Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu niezależnego podwodnego aparatu do pomiaru prędkości (SCUVA)

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest pomiar ruchu płynu wywołanego przez poruszające się lub nieruchome ciała w naturalnym środowisku polowym. Osiąga się to za pomocą akwalunga, który jest używany przez płetwonurka w bezpiecznych limitach nurkowania. Najpierw nurek identyfikuje cel i płynie do niego.

Po ustawieniu aparatu względem celu i ustawieniu arkusza laserowego, nurek oświetla i rozpoczyna nagrywanie wideo, aby uchwycić kolejne pola cząstek w czasie po zakończeniu nurkowania, w celu uzyskania pól prędkości otaczających cel, filmy są pobierane i przetwarzane. Uzyskiwane są wyniki analizy. Pokaz ten płynie w naturalnym środowisku polowym po transporcie płynów przez pływające zwierzęta.

Główną zaletą korzystania z akwalungu w porównaniu z laboratoryjnymi technikami pomiarowymi, takimi jak cyfrowy obraz cząstek, symetria FLOS lub DPIV, jest to, że można teraz mierzyć ruchy płynu w naturalnym środowisku polowym. Pozwala nam to odpowiedzieć na kluczowe pytania z dziedziny oceanografii i biologii związane z pływaniem zwierząt, interakcjami drapieżników, ofiar i ekologii. Metoda ta może być stosowana do pomiaru przepływu wokół pływających zwierząt lub miazgi koralowej lub interakcji bentosowych.

Może być również używany do pomiaru przepływów wokół konstrukcji zbudowanych przez człowieka. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ pomiary terenowe są trudne do nauczenia, wymagają znajomości technik pomiarowych i komfortu podczas nocnego nurkowania. Aby rozpocząć tę procedurę, zaopatrz się w taśmę do nagrywania w wysokiej rozdzielczości lub HD.

Upewnij się, że wszystkie elementy do nurkowania S mają wystarczającą moc baterii i działają prawidłowo. Przygotuj obudowy lasera i kamery do użycia, czyszcząc rowki O-ringów i O-ringi czystym ręcznikiem lub chusteczką dostarczoną przez producenta, równomiernie smaruj O-ringi na O-ringach i wymień je w rowkach obudowy. Ponadto wyczyść otwór lasera i obudowy aparatu, aby zapobiec deformacji arkusza laserowego i śladom na obiektywie obudowy aparatu.

Następnie przygotuj się do próby ciśnieniowej, umieszczając jednorazowe papierowe paski wilgoci w obudowach. Sprawdź uszczelki O-ringów, umieszczając puste obudowy w wannie pełnej wody. Obciążone przedmioty należy umieścić na obudowach, aby je zanurzyć.

Ponieważ obudowy unoszą się na wodzie, gdy są puste po pięciu do 10 minutach, wyjmij je z wanny i ręcznika. Wysuszyć na zewnątrz. Sprawdź, czy wewnątrz obudów nie ma wilgoci, sprawdzając paski wilgoci.

Gdy obudowy przejdą próbę ciśnieniową, umieść elementy nurkowe wewnątrz obudów. Przymocuj panele świetlne o dużej intensywności do obudowy kamery. Upewnij się, że światła są ustawione w taki sposób, aby oświetlały obszar bezpośrednio przed kamerą i operatorem, ale nie przeszkadzały w utrzymaniu uchwytów i obsłudze elementów sterujących kamery.

W warunkach słabego oświetlenia do określenia orientacji arkusza laserowego można użyć wrażliwego na temperaturę arkusza papieru. Gdy wiązka laserowa jest prawidłowo ustawiona względem soczewki optycznej zainstalowanej w obudowie lasera, kombinacja soczewek laserowych utworzy pionowy arkusz światła, który jest zorientowany prostopadle do obudowy kamery, za pomocą nasadek do nurkowania i sztywnego lub wysuwanego ramienia połącz ze sobą obudowę lasera i obudowę kamery. Upewnij się, że oprawy są mocno zamocowane i że oprawy nie mogą się obracać względem siebie.

Bardzo ważne jest, aby arkusz laserowy pozostawał ustawiony prostopadle do pola widzenia kamery. Ze względu na obecne możliwości pomiarów akwalungowych, nurkowania mogą być przeprowadzane tylko w miejscach o słabym oświetleniu lub w nocy, aby zapobiec interferencji naturalnego światła ze światłem lasera. Dlatego zaleca się, aby przed wejściem do wody było o zmierzchu lub później.

Włącz obudowę kamery przed wejściem do wody. Obudowa kamery posiada wbudowany elektroniczny czujnik wilgotności, który zapewnia wizualne ostrzeżenia w przypadku zawilgocenia obudowy kamery. Czujnik działa tylko wtedy, gdy obudowa kamery jest założona.

