Rastreamento de partículas Lagrangian baseado em imagem em experiências de carga de cama

O objetivo geral deste procedimento é medir as trajetórias de partículas individuais transportadas por um fluxo como carga de leito em uma grande área de observação para evitar vieses experimentais relacionados ao comprimento máximo de trilhas mensuráveis. Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave na mecânica de transporte de carga do leito, pois fornece informações detalhadas sobre o movimento da partícula e os eventos de repouso. A principal vantagem dessa técnica é que as partículas transportadas podem ser rastreadas por longas distâncias, permitindo que longos exames sejam observados.

Tivemos a ideia desse método pela primeira vez ao analisar dados de experimentos anteriores, quando percebemos que as partículas podem ser transportadas por distâncias maiores em relação às janelas de observação. Primeiro, prepare um conjunto de placas de aço cobertas por uma camada de partículas de sedimento de interesse. Cubra a superfície do sedimento com uma tinta preta resistente à água.

Em seguida, coloque suportes de PVC na parte inferior da calha e coloque as placas nos suportes. Ajuste o posicionamento da placa conforme necessário para garantir que o leito de sedimentos seja contínuo. Em seguida, cubra o canal com tampas de acrílico transparente.

Defina a calha para a inclinação desejada. Em seguida, ligue a bomba de calha e encha o canal com água. Defina a vazão usando a válvula de regulação.

Defina a elevação da carga de pressão ligeiramente acima das tampas do canal usando o regulador de água traseira. Certifique-se de que o fluxo seja coberto sem exercer força significativa nas tampas. Verifique a vazão e a elevação da carga de pressão a cada 15 minutos até que a mudança entre as medições seja pequena, indicando um fluxo estável.

Em seguida, monte um perfilador de velocidade ultrassônico em um suporte com uma inclinação predeterminada. Aplique gel de ultrassom na ponta da sonda. Coloque a sonda acima da tampa da calha com a cauda da sonda voltada para a entrada do canal.

A colocação adequada do gel de sondagem é crucial para obter bons perfis de velocidade para caracterização das condições hidrodinâmicas de fundo. Conecte a sonda ao módulo de aquisição e configure o instrumento para perfis de velocidade instantânea. Adquira o número desejado de perfis de velocidade.

Em seguida, inverta a posição da sonda e adquira outro conjunto de perfis de velocidade. Adquira perfis de velocidade dessa maneira para cada local de medição na calha. Em seguida, calcule o valor médio da velocidade para cada local e determine os componentes de velocidade vertical e do fluxo.

Ajuste os valores de acordo com o meio pelo qual o feixe acústico viajou. Identifique uma faixa de elevações nas quais o perfil do componente de velocidade do fluxo mostra uma tendência linear em um gráfico semi-logarítmico. Ajuste a curva a uma equação logarítmica e estime a velocidade de cisalhamento.

Para iniciar o experimento, defina a taxa de quadros e a resolução de duas câmeras de ação para os parâmetros desejados. Monte as câmeras nas paredes laterais das tampas voltadas para o fundo do canal próximas o suficiente para que o foco das áreas se sobreponha. Certifique-se de que a calha esteja marcada com pontos de referência visuais para distâncias conhecidas.

Grave um pequeno vídeo com cada câmera. Com base nas gravações, ajuste as posições e orientações da câmera para garantir que o canal esteja no quadro e as áreas de foco se sobreponham. Verifique se o fluxo através do canal é estável.

Em seguida, comece a alimentar lentamente as partículas de interesse manualmente na entrada da calha a uma taxa de uma partícula a cada dois a três segundos. Alimentamos uma pequena quantidade de sedimentos porque ter poucas partículas no campo de visão é importante para o rastreamento direto de sedimentos. Em pequenas descargas, no entanto, alguma partícula pode ficar presa na área de foco.

Comece a gravar com ambas as câmeras de vídeo. Desligue as luzes da sala para criar um marcador para sincronização posterior da câmera. Mantenha um nível de luz constante durante todo o experimento.

