Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu autonomicznego urządzenia do podwodnej welocymetrii (SCUVA)

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest pomiar ruchu płynu wywołanego przez ciała ruchome lub stacjonarne w naturalnym środowisku polowym. Jest to realizowane przy użyciu sprzętu do nurkowania scuba, który jest rozmieszczany przez nurka w bezpiecznych granicach głębokości. W pierwszej kolejności nurek identyfikuje cel i dopływa do niego.

Po wyrównaniu aparatury względem celu i ustawieniu płaszczyzny wiązki lasera, nurek włącza oświetlenie i rozpoczyna nagrywanie wideo, aby zarejestrować kolejne pola cząstek w czasie po zakończeniu nurkowania. W celu uzyskania pól prędkości wokół celu, filmy zostają pobrane i przetworzone. Uzyskano wyniki analizy, które obrazują przepływy w naturalnym środowisku polowym po transporcie płynu przez pływające zwierzęta.

Główną zaletą wykorzystania sprzętu do nurkowania w porównaniu z laboratoryjnymi technikami pomiarowymi, takimi jak cyfrowa analiza obrazu cząstek, symetria FLOS czy DPIV, jest możliwość pomiaru ruchów płynów w naturalnym środowisku polowym. Pozwala to na udzielenie odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu oceanografii i biologii dotyczące wydajności pływania zwierząt, interakcji drapieżnik-ofiara oraz ekologii. Metodę tę można zastosować do pomiaru przepływu wokół pływających zwierząt, polipów koralowców lub w badaniach interakcji bentonicznych.

Może być ona również wykorzystywana do pomiaru przepływów wokół struktur stworzonych przez człowieka. Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ pomiary terenowe są trudne do opanowania i wymagają znajomości technik pomiarowych oraz umiejętności nurkowania z aparatem scuba w nocy. Aby rozpocząć tę procedurę, należy przygotować taśmę nagrywającą w wysokiej rozdzielczości (HD).

Upewnij się, że wszystkie komponenty S scuba mają wystarczający zapas energii w bateriach i funkcjonują prawidłowo. Przygotuj obudowy lasera i kamery do użycia, czyszcząc rowki uszczelniające oraz pierścienie O-ring czystym ręcznikiem lub ściereczką, a następnie równomiernie nałóż dostarczony przez producenta smar do pierścieni O-ring i zamontuj je z powrotem w rowkach obudowy. Dodatkowo oczyść otwory obudowy lasera i kamery, aby zapobiec deformacji płaszczyzny lasera oraz powstawaniu smug na soczewce obudowy kamery.

Następnie przygotuj układ do testu szczelności, umieszczając jednorazowe papierowe paski pomiaru wilgotności w obudowach. Sprawdź uszczelki typu O-ring, umieszczając puste obudowy w kuwecie wypełnionej wodą. Na wierzchu obudów należy położyć obciążniki, aby całkowicie je zanurzyć.

Ponieważ obudowy wypływają na powierzchnię po 5 do 10 minutach, gdy są puste, należy wyjąć je z kuwety i osuszyć ręcznikiem. Osuszyć zewnętrzną stronę. Sprawdzić, czy wewnątrz obudów znajduje się wilgoć, kontrolując paski wskaźnikowe wilgotności.

Po przejściu obudów testu ciśnienia należy umieścić w nich komponenty sprzętu do nurkowania. Do obudowy kamery przymocuj moduły lamp o wysokiej intensywności wyładowań. Upewnij się, że lampy są skierowane w taki sposób, aby oświetlały obszar bezpośrednio przed kamerą i operatorem, ale nie utrudniały uchwytu rączek ani obsługi elementów sterujących kamerą.

W środowisku o słabym oświetleniu można użyć arkusza papieru wrażliwego na temperaturę, aby określić orientację płaszczyzny laserowej. Gdy wiązka lasera jest prawidłowo wyrównana względem soczewki optycznej zainstalowanej w obudowie lasera, kombinacja soczewek laserowych wytworzy pionową płaszczyznę światła zorientowaną prostopadle do obudowy kamery. Używając uchwytów do nurkowania oraz ramienia sztywnego lub wysuwanego, połącz ze sobą obudowę lasera i obudowę kamery. Upewnij się, że obudowy są mocno przymocowane i nie mogą obracać się względem siebie.

Kluczowe jest, aby płaszczyzna wiązki lasera pozostawała zorientowana prostopadle do pola widzenia kamery. Ze względu na obecne możliwości pomiarów podwodnych, nurkowania mogą być przeprowadzane wyłącznie w miejscach o słabym oświetleniu lub w nocy, aby zapobiec zakłócaniu światła laserowego przez światło naturalne. Dlatego zaleca się wejście do wody o zmierzchu lub później.

Przed wejściem do wody włącz obudowę kamery. Obudowa kamery posiada wbudowany elektroniczny czujnik wilgoci, który wyświetla ostrzeżenia wizualne w przypadku pojawienia się wilgoci wewnątrz obudowy. Czujnik działa tylko wtedy, gdy obudowa kamery jest włączona.

