하여 수행됩니다. 먼저, 다이버는 목표물을 식별하고 그곳으로 수영해 이동합니다.

장치를 표적에 맞춰 정렬하고 레이저 시트를 배치한 후, 다이버는 조명을 켜고 비디오 녹화를 시작하여 다이빙 완료 후 시간에 따른 연속적인 입자 장을 캡처합니다. 표적 주변의 속도 장을 얻기 위해, 비디오를 다운로드하고 처리합니다. 분석 결과가 도출됩니다. 이는 수영하는 동물의 유체 수송 이후 자연 현장 환경에서의 흐름을 보여줍니다.

디지털 입자 이미지(digital particle image), FLOS 대칭성(FLOS symmetry) 또는 DPIV와 같은 실험실 측정 기술보다 스쿠버를 사용하는 주요 장점은 자연 야생 환경에서 유체의 움직임을 측정할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 해양학과 생물학 분야에서 동물의 수영 성능, 포식자와 피식자의 상호작용 및 생태계와 관련된 핵심 질문들에 답할 수 있게 됩니다. 이 방법은 수영하는 동물이나 산호 폴립 주변의 흐름, 또는 저서 생물 간의 상호작용을 측정하는 데 활용될 수 있습니다.

이 방법은 인공 구조물 주변의 흐름을 측정하는 데에도 사용될 수 있습니다. 현장 측정은 측정 기술에 대한 지식과 야간 스쿠버 다이빙에 대한 숙련도가 필요하여 습득하기 어렵기 때문에, 이 방법에 대한 시각적 시연이 매우 중요합니다. 이 절차를 시작하려면 고화질(HD) 녹화 테이프를 준비하십시오.

모든 S scuba 구성 요소의 배터리 전력이 충분한지, 그리고 정상적으로 작동하는지 확인하십시오. 깨끗한 수건이나 와이프로 O-링 홈과 O-링을 닦아 레이저 및 카메라 하우징을 사용할 수 있도록 준비하고, 제조사에서 제공한 O-링 그리스를 O-링에 고르게 도포한 후 하우징 홈에 다시 장착하십시오. 또한, 레이저 시트의 변형과 카메라 하우징 렌즈의 얼룩을 방지하기 위해 레이저 및 카메라 하우징의 개구부를 세척하십시오.

다음으로, 하우징에 일회용 종이 습도 표시지를 넣어 압력 테스트를 준비합니다. 빈 하우징을 물이 가득 찬 수조에 넣어 O-링 씰의 밀폐 상태를 확인합니다. 하우징을 완전히 잠기게 하려면 하우징 위에 무거운 물체를 올려두어야 합니다.

5~10분 후 하우징이 비어 있을 때 떠오르므로, 하우징을 수조에서 꺼내 수건으로 닦습니다. 외부의 물기를 제거합니다. 습도 표시 strips를 확인하여 하우징 내부에 습기가 있는지 점검합니다.

하우징의 압력 테스트가 완료되면 하우징 내부에 스쿠버 부품을 넣습니다. 카메라 하우징에 고휘도 방전(HID) 라이트 포드를 장착합니다. 이때 라이트가 카메라와 조작자 정면의 영역을 비추도록 방향을 설정하되, 핸들 그립 유지 및 카메라 컨트롤 조작에 방해가 되지 않도록 주의하십시오.

저조도 환경에서는 온도 감응형 종이를 사용하여 레이저 시트의 방향을 결정할 수 있습니다. 레이저 하우징에 설치된 광학 렌즈에 대해 레이저 빔이 적절하게 정렬되면, 레이저 렌즈 조합은 카메라 하우징과 수직 방향으로 정렬된 수직 광시트를 생성합니다. 스쿠버 부착물과 강성 암 또는 확장형 암을 사용하여 레이저 하우징과 카메라 하우징을 서로 연결하십시오. 하우징이 단단히 부착되어 서로에 대해 회전하지 않는지 확인하십시오.

레이저 시트가 카메라의 시야와 수직을 유지하도록 하는 것이 매우 중요합니다. 현재의 수중 측정 기술 수준으로는, 자연광이 레이저 광에 간섭하는 것을 방지하기 위해 저조도 환경이나 야간에만 다이빙을 수행할 수 있습니다. 따라서 입수 전 황혼 무렵이나 그 이후 시간이 될 때까지 기다리는 것을 권장합니다.

물속에 들어가기 전에 카메라 하우징의 전원을 켭니다. 카메라 하우징에는 내부로 습기가 유입되었을 때 시각적 경고를 제공하는 전자식 습도 센서가 내장되어 있습니다. 이 센서는 카메라 하우징의 전원이 켜져 있을 때만 작동합니다.

