Boya Deneyler ve Simülasyonu kullanarak yatak oluşumları sayesinde Hyporheic Akışı görselleştirme

Bu prosedürün genel amacı, fiziksel deneyle güçlü bir şekilde örtüşen bir simülasyon oluşturan modelleme yazılımı kullanarak hipo EIC akışını deneysel olarak göstermektir. Bu yöntem; bir akarsuyun altındaki sedimentler arasından geçen su akışının sediment, topografya ve yüzey suyu özelliklerinden nasıl etkilendiğini göstererek hidroloji alanındaki temel kavramların açıklanmasına yardımcı olabilir. Bu yöntem hiper IC akışını araştırmak için kullanılabileceği gibi, eğitim laboratuvarlarında her seviyedeki öğrenciye hiper IC akışını göstermek amacıyla da kullanılabilir.

Bu tekniğin temel avantajı, fiziksel laboratuvar deneylerini aynı fenomeni simüle eden etkileşimli bilgisayar yazılımıyla birleştirmesidir. Görsel gösterim, fiziksel deneyler ile simülasyonlar arasındaki mekansal benzerlikleri ve farklılıkları ortaya koyarak hiper prensiplerine dair daha derin bir anlayış geliştirilmesini teşvik eder. İşleme, gerekli yazılım olan NetLogo'nun ve NetLogo'da çalıştırılacak iki betiğin yüklenmesiyle başlayın.

Logo, fare bırakma ve arayüz. Ardından, metin protokolündeki talimatları izleyerek, tüm parametrelerin fare bırakma simülasyonu parametre aralığı kısıtlamaları dahilinde kalacağı şekilde laboratuvar flumunu kurun. İstenilen özelliklerde bir yatak formu oluşturmak için flumu 12 ila 24 saat boyunca çalıştırın.

Yatak formu üzerinde tekdüze bir akış elde etmek için flume eğimini ve su derinliğini ayarlayın. Hedef, yatak formlarındaki sediment tanelerinin hareket etmiyor görünmesidir, ancak az miktarda hareket kaçınılmaz olabilir. İlk olarak, pompa çalışırken akışı tekdüze hale getirin.

Kanalın tabanında iki nokta seçin ve her bir hat için su yüzeyine olan mesafeyi kaydedin. Ardından, bu dikey mesafe ölçümleri eşitlenene kadar kanalın eğimini veya su derinliğini ayarlayın. İkinci olarak, pompayı durdurun ve suyun hareketi kesilene kadar bekleyin.

Ardından, daha önce belirlenen aynı konumlarda, kanal tabanından su yüzeyine olan mesafeleri ve bu dikey ölçümler arasındaki mesafeyi ölçün. Kanal eğimini, bu ölçümler arasındaki farkın, aralarındaki eğimli yatay mesafeye bölünmesiyle hesaplayın. Şimdi pompayı yeniden çalıştırın ve bir test bölümü seçin.

Kanalın ortasında veya aşağı akış ucunda, kum tepelerinin düzenli bir desen oluşturduğu bir konum seçin. Bu kesit, en az bir tam yatak formunu kapsamalıdır. Test kesiminde.

Şeffaf bir cetvel kullanarak birkaç ölçüm yapın. İlk olarak, bir kumul çukurundan ve bir kumul tepesinden ölçümler alarak ortalama sediman derinliğini belirleyin. Bu ölçümler arasındaki fark, yatak formu yüksekliğidir.

Ardından, su yüzeyinden kum yatağı yüzeyine olan ortalama mesafe olan ortalama su derinliğini bulun. Daha sonra, ardışık kum tepesi zirveleri arasındaki mesafeyi ölçerek ortalama yatak formu dalga boyunu ölçün ve kaydedin. Son olarak, resirkülasyon döngüsündeki bir akış ölçerden kanal akış hızını kaydedin ve ortalama akış hızını hesaplayın.

Şimdi, fare düşme simülasyonunu açın ve tüm bu ölçümlerin kullanıcı arayüzünde belirtilen aralıklarda olduğunu kontrol edin. Ölçülen bir parametre kısıtlama aralığının dışındaysa, sürgüye sağ tıklayıp, düzenle'yi seçerek ve minimum ile maksimum değerleri ayarlayarak parametre aralığını düzenleyin. İlk olarak, flume duvarına dik bakacak şekilde bir tripoda kamera kurun.

Görüntü, test bölümündeki tek bir yatak formuna odaklanmalıdır. Yansımalar sorun oluşturursa kamera konumunu sabitleyin ve aydınlatmayı ayarlayın; ölçeklendirmeye yardımcı olması için görüntüye bir cetvel eklemek faydalı olabilir. Ardından, bir şırınga ve iğne kullanarak kanal duvarının yakınına iki veya üç küçük boya enjeksiyonu yapın.

Bu enjeksiyonlar, çeşitli dikey ve yatay konumlara yerleştirilmesi gereken iki santimetrelik renkli dökme su yamaları oluşturmalıdır. Boya enjeksiyonlarının başlangıç zamanını kaydedin ve başlangıç fotoğrafını çekin. Başlangıç D cephelerini ve boya etrafındaki sınırları çizmek için şeffaf kağıt kullanmak eğitici olabilir.

