Wizualizacja przepływu hiporheicznego przez formy łóżka za pomocą eksperymentów i symulacji barwników

Ogólnym celem tej procedury jest eksperymentalne zademonstrowanie przepływu hipo EIC przy użyciu oprogramowania do modelowania, które tworzy symulację, która silnie zgadza się z eksperymentem fizycznym. Metoda ta może pomóc w zademonstrowaniu kluczowych pojęć w dziedzinie hydrologii, pokazując, w jaki sposób na przepływ wody przez osady pod strumieniem wpływają osady, topografia i właściwości wód powierzchniowych. Chociaż metoda ta może być stosowana do badania przepływu hiper IC, może być również stosowana w laboratorium edukacyjnym w celu zademonstrowania przepływu hiper IC uczniom na wszystkich poziomach.

Główną zaletą tej techniki jest to, że łączy ona fizyczne eksperymenty laboratoryjne z interaktywnym oprogramowaniem komputerowym, które symuluje to samo zjawisko. Demonstracja wizualna pokazuje przestrzenne podobieństwa i rozbieżności między eksperymentami fizycznymi a symulacjami, co zachęca do głębszego zrozumienia zasad hiper. Zacznij od zainstalowania wymaganego oprogramowania, którym jest logo sieci i dwa skrypty do uruchomienia w sieci.

Logo, upuszczenie myszy i interfejs. Następnie, postępując zgodnie z instrukcjami zawartymi w protokole tekstowym, skonfiguruj kanał laboratoryjny tak, aby wszystkie parametry mieściły się w ograniczeniach zakresu parametrów symulacji upuszczenia myszy. Uruchom zlewnię na 12 do 24 godzin, aby stworzyć formę łóżka o pożądanych cechach.

Dostosuj nachylenie koryta i głębokość wody, aby uzyskać równomierny przepływ nad formą łoża. Celem jest, aby ziarna osadu w formach złożowych nie wydawały się poruszać, chociaż niewielki ruch może być nieunikniony. Najpierw upewnij się, że przepływ jest równomierny podczas pracy pompy.

Wybierz dwa punkty na dole koryta i zapisz odległość od powierzchni wody dla każdej linii. Następnie dostosuj do nachylenia koryta lub głębokości wody, aż te pionowe pomiary odległości będą takie same. Po drugie, zatrzymaj pompę i poczekaj, aż woda przestanie się poruszać.

Następnie w tych samych miejscach, co poprzednio, zmierz odległości od dna koryta do powierzchni wody i zmierz odległość między tymi pomiarami pionowymi. Oblicz nachylenie kanału jako różnicę między tymi pomiarami podzieloną przez nachyloną odległość poziomą między nimi. Teraz uruchom ponownie pompę i wybierz sekcję testową.

Wybierz miejsce w pobliżu środkowego lub dolnego końca koryta, gdzie wydmy utworzyły regularny wzór. Sekcja ta musi obejmować co najmniej jedną formę pełnego łóżka. W sekcji testowej.

Wykonaj kilka pomiarów za pomocą przezroczystej linijki. Najpierw określ średnią głębokość osadów, wykonując pomiary w niecce wydmy i na grzbiecie wydmy. Różnica między tymi pomiarami polega na wysokości formy łóżka.

Następnie znajdź średnią głębokość wody, która jest średnią odległością od powierzchni wody do powierzchni podsypki piaskowej. Następnie zmierz i zapisz średnią długość fali formacji złoża, mierząc odległość między kolejnymi grzbietami wydm. Następnie zapisz natężenie przepływu w kanale z przepływomierza w pętli recyrkulacji i oblicz średnią prędkość przepływu.

Teraz otwórz symulację upuszczenia myszy i sprawdź, czy wszystkie te pomiary mieszczą się w zakresach określonych w interfejsie użytkownika. Jeśli mierzony parametr wykracza poza zakres ograniczenia, dostosuj zakres parametrów, klikając suwak prawym przyciskiem myszy, wybierając, edytując i dostosowując wartości minimalne i maksymalne. Najpierw ustaw kamerę na statywie skierowanym prostopadle do ściany kanału.

Obraz powinien być wyśrodkowany na pojedynczej formie łóżka w sekcji testowej. Jeśli odbicia stanowią problem, ustal pozycję aparatu i dostosuj oświetlenie, w tym linijka na zdjęciu może pomóc w skalowaniu. Następnie, za pomocą strzykawki i igły, wykonaj dwa lub trzy małe zastrzyki barwnika w pobliżu ściany kanału.

Zastrzyki te powinny tworzyć dwucentymetrowe plamy kolorowej nalewanej wody, które należy umieścić w różnych miejscach pionowych i poziomych. Zapisz czas rozpoczęcia iniekcji barwnika i zrób wstępne zdjęcie. Edukacyjne może być użycie przezroczystego papieru do śledzenia początkowych frontów D i granic wokół barwnika.

Dzięki temu łatwiej jest obserwować ich ruchy w laboratorium, ale ta metoda ma swoje wady. Za pomocą aparatu uchwyć pozycje frontów D w odpowiednich odstępach czasu. W przypadku fotografii poklatkowej użyj 32. interwałów, aby uzyskać płynne rezultaty.