Continue alimentando partículas na calha pela duração desejada do experimento. Em seguida, pare as câmeras e remova as partículas presas do leito de sedimentos. Repetir a experiência noutras condições hidrodinâmicas, se necessário.

Para começar a processar as imagens extraídas dos vídeos, primeiro aplique uma transformação radial às coordenadas de pixel para que os lados da calha apareçam como linhas retas. Determine a conversão do fator de conversão de pixels para distância com base na elevação do leito e nos marcadores de referência para distâncias conhecidas. Em seguida, crie uma nova sequência de imagens no software de análise de imagens de fluxo de fluido.

Preencha o intervalo de tempo entre os quadros e o fator de conversão de pixel para distância para a sequência de imagens. Selecione os arquivos de interesse e execute o processo. Gere mapas de intensidade de uma seleção aleatória de imagens de partículas da sequência.

Identifique um valor limite apropriado para a intensidade das partículas de interesse. Em seguida, crie um pipeline de filtro para a sequência. Defina o filtro para remoção de plano de fundo.

Crie um novo algoritmo de identificação de partículas usando um único limite. Preencha os limites de intensidade e diâmetro das partículas. Adicione os processos de identificação de partículas ao pipeline de filtro e execute os processos.

Quando a filtragem for concluída, abra a visualização de imagem do registro de partículas recém-criado. Percorra os quadros e observe os deslocamentos de partículas entre as imagens. Em seguida, crie um novo pipeline de análise de PTV.

Crie uma nova análise e selecione a distância na guia de custos. Preencha a posição e as dimensões da janela de pesquisa. Adicione o novo processo ao pipeline e execute o processo.

Use a reconexão de trilha para corrigir quaisquer interrupções nos registros de partículas individuais. Repita esse processo para a segunda gravação da câmera. Em seguida, em um módulo de processamento de imagem especializado, selecione o arquivo de rastreamento para ambas as câmeras e clique em localizar propriedades do rastreamento.

Compare as imagens das câmeras upstream e downstream para determinar a mudança de coordenadas entre as câmeras. Preencha o deslocamento de coordenadas para a câmera downstream e clique em tornar o sistema de referência uniforme. Preencha os limites da área de sobreposição entre as imagens.

Remova todas as trajetórias menores que o comprimento da área sobreposta. Mescle os bancos de dados de rastreamento de partículas e preencha as tolerâncias de sobreposição. Em seguida, junte-se às faixas.

Quando o processo estiver concluído, salve os resultados e analise os dados da trilha para investigar a cinemática das partículas de carga do leito. O perfil de velocidade do fluxo medido foi assimétrico, o que foi atribuído a uma diferença de rugosidade entre o leito de sedimentos e a tampa do canal. As câmeras upstream e downstream mostram 37 e 34 faixas, respectivamente, ao longo de 100 segundos.

Depois de juntar os dados de ambas as câmeras, 59 rastros foram identificados no total. A trilha mais longa abrangeu toda a janela de observação por um comprimento total de aproximadamente 1,6 metros. Os rastros foram analisados para identificar quando as partículas estavam em movimento ou em repouso no leito de sedimentos.

A grande área de observação permitiu a identificação de saltos longos, com saltos de até 600 milímetros sendo observados nessas condições hidrodinâmicas. Saltos mais curtos e rápidos ocorreram com mais frequência. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter um bom entendimento sobre como realizar experimentos de transporte de sedimentos de rastreamento de partículas em grandes áreas.

Enquanto você estiver tentando este procedimento, lembre-se de garantir que a iluminação do experimento seja boa, mesmo que as imagens possam ser coletadas de várias maneiras, começando com imagens de alta qualidade, simplifica muito o trabalho a seguir. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores na área de transporte de sedimentos explorarem uma variedade de indicadores para interpretação e modelagem de processos.