Kolejnym krokiem jest wejście do wody i rozpoczęcie konfiguracji sprzętu oraz eksperymentu zgodnie z opisem w protokole pisemnym. Po ustawieniu sprzętu należy skalibrować system scuba, rejestrując obiekt o znanych wymiarach w płaszczyźnie lasera. Po zakończeniu nurkowania można wyznaczyć stałą kalibracyjną w celu przeliczenia rozmiaru pola widzenia z pikseli na centymetry po odnalezieniu celu.

Należy określić właściwości głównego przepływu środowiskowego. W przypadku jego występowania, kierunek prądu będzie determinował rozmieszczenie aparatury i nurka względem celu. Podczas pomiarów kierunek głównego przepływu wokół celu można wywnioskować, obserwując wydychane przez nurka pęcherzyki powietrza i odnotowując ich ruch boczny.

W celu określenia aktualnego kierunku nurtu można również uwolnić niewielką ilość barwnika fluorescencyjnego. Ponieważ przepływ generowany przez nurka może być źródłem błędów w pomiarach DPIV, nurek nie powinien znajdować się powyżej docelowej pozycji. Płaszczyzna wiązki lasera powinna być ustawiona równolegle do kierunku nurtu, aby zmaksymalizować czas przebywania cząstek wewnątrz wiązki, minimalizując tym samym błędy DPIV.

Następnie ustaw urządzenie scuba w taki sposób, aby oświetlić i zarejestrować ruchy płynu wokół celu. Rozpocznij nagrywanie w momencie, gdy cel przesuwa się przez pole widzenia kamery; podczas nagrywania wideo unikaj ruchów obrotowych oraz ruchów poza płaszczyzną. Po wyłączeniu wszystkich elementów urządzenia scuba i przywróceniu ramienia laserowego do pozycji wysuniętej, wyjmij urządzenie scuba z wody i odłącz obudowy kamery oraz lasera od ramienia.

Przed osuszeniem opłucz lub namocz urządzenie w świeżej wodzie, aby zapobiec korozji sprzętu. Po wyschnięciu obudów wyjmij z nich komponenty, naładuj i w razie potrzeby wymień baterie. Przed kolejnym nurkowaniem podłącz kamerę wideo do komputera i wyeksportuj wideo z taśmy HD, korzystając z oprogramowania do wideo HD.

Po wyekstrahowaniu wideo określ zakres nagrania, który zostanie przekonwertowany na serię obrazów do analizy DPIV. Upewnij się, że proporcje pikseli oraz rozmiary wyekstrahowanych obrazów są zgodne z ustawieniami wideo HD. Zaimportuj te obrazy do programu przetwarzającego A-D-P-I-V z kalibracji sprzętu do nurkowania przeprowadzonej przed zanurzeniem.

Wprowadź stałą kalibracyjną i wybierz parametry przechwytywania obrazów, o które prosi pakiet oprogramowania DPIV. Następnie wygeneruj pola prędkości z następujących po sobie obrazów cząsteczek. W przypadku prawidłowego obrazowania można również zastosować dodatkowe kroki postprocessingu, w zależności od jakości i rodzajów pomiarów.

Obrazy cząstek otaczających cel powinny być ostre i łatwe do rozróżnienia, jak pokazano na tym obrazie pola cząstek in situ wokół aurelii; przy zastosowaniu pakietu oprogramowania A-D-P-I-V ujawnione zostały tutaj pola prędkości przepływu wokół celu. Żółte wektory w polu prędkości wskazują wartość oraz kierunek lokalnej prędkości przepływu. Jeśli zgromadzono wystarczającą ilość materiału wideo, aby uzyskać serię czasową obrazów, można również wyznaczyć serię czasową pól prędkości.

Nieprawidłowe obrazowanie może skutkować nieczytelnymi polami cząstek w cju. Przedstawiono tutaj pole cząstek otaczające missi. Czerwona strzałka wskazuje obszar o wysokiej odblaskowości, co prowadzi do nasycenia obrazu, utrudniając odróżnienie cząstek od celu.

Kolejny przykład niewłaściwego obrazowania jest widoczny w tym polu cząstek; czerwona strzałka wskazuje obszar smugowania, który powstaje, gdy szybkość przepływu nie jest próbkowana z wystarczająco wysoką częstotliwością. Po opanowaniu tej procedury pomiary można przeprowadzić w czasie od jednej do dwóch godzin, w zależności od czasu trwania nurkowania podczas stosowania tej techniki pomiarowej; niezwykle ważne jest jednak utrzymanie właściwej wyporności neutralnej oraz posiadanie wystarczającej wiedzy na temat lokalnych warunków nurkowania przed wejściem do wody. Należy pamiętać, że praca z laserami jest niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać odpowiednich środków ostrożności, takich jak prawidłowe wyrównanie laserów.

Po wykonaniu tej procedury można wykorzystać post-processing w programie MATLAB, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak wydajność energetyczna i natężenia przepływu.