Визуализация Hyporheic поток через пласты Использование Dye эксперименты и моделирование

Общая цель данной процедуры — экспериментально продемонстрировать гипореочный поток (hypo EIC flow) с помощью программного обеспечения для моделирования, которое создает симуляцию, в значительной степени совпадающую с физическим экспериментом. Этот метод позволяет продемонстрировать ключевые концепции в области гидрологии, показывая, как на поток воды через отложения под руслом реки влияют состав осадков, топография и свойства поверхностных вод. Хотя данный метод может быть использован для исследования гиперреочного потока (hyper IC flow), в рамках образовательной лаборатории он также может применяться для демонстрации гиперреочного потока студентам всех уровней подготовки.

Основным преимуществом данного метода является сочетание физических лабораторных экспериментов с интерактивным компьютерным программным обеспечением, которое моделирует то же явление. Визуальная демонстрация показывает пространственные сходства и различия между физическими экспериментами и симуляциями, что способствует более глубокому пониманию принципов гипер. Начните с установки необходимого программного обеспечения, которым являются NetLogo и два скрипта для запуска в NetLogo.

Логотип, сброс мыши и интерфейс. Затем, следуя инструкциям в текстовом протоколе, настройте лабораторный лоток так, чтобы все параметры соответствовали ограничениям диапазона параметров симуляции сброса мыши. Запустите поток в лотке на 12–24 часа для формирования русла с требуемыми характеристиками.

Отрегулируйте уклон лотка и глубину воды, чтобы добиться равномерного потока над формами рельефа дна. Целью является достижение состояния, при котором осадочные частицы в формах рельефа не будут перемещаться, хотя небольшое движение может быть неизбежным. Сначала обеспечьте равномерность потока при работающем насосе.

Выберите две точки в нижней части лотка и зафиксируйте расстояние до поверхности воды для каждой линии. Затем отрегулируйте уклон лотка или глубину воды до тех пор, пока эти значения вертикального расстояния не станут одинаковыми. Затем выключите насос и дождитесь полной остановки движения воды.

Затем в тех же точках, что и ранее, измерьте расстояние от дна лотка до поверхности воды и расстояние между этими точками вертикальных измерений. Рассчитайте уклон канала как разницу между этими измерениями, деленную на наклонное горизонтальное расстояние между ними. Теперь снова включите насос и выберите тестовый участок.

Выберите участок в средней или нижней части лотка, где дюны образовали регулярный узор. Этот разрез должен охватывать как минимум одну полную форму руслового отложения. В тестовом сечении.

Выполните несколько измерений с помощью прозрачной линейки. Сначала определите среднюю глубину осадка, произведя замеры в ложбине и на гребне дюны. Разница между этими значениями представляет собой высоту формы дна.

Затем определите среднюю глубину воды, которая представляет собой среднее расстояние от поверхности воды до поверхности песчаного ложа. После этого измерьте и зафиксируйте среднюю длину волны форм рельефа дна, измерив расстояние между соседними гребнями дюн. Далее запишите скорость потока в канале по данным расходомера в контуре рециркуляции и рассчитайте среднюю скорость течения.

Теперь откройте симуляцию падения мыши и убедитесь, что все эти измерения находятся в пределах диапазонов, указанных в пользовательском интерфейсе. Если измеренный параметр выходит за пределы допустимого диапазона, отрегулируйте его, щелкнув правой кнопкой мыши по ползунку, выбрав «изменить» (edit) и скорректировав минимальное и максимальное значения. Сначала установите камеру на штативе перпендикулярно стенке лотка.

Изображение должно быть центрировано на одной из форм слоя в тестовой секции. Если возникают проблемы с бликами, зафиксируйте положение камеры и отрегулируйте освещение; включение линейки в кадр поможет при масштабировании. Затем, используя шприц с иглой, сделайте два или три небольших впрыска красителя рядом со стенкой лотка.

В результате этих инъекций должны образоваться пятна окрашенной воды диаметром два сантиметра, которые следует расположить в различных точках по вертикали и горизонтали. Зафиксируйте время начала впрыскивания красителя и сделайте исходный снимок. Для обучения может быть полезно использовать прозрачную бумагу, чтобы обвести начальные фронты диффузии и границы зон распространения красителя.

