Medir quantitativamente In situ Fluxos usando um Aparelho Autônomo de Velocimetria Underwater (SCUVA)

O objetivo geral do experimento a seguir é medir o movimento do fluido induzido por corpos em movimento ou estacionários em um ambiente natural de campo. Isso é alcançado utilizando mergulho com escafandro autônomo, que é implantado por um mergulhador dentro dos limites seguros de mergulho. Primeiro, o mergulhador identifica e nada até um alvo.

Após alinhar o equipamento em relação ao alvo e posicionar o plano laser, o mergulhador ilumina e inicia a gravação em vídeo para capturar campos consecutivos de partículas ao longo do tempo após a conclusão do mergulho, a fim de obter campos de velocidade ao redor de um alvo; os vídeos são baixados e processados. Os resultados da análise são obtidos, mostrando fluxos no ambiente natural após o transporte de fluido por animais nadadores.

A principal vantagem do uso de mergulho autônomo em comparação com técnicas laboratoriais de medição, como imagem digital de partículas, simetria FLOS ou DPIV, é que agora é possível medir movimentos de fluidos em um ambiente natural de campo. E isso nos permite responder perguntas fundamentais nas áreas de oceanografia e biologia relacionadas ao desempenho natatório de animais, interações entre predadores e presas, e ecologia. Este método pode ser utilizado para medir o fluxo ao redor de animais nadadores, polpas de corais ou interações bentônicas.

Ele também pode ser usado para medir fluxos ao redor de estruturas artificiais. A demonstração visual deste método é fundamental, pois as medições de campo são difíceis de aprender, exigindo conhecimento das técnicas de medição e habilidade com mergulho noturno com scuba. Para iniciar este procedimento, obtenha uma fita de gravação em alta definição ou HD.

Certifique-se de que todos os componentes do sistema S de mergulho autônomo possuam carga de bateria suficiente e estejam funcionando corretamente. Prepare as carcaças do laser e da câmera para uso limpando as ranhuras e as juntas tóricas (O-rings) com um pano ou lenço limpo e espalhando uniformemente a graxa para juntas tóricas fornecida pelo fabricante nas juntas, substituindo-as em seguida nas ranhuras das carcaças. Além disso, limpe as aberturas das carcaças do laser e da câmera para evitar deformação da folha de laser e marcas na lente da carcaça da câmera.

Em seguida, prepare-se para um teste de pressão colocando tiras descartáveis de papel para umidade nas carcaças. Verifique as vedações do anel O colocando as carcaças vazias em uma bacia cheia de água. Objetos com peso devem ser colocados sobre as carcaças para submergi-las.

Como as carcaças flutuam quando vazias após cinco a 10 minutos, remova-as da banheira e seque com uma toalha. Seque o exterior. Verifique se há umidade no interior das carcaças inspecionando as tiras indicadoras de umidade.

Após as carcaças passarem no teste de pressão, coloque os componentes do scuba no interior das carcaças. Fixe os módulos de luz de descarga de alta intensidade na carcaça da câmera. Certifique-se de que as luzes estejam orientadas de modo a iluminar a área diretamente à frente da câmera e do operador, sem interferir na empunhadura das alças e na operação dos controles da câmera.

Em um ambiente com pouca luz, uma folha de papel sensível à temperatura pode ser usada para determinar a orientação da lâmina de laser. Quando o feixe de laser estiver adequadamente alinhado em relação à lente óptica instalada na carcaça do laser, a combinação da lente e do laser criará uma lâmina vertical de luz orientada perpendicularmente à carcaça da câmera. Usando acessórios de mergulho e um braço rígido ou extensível, conecte a carcaça do laser à carcaça da câmera. Certifique-se de que as carcaças estejam firmemente presas e de que não possam girar uma em relação à outra.

É fundamental que a folha de laser permaneça orientada perpendicularmente ao campo de visão da câmera. Devido às capacidades atuais de medição com mergulho autônomo, os mergulhos só podem ser realizados em locais com pouca luz ou durante a noite, para evitar interferência da luz natural com a luz do laser. Portanto, recomenda-se entrar na água ao anoitecer ou posteriormente.

Ligue a carcaça da câmera antes de entrar na água. A carcaça da câmera possui um sensor eletrônico de umidade embutido que fornece avisos visuais em caso de presença de umidade no interior da carcaça. O sensor só funciona quando a carcaça da câmera está ligada.