Do symulacji. Najpierw uruchom upuszczenie myszy i porównaj wyniki z obserwowanym transportem barwnika. W upuszczeniu myszy dostosuj parametry systemu fizycznego, aby dopasować je do warunków eksperymentalnych koryt.

Pamiętaj, aby zwrócić szczególną uwagę na jednostki podczas wprowadzania tych parametrów. Następnie dostosuj suwaki, aby wskazać, w jakich godzinach zmieni się kolor śledzenia symulacji. Ustaw te zmiany kolorów tak, aby odpowiadały obserwowanym czasom.

Jeśli wszystkie parametry czasu są ustawione na zero, symulacja będzie wyświetlać jeden kolor przez cały czas. Po ustawieniu wszystkich parametrów kliknij przycisk konfiguracji. Forma łóżka powinna pojawić się w widoku symulacji.

Następnie kliknij przycisk upuszczania myszy, aby wskazać początkowe lokalizacje wirtualnych znaczników. Można kliknąć wiele miejsc w łóżku. Przytrzymaj przycisk myszy, aby zwolnić więcej wirtualnego znacznika.

Po umieszczeniu wszystkich wirtualnych znaczników możesz kliknąć przycisk przejścia do następnego razu, aby uruchomić symulację. Do pierwszego czasu nie klikaj ponownie przycisku konfiguracji, w przeciwnym razie znaczniki będą musiały zostać ponownie umieszczone. Można również kliknąć przycisk zatrzymania, aby uruchomić symulację.

Znaczniki będą się poruszać, dopóki wszystkie wirtualne znaczniki nie opuszczą systemu, chyba że naciśniesz przycisk zatrzymania. Również w tym przypadku można to wykorzystać do wstrzymania symulacji, dzięki czemu można dokonać porównań między symulowanym a zmierzonym rozkładem barwnika. Po rozpoczęciu symulacji prędkość jest obliczana dla lokalizacji każdego znacznika.

Na podstawie parametrów symulacji znacznik przemieszcza się w nowe miejsce przy użyciu tej prędkości, a następnie procedura jest powtarzana, aż znacznik opuści system. Następnie uruchom symulację interfejsu, klikając ustawienia, a następnie przejdź do zatrzymania. Spowoduje to uruchomienie symulacji z ustawieniami domyślnymi.

Symulacja interfejsu wprowadza wirtualne znaczniki na powierzchni koryta strumienia w sposób ważony strumieniem w oparciu o obliczone prędkości podpowierzchniowe, domyślnie cząstki pozostawiają ścieżki pokazujące, gdzie były. Wyłącz przycisk pokaż ścieżki, aby wyeliminować te ścieżki. Przekręcenie przełącznika czerwonej kropli do pozycji włączonej wyłącza wykres skumulowanego rozkładu czasu przebywania i za każdym razem uwalnia nową cząstkę.

Jeden z nich wychodzi z systemu. Po zaobserwowaniu symulacji z parametrami domyślnymi kliknij przycisk zatrzymaj ją, aby zatrzymać symulację. Następnie zmień jeden lub więcej parametrów, uruchom ponownie symulację z nowymi parametrami, klikając ustawienia, a następnie zatrzymaj się tutaj, dostosowaliśmy wysokość formy łóżka, przeprowadziliśmy symulację, a następnie powtórzyliśmy proces, dostosowując głębokość łóżka, aby porównać symulację z wynikami eksperymentalnymi.

Wstępna fotografia została wykorzystana do określenia położenia symulowanego znacznika D w czasie zero. Następnie symulacja trwała 34,2 minuty i została porównana ze zdjęciem wykonanym w tym czasie. Ogólnie rzecz biorąc, model spisał się znakomicie.

Każdy blob D porusza się w tych samych ogólnych kierunkach co model i deformuje się podobnie do symulowanych blobów D. Jednak dokładne oględziny pokazują pewne rozbieżności. Na przykład plama D po prawej stronie tworzy bardziej kształt fasoli niż symulacja.

Jest to prawdopodobnie spowodowane obserwowanym spadkiem topografii formy złoża bezpośrednio nad tą plamą, która powstała podczas jej wstrzykiwania do osadu. Inną częstą rozbieżnością jest timing, który również nie był idealny. Jest to prawdopodobnie spowodowane niewielkimi błędami w pomiarach właściwości osadów.

Powszechne rozbieżności powstają w wyniku połączenia błędów pomiarowych i efektów fizycznych drugiego rzędu spowodowanych nieregularną zmiennością geometrii kształtu złoża i upakowaniem osadów i tak dalej. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu 24 godzin. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby pozwolić na ustabilizowanie się formy łóżka, uzbroić się w cierpliwość i zwracać uwagę na jednostki podczas dokonywania i wprowadzania pomiarów.

Zgodnie z tą procedurą można przeprowadzić inne eksperymenty, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące wpływu topografii, przewodności hydraulicznej i właściwości wód powierzchniowych na hiperprzepływ. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak eksperymentalnie wizualizować hiperprzepływ i jak korzystać z naszych symulacji komputerowych.