Таким образом, за их перемещениями в лаборатории наблюдать проще, однако этот метод имеет свои недостатки. С помощью камеры зафиксируйте положения фронтов D через соответствующие интервалы времени. Для таймлапс-съемки используйте интервалы в 32 секунды для получения плавного результата.

Для проведения симуляции. Сначала запустите модель mouse drop и сравните полученные результаты с наблюдаемым переносом красителя. В модели mouse drop настройте параметры физической системы так, чтобы они соответствовали экспериментальным условиям в лотках.

При вводе этих параметров обязательно внимательно следите за единицами измерения. Затем переместите ползунки, чтобы указать время, в которое должен измениться цвет отслеживания в симуляции. Установите эти изменения цвета в соответствии с наблюдаемым временем.

Если все временные параметры установлены на ноль, симуляция будет отображаться в одном цвете. После настройки всех параметров нажмите кнопку «setup». В окне симуляции должна появиться форма слоя.

Затем нажмите кнопку мыши, чтобы указать начальные точки размещения виртуальных трассеров. Можно выбрать несколько точек в слое. Чтобы выпустить больше виртуального трассера, удерживайте кнопку мыши нажатой.

После размещения всех виртуальных трассеров нажмите кнопку перехода к следующему моменту времени, чтобы запустить симуляцию. До наступления первого момента времени не нажимайте кнопку настройки, иначе трассеры придется размещать заново. Вы также можете нажать кнопку запуска/остановки для проведения симуляции.

Трассеры будут продолжать движение до тех пор, пока все виртуальные трассеры не покинут систему, если вы не нажмете кнопку остановки. Это также можно использовать для приостановки симуляции, чтобы провести сравнение между смоделированным и измеренным распределением красителя. После запуска симуляции для местоположения каждого трассера вычисляется скорость.

На основе параметров моделирования трейсер перемещается в новое положение с данной скоростью, после чего процедура повторяется до тех пор, пока трейсер не покинет систему. Затем запустите симуляцию интерфейса, нажав «setup», а затем «go stop». Это запустит моделирование с настройками по умолчанию.

Симуляция интерфейса вводит виртуальные трассеры на поверхность русла реки с учетом веса потока на основе рассчитанных подповерхностных скоростей; по умолчанию частицы оставляют траектории, показывающие их путь. Чтобы удалить эти траектории, переведите кнопку «показать пути» в положение выкл. Перевод переключателя «красная капля» в положение вкл отключает график кумулятивного распределения времени пребывания и выпускает одну новую частицу при каждом нажатии.

Выход из системы. После наблюдения за симуляцией с параметрами по умолчанию нажмите «go stop», чтобы остановить её. Затем измените один или несколько параметров и перезапустите симуляцию с новыми значениями, нажав «setup», а затем «go stop». В данном случае мы отрегулировали высоту формы слоя, запустили симуляцию, а затем повторили этот процесс, изменив глубину слоя, чтобы сравнить результаты симуляции с экспериментальными данными.

Первоначальная фотография использовалась для определения положения имитируемого трассера D в момент времени ноль. Затем симуляция была запущена на 34,2 минуты, после чего результат был сравнен с фотографией, сделанной в это время. В целом, модель показала отличные результаты.

Каждая капля D перемещается в тех же общих направлениях, что и в модели, и деформируется аналогично смоделированным каплям D. Однако при внимательном рассмотрении заметны некоторые расхождения. Например, капля D справа имеет более выраженную форму боба, чем в симуляции.

Это, вероятно, обусловлено заметным углублением в топографии поверхности слоя непосредственно над этим сгустком, которое образовалось в процессе его введения в осадок. Еще одним распространенным расхождением является время, которое также не было точно согласовано. Вероятно, это связано с небольшими погрешностями при измерении свойств осадка.

Типичные расхождения возникают в результате сочетания ошибок измерения и физических эффектов второго порядка, вызванных неоднородностью геометрии форм русла, плотностью упаковки осадка и другими факторами. После освоения данной методики ее выполнение занимает 24 часа. При выполнении этой процедуры важно дать формам русла стабилизироваться, проявлять терпение и строго соблюдать единицы измерения при проведении и записи измерений.

После выполнения данной процедуры можно провести другие эксперименты, чтобы ответить на дополнительные вопросы о влиянии топографии, гидравлической проводимости и свойств поверхностных вод на гиперпоток. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как экспериментально визуализировать гиперпоток и как использовать наши компьютерные симуляции.