Następnym krokiem jest wejście do wody i rozpoczęcie ustawiania sprzętu i eksperymentowania zgodnie z opisem w pisemnym protokole. Po ustawieniu sprzętu skalibruj nurkowanie, rejestrując obiekt o znanych wymiarach w arkuszu laserowym. Po nurkowaniu można wyodrębnić stałą kalibracji, aby przeliczyć rozmiar pola widzenia z jednostek pikseli na centymetry po znalezieniu celu.

Należy określić środowiskowe właściwości przepływu masowego. Jeśli jest obecny, bieżący kierunek będzie dyktował pozycję aparatury i nurka względem celu. Podczas pomiarów można wywnioskować kierunek przepływu masy wokół celu, obserwując pęcherzyki wydychane przez nurka i odnotowując ich ruch boczny.

Niewielka ilość barwnika fluorescencyjnego może być również uwolniona w celu określenia aktualnego kierunku. Ponieważ przepływ generowany przez nurka może być źródłem błędu pomiaru DPIV, nurek nie powinien znajdować się przed pozycją docelową. Arkusz laserowy jest równoległy do kierunku prądu, aby zmaksymalizować czas przebywania cząstek w arkuszu laserowym, minimalizując w ten sposób błędy DPIV.

Następnie ustaw nurek S, aby oświetlić i zarejestrować ruchy płynów otaczających cel. Rozpocznij nagrywanie, gdy cel porusza się w polu widzenia kamery, powstrzymaj się od ruchów obrotowych i poza płaszczyzną podczas nagrywania wideo. Po wyłączeniu wszystkich elementów akwalungu i przywróceniu ramienia laserowego do pozycji wsuniętej należy wyjąć akwalung z wody, odłączyć obudowę kamery i lasera od ramienia.

Przed wysuszeniem wypłucz lub namocz urządzenie w świeżej wodzie, aby zapobiec rdzewieniu urządzenia. Po wyschnięciu obudów wyjmij elementy z obudów, naładuj i wymień baterie, jeśli to konieczne. Aby wykonać kolejne nurkowanie, podłącz kamerę wideo do komputera i wyodrębnij wideo z taśmy HD za pomocą pakietu oprogramowania do nagrywania filmów HD.

Po ekstrakcji wideo określ zakres wideo, który ma zostać przekonwertowany na serię obrazów do analizy DPIV. Upewnij się, że proporcje pikseli i rozmiary wyodrębnionego obrazu są zgodne z ustawieniami wideo HD. Zaimportuj te obrazy do programu przetwarzania A-D-P-I-V z kalibracji nurkowania przed nurkowaniem.

Wprowadź stałą kalibracji, wybierz parametry przechwytywania obrazu, które są wyświetlane w pakiecie oprogramowania DPIV. Następnie wygeneruj pola prędkości z kolejnych obrazów cząstek. Dodatkowe etapy obróbki końcowej, w zależności od jakości i rodzajów pomiarów, mogą być również zastosowane, gdy obrazowanie jest wykonywane prawidłowo.

Obrazy cząstek otaczających cel powinny być ostre i łatwe do odróżnienia, jak pokazano w tym polu cząstek in situ otaczającym aurelię w połączeniu z pakietem oprogramowania do przetwarzania A-D-P-I-V, pola prędkości przepływu otaczającego cel są tutaj ujawnione. Żółte wektory w polu prędkości wskazują wielkość i kierunek lokalnej prędkości przepływu. Jeśli zbierze się wystarczającą ilość materiału wideo, aby uzyskać szereg czasowy obrazów, można również wyznaczyć szereg czasowy pól prędkości.

Niewłaściwe obrazowanie może skutkować niejasnym polem cząstek cju. Pokazane tutaj jest pole cząstek otaczające missi. Czerwona strzałka wskazuje obszar o wysokim współczynniku odbicia, co powoduje nasycenie obrazu, co utrudnia odróżnienie cząstek od celu.

Inny przykład niewłaściwego obrazowania jest widoczny w tym otaczającym polu cząstek, więc tutaj brakuje czerwonej strzałki wskazującej obszar smug, który powstaje, gdy natężenie przepływu nie jest próbkowane z wystarczająco wysoką częstotliwością. Po opanowaniu tej procedury, pomiary można wykonać w ciągu jednej do dwóch godzin, w zależności od czasu nurkowania podczas wykonywania tej techniki pomiaru, jednak bardzo ważne jest, aby utrzymać odpowiednią neutralną pływalność, a także mieć wystarczającą wiedzę na temat lokalnych warunków nurkowania przed wejściem do wody. Nie zapominaj, że praca z laserami jest niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas pracy z tą procedurą należy zawsze przestrzegać odpowiednich środków ostrożności, takich jak ustawienie lasera.

Zgodnie z tą procedurą, przetwarzanie końcowe MATLAB może być wykorzystane do udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak wydajność energetyczna i natężenia przepływu.