Bu nedenle, hareketlerini laboratuvarda gözlemlemek daha kolaydır, ancak bu yöntemin belirli ödünleşimleri vardır. Kamerayı kullanarak, uygun zaman aralıklarında D cephelerinin konumlarını kaydedin. Time-lapse fotoğrafçılığı için, pürüzsüz sonuçlar elde etmek amacıyla 32 saniyelik aralıklar kullanın.

Bir simülasyon için. Önce mouse drop'u çalıştırın ve sonuçları gözlemlenen boya taşınımı ile karşılaştırın. Mouse drop'ta, fiziksel sistem parametrelerini flumların deneysel koşullarına uyacak şekilde ayarlayın.

Bu parametreleri girerken birimlere dikkat ettiğinizden emin olun. Ardından, simülasyon takip renginin hangi zamanlarda değişeceğini belirtmek için sürgülere ayar yapın. Bu renk değişimlerini, gözlemlenen zamanlarla eşleşecek şekilde ayarlayın.

Zaman parametrelerinin tamamı sıfıra ayarlanırsa, simülasyon boyunca tek bir renk görüntülenir. Tüm parametreler ayarlandıktan sonra kurulum düğmesine tıklayın. Yatak formu simülasyon görünümünde belirmelidir.

Ardından, sanal izleyicilerin başlangıç konumlarını belirtmek için fare açılır düğmesine tıklayın. Yatakta birden fazla konuma tıklanabilir. Daha fazla sanal izleyici salmak için fareye basılı tutun.

Tüm sanal izleyiciler yerleştirildikten sonra, simülasyonu çalıştırmak için bir sonraki zamana ilerle düğmesine tıklayabilirsiniz. Birinci zamana kadar kurulum düğmesine tekrar tıklamayın, aksi takdirde izleyicilerin yeniden yerleştirilmesi gerekecektir. Simülasyonu çalıştırmak için başlat/durdur düğmesine de tıklayabilirsiniz.

Durdurma düğmesine basmadığınız sürece, tüm sanal izleyiciler sistemden çıkana kadar izleyiciler hareket etmeye devam edecektir. Bu özellik, simülasyonu duraklatmak ve böylece simüle edilen ile ölçülen boya dağılımları arasında karşılaştırmalar yapmak için kullanılabilir. Simülasyon çalışmaya başladığında, her bir izleyicinin bulunduğu konum için hız hesaplanır.

Simülasyon parametrelerine dayanarak, izleyici bu hızı kullanarak yeni bir konuma hareket eder, ardından izleyici sistemden çıkana kadar prosedür tekrarlanır. Sonrasında, önce setup, ardından go stop seçeneğine tıklayarak arayüz simülasyonunu çalıştırın. Bu işlem, simülasyonu varsayılan ayarlarla çalıştıracaktır.

Arayüz simülasyonu, sanal izleyicileri varsayılan olarak hesaplanan yer altı hızlarına dayalı akı ağırlıklı bir yöntemle akarsu yatağı yüzeyine yerleştirir; parçacıklar bulundukları yerleri gösteren yollar bırakır. Bu yolları ortadan kaldırmak için yolları göster düğmesini kapalı konuma getirin. Kırmızı damla anahtarını açık konuma getirmek, kümülatif kalış süresi dağılım grafiğini devre dışı bırakır ve her seferinde yeni bir parçacık salar.

Sistemden çıkış yapılır. Varsayılan parametrelerle simülasyon gözlemlendikten sonra, simülasyonu durdurmak için "go stop"a tıklayın. Ardından bir veya daha fazla parametreyi değiştirin, "setup"a tıklayarak yeni parametrelerle simülasyonu yeniden başlatın ve ardından tekrar "go stop"a tıklayın; burada yatak formu yüksekliğini ayarladık, simülasyonu çalıştırdık ve ardından simülasyonu deneysel sonuçlarla karşılaştırmak için yatak derinliğini ayarlayarak işlemi tekrarladık.

Başlangıç fotoğrafı, simüle edilmiş D izleyicisinin sıfırıncı zamandaki konumunu belirlemek için kullanıldı. Ardından simülasyon 34,2 dakika boyunca çalıştırıldı ve o sırada çekilen bir fotoğraf ile karşılaştırıldı. Genel olarak, model mükemmel bir iş çıkardı.

Her bir D damlacığı, modelle aynı genel yönlerde hareket eder ve simüle edilen D damlacıklarına benzer şekilde deforme olur. Ancak dikkatli bir inceleme bazı farklılıklar olduğunu göstermektedir. Örneğin, sağdaki D damlacığı simülasyona göre daha çok fasulye şeklinde bir yapı oluşturur.

Bu durum, muhtemelen bu damlanın sedimente enjekte edilmesi sırasında oluşan ve hemen üzerindeki yatak formu topografyasındaki gözlemlenebilir çöküntüden kaynaklanmaktadır. Bir diğer yaygın tutarsızlık ise, yine mükemmel olmayan zamanlamadır. Bu durum, muhtemelen sediment özelliği ölçümlerindeki