Лагранжианское отслеживание частиц на основе изображений в экспериментах с нагрузочной нагрузкой

Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы измерить траектории отдельных частиц, переносимых потоком в виде нагрузки слоя на большой площади наблюдения, чтобы избежать экспериментальной систематической ошибки, связанной с максимальной длиной измеряемых дорожек. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы механики переноса нагрузки в слое, поскольку он предоставляет подробную информацию о движении частицы и событиях покоя. Основное преимущество этого метода заключается в том, что транспортируемые частицы можно отслеживать на больших расстояниях, что позволяет наблюдать за длительными исследованиями.

Впервые идея этого метода пришла нам в голову при анализе данных предыдущих экспериментов, когда мы поняли, что частицы могут переноситься на большие расстояния относительно окон наблюдения. Во-первых, подготовьте набор стальных пластин, покрытых слоем осадка из интересующих частиц. Покройте поверхность осадка водостойкой черной краской.

Далее на дно лотка поместите опоры из ПВХ и уложите пластины на опоры. При необходимости отрегулируйте расположение пластины, чтобы обеспечить непрерывность слоя осадка. Затем накройте канал прозрачными акриловыми крышками.

Установите лоток на нужный наклон. Затем включите лотковый насос и заполните канал водой. Установите расход с помощью регулирующего клапана.

Установите высоту напора немного выше крышек каналов с помощью регулятора глубины воды. Убедитесь, что поток закрыт, не оказывая значительного усилия на крышки. Проверяйте расход и высоту напора каждые 15 минут до тех пор, пока изменение между измерениями не станет небольшим, что указывает на стабильный расход.

Затем установите ультразвуковой профилограф скорости в держатель с заданным наклоном. Нанесите ультразвуковой гель на наконечник зонда. Поместите щуп над крышкой лотка хвостиком щупа по направлению к входу в канал.

Правильное размещение зондирующего геля имеет решающее значение для получения хороших профилей скоростей для определения характеристик фоновых гидродинамических условий. Подключите датчик к модулю сбора данных и настройте прибор для мгновенных профилей скорости. Получите желаемое количество профилей скорости.

Затем измените положение зонда и получите еще один набор профилей скорости. Таким образом можно получить профили скоростей для каждого места измерения на лотке. Затем вычислите среднее значение скорости для каждого местоположения и определите компоненты скорости по потоку и по вертикали.

Отрегулируйте значения соответственно для среды, через которую проходил акустический луч. Определите диапазон высот, на которых профиль компонент скорости по потоку показывает линейный тренд на полулогарифмическом графике. Подгонка кривой под логарифмическое уравнение и оценка скорости сдвига.

Чтобы начать эксперимент, установите частоту кадров и разрешение двух экшн-камер на нужные параметры. Устанавливайте камеры на боковых стенках крышек, обращенных к дну канала, достаточно близко друг к другу, чтобы участки фокусировки перекрывались. Убедитесь, что лоток отмечен визуальными опорными точками для известных расстояний.

Запишите короткое видео с каждой камеры. На основе записей отрегулируйте положение и ориентацию камеры, чтобы канал находился в кадре, а зоны фокусировки перекрывались. Убедитесь, что поток через канал стабилен.

Затем начните медленно подавать интересующие частицы вручную во входное отверстие лотка со скоростью одна частица каждые две-три секунды. Мы подаем небольшое количество отложений, потому что наличие небольшого количества частиц в поле зрения важно для простого отслеживания отложений. Однако при небольших разрядах некоторые частицы могут застрять в области фокусировки.

Начните запись с обеих видеокамер. Выключите свет в комнате, чтобы создать маркер для последующей синхронизации камеры. Поддерживайте постоянный уровень освещенности на протяжении всего эксперимента.

Продолжайте подавать частицы в лоток в течение желаемой продолжительности эксперимента. Затем остановите камеры и удалите захваченные частицы из осадочного слоя. При необходимости повторите эксперимент в других гидродинамических условиях.

Чтобы начать обработку изображений, извлеченных из видео, сначала примените радиальное преобразование к координатам пикселей таким образом, чтобы стороны канала отображались как прямые линии. Определите преобразование, коэффициент преобразования пикселей в расстояние на основе высоты ложа и опорных маркеров для известных расстояний. Затем создайте новую последовательность изображений в программном обеспечении для анализа изображений потока жидкости.

Заполните интервал времени между кадрами и коэффициент преобразования пикселей в расстояние для последовательности изображений. Выберите интересующие файлы и запустите процесс. Создание карт интенсивности случайной выборки изображений частиц из последовательности.

Определите подходящее пороговое значение для интенсивности интересующих частиц. Затем создайте конвейер фильтрации для последовательности. Установите фильтр на удаление фона.

Создание нового алгоритма идентификации частиц с использованием одного порога. Заполните пороговые значения интенсивности и диаметра частиц. Добавьте процессы идентификации частиц в конвейер фильтра, а затем выполните их.

После завершения фильтрации откройте вид изображения только что созданной записи частиц. Прокрутите кадры и обратите внимание на смещение частиц между изображениями. Затем создайте новый конвейер анализа PTV.

Создайте новый анализ и выберите расстояние во вкладке калькуляции. Заполните в окне поиска положение и размеры. Добавьте новый процесс в конвейер и выполните его.

Используйте повторное подключение трека, чтобы устранить любые прерывания в отдельных записях частиц. Повторите этот процесс для второй записи камеры. Затем в специализированном модуле обработки изображений выберите файл трека для обеих камер и нажмите «Найти свойства трека».

Сравните изображения с восходящей и нисходящей камер, чтобы определить смещение координат между камерами. Заполните смещение координат для нижестоящей камеры и нажмите кнопку Сделать систему отсчета равномерной. Заполните границы области перекрытия между изображениями.

Удалите все траектории, размер которых меньше длины области перекрытия. Объедините базы данных треков частиц и заполните допуски перекрытия. Затем присоединяйтесь к трекам.

После завершения процесса сохраните результаты, а затем проанализируйте данные трека, чтобы исследовать кинематику частиц в слое. Измеренный профиль скорости потока был асимметричным, что объяснялось разницей в шероховатости между слоем осадка и крышкой канала. Восходящая и нисходящая камеры показывают 37 и 34 трека соответственно в течение 100 секунд.

После объединения данных с обеих камер было выявлено в общей сложности 59 следов. Самая длинная трасса охватывала все смотровое окно и имела общую длину около 1,6 метра. Следы были проанализированы, чтобы определить, когда частицы находились в движении или в состоянии покоя на слое осадочных пород.

Большая площадь наблюдений позволила идентифицировать длинные пролеты, при этом в этих гидродинамических условиях наблюдались пролеты до 600 миллиметров. Было обнаружено, что более короткие и быстрые прыжки происходят чаще всего. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как проводить эксперименты по переносу осадочных пород по отслеживанию частиц на больших площадях.

Пока вы пытаетесь выполнить эту процедуру, не забудьте убедиться, что освещение эксперимента хорошее, даже несмотря на то, что изображения могут быть собраны разными способами, начиная с высококачественных изображений, что упрощает большую часть последующей работы. После своего развития этот метод проложил путь исследователям в области транспортеров осадочных пород для изучения различных индикаторов для интерпретации и моделирования процессов.