다음 단계는 물속으로 들어가 서면 프로토콜에 기술된 대로 장비와 실험 설정을 시작하는 것입니다. 장비 설정이 완료되면, 레이저 시트 내에서 치수를 알고 있는 물체를 촬영하여 scuba를 교정하십시오. 다이빙 후, 타겟을 발견했을 때 시야 크기를 픽셀 단위에서 센티미터 단위로 변환하기 위한 교정 상수를 추출할 수 있습니다.

환경의 벌크 유동 특성을 결정해야 합니다. 조류가 존재하는 경우, 조류의 방향에 따라 목표물에 대한 장치 및 다이버의 배치 위치가 결정됩니다. 측정 중에 목표물 주변의 벌크 유동 방향은 다이버가 내뱉은 기포를 관찰하고 그 측면 이동을 기록함으로써 추론할 수 있습니다.

현재 유향을 결정하기 위해 소량의 형광 염료를 방출할 수도 있습니다. 다이버에 의해 발생하는 흐름은 DPIV 측정 오차의 원인이 될 수 있으므로, 다이버는 대상 위치의 상류에 위치해서는 안 됩니다. 레이저 시트는 입자가 레이저 시트 내에 머무는 시간을 최대화하여 DPIV 오차를 최소화할 수 있도록 유향과 평행하게 설정합니다.

그다음 S scuba를 배치하여 표적 주변의 유체 흐름을 조명하고 기록합니다. 표적이 카메라의 시야 내로 이동할 때 기록을 시작하며, 비디오 기록 중에는 회전 및 평면 외 움직임이 발생하지 않도록 주의하십시오. scuba의 모든 구성 요소를 끄고 레이저 암을 수축 위치로 복원한 후, scuba를 물에서 꺼내고 암에서 카메라와 레이저 하우징을 분리합니다.

장비의 부식을 방지하기 위해 건조 전 깨끗한 물로 장비를 헹구거나 담가 두십시오. 하우징이 건조되면 하우징에서 구성 요소를 분리하고, 필요한 경우 배터리를 충전하여 교체하십시오. 다음 다이빙을 위해 비디오 카메라를 컴퓨터에 연결하고 HD 비디오 소프트웨어 패키지를 사용하여 HD 테이프에서 비디오를 추출하십시오.

비디오 추출 후, DPIV 분석을 위해 일련의 이미지로 변환할 비디오 범위를 결정하십시오. 픽셀 종횡비와 추출된 이미지 크기가 HD 비디오 설정과 일치하는지 확인하십시오. 사전 다이빙 스쿠바 보정 단계에서 얻은 이러한 이미지들을 A-D-P-I-V 처리 프로그램으로 가져오십시오.

DPIV 소프트웨어 패키지에서 요청하는 보정 상수와 이미지 캡처 파라미터를 입력하십시오. 그 다음, 연속적인 입자 이미지로부터 속도장을 생성합니다. 이미징이 올바르게 수행되었다면, 측정의 품질과 유형에 따라 추가적인 후처리 단계를 적용할 수 있습니다.

대상 주변의 입자 이미지는 이 in situ 입자 영역 이미지에서 보는 것처럼 선명하고 구별하기 쉬워야 하며, A-D-P-I-V 처리 소프트웨어 패키지를 함께 사용하여 대상 주변 유동의 속도장을 확인할 수 있습니다. 속도장의 노란색 벡터는 국소 유동 속도의 크기와 방향을 나타냅니다. 시계열 이미지를 제공할 수 있을 만큼 충분한 비디오가 수집되면, 속도장의 시계열 또한 결정할 수 있습니다.

부적절한 이미징은 불분명한 cju 입자 영역을 초래할 수 있습니다. 여기에 missi 주변의 입자 영역이 표시되어 있습니다. 빨간색 화살표는 높은 반사율 영역을 나타내며, 이는 이미지의 포화를 일으켜 입자와 표적을 구별하기 어렵게 만듭니다.

부적절한 이미징의 또 다른 사례는 이 입자 영역에서 확인할 수 있으며, 여기의 빨간색 화살표는 유량 샘플링 빈도가 충분히 높지 않을 때 발생하는 스트리킹(streaking) 영역을 나타냅니다. 이 절차를 숙달하면 다이빙 지속 시간에 따라 1~2시간 내에 측정을 완료할 수 있습니다. 하지만 이 측정 기술을 수행할 때는 적절한 중성 부력을 유지하고, 입수 전 현지 다이빙 조건에 대해 충분한 지식을 갖추는 것이 매우 중요합니다. 레이저 작업은 매우 위험하므로, 이 절차를 수행할 때는 레이저 정렬과 같은 적절한 예방 조치를 항상 준수해야 함을 잊지 마십시오.

이 절차 이후에 MATLAB 후처리를 사용하여 에너지 성능 및 유량과 같은 추가적인 질문에 대한 답을 얻을 수 있습니다.