O próximo passo é entrar na água e começar a montagem do equipamento e do experimento conforme descrito no protocolo escrito. Uma vez que o equipamento tenha sido montado, calibre o scuba gravando um objeto com dimensões conhecidas na folha de laser. Após o mergulho, uma constante de calibração pode ser extraída para converter o tamanho do campo de visão de unidades de pixels para centímetros ao se encontrar um alvo.

As propriedades do fluxo ambiental em massa precisam ser determinadas. Se presente, a direção da corrente ditará o posicionamento do equipamento e do mergulhador em relação ao alvo. Durante as medições, a direção do fluxo em massa ao redor do alvo pode ser inferida observando as bolhas exaladas pelo mergulhador e anotando seu movimento lateral.

Uma pequena quantidade de corante fluorescente também pode ser liberada para determinar a direção da corrente. Como o fluxo gerado pelo mergulhador pode ser uma fonte de erro na medição DPIV, o mergulhador não deve estar localizado a montante da posição-alvo. A folha de laser deve ser paralela à direção da corrente, a fim de maximizar o tempo de residência das partículas dentro da folha de laser, minimizando assim os erros de DPIV.

Em seguida, posicione o S-SCUBA para iluminar e registrar os movimentos do fluido ao redor de um alvo. Inicie a gravação enquanto o alvo se move pelo campo de visão da câmera, evitando movimentos rotacionais e fora do plano durante a gravação de vídeo. Após desligar todos os componentes do SCUBA e restaurar o braço do laser à sua posição recolhida, remova o SCUBA da água, desconecte as carcaças da câmera e do laser do braço.

Lave ou mergulhe o equipamento em água fresca antes de secar para evitar a oxidação do aparelho. Após as carcaças serem secas, remova os componentes das carcaças, recarregue e substitua as baterias, se necessário. Para um novo mergulho, conecte a câmera de vídeo a um computador e extraia o vídeo da fita HD utilizando um pacote de software para vídeo HD.

Após a extração do vídeo, determine o intervalo do vídeo que será convertido em uma série de imagens para análise DPIV. Certifique-se de que as proporções dos pixels e os tamanhos das imagens extraídas correspondam às configurações de vídeo HD. Importe essas imagens para o programa de processamento A-D-P-I-V a partir da calibração subaquática pré-mergulho.

Insira a constante de calibração e selecione os parâmetros de captura de imagem, que são solicitados pelo pacote de software DPIV. Em seguida, gere os campos de velocidade a partir de imagens consecutivas das partículas. Etapas adicionais de pós-processamento, dependendo da qualidade e dos tipos de medições, também podem ser aplicadas quando a aquisição de imagens é realizada corretamente.

As imagens das partículas ao redor do alvo devem ser nítidas e fáceis de distinguir, conforme mostrado neste campo de partículas in situ ao redor de Aurelia em combinação com o pacote de software A-D-P-I-V, revelando aqui os campos de velocidade do fluxo ao redor do alvo. Vetores amarelos no campo de velocidade indicam a magnitude e a direção da velocidade local do fluxo. Se for coletado vídeo suficiente para fornecer uma série temporal de imagens, uma série temporal de campos de velocidade também pode ser determinada.

A imagem inadequada pode resultar em campos de partículas em cju pouco nítidos. Aqui é mostrado um campo de partículas ao redor de missi. A seta vermelha indica uma região de alta refletividade, o que provoca a saturação da imagem, dificultando a distinção entre partículas e o alvo.

Outro exemplo de imagem inadequada é evidente neste campo de partículas ao redor de falhas aqui; a seta vermelha indica uma região de arrastamento que ocorre quando a taxa de fluxo não é amostrada em uma frequência suficientemente alta. Após dominar este procedimento, as medições podem ser concluídas entre uma e duas horas, dependendo da duração do mergulho. Ao utilizar esta técnica de medição, entretanto, é muito importante manter uma flutuabilidade neutra adequada e também possuir conhecimento suficiente das condições locais de mergulho antes de entrar na água. Não se esqueça de que trabalhar com lasers é extremamente perigoso, portanto, as devidas precauções, como o alinhamento do laser, devem sempre ser seguidas ao trabalhar com este procedimento.

Após este procedimento, a pós-processagem no MATLAB pode ser utilizada para responder perguntas adicionais, como desempenho energético e taxas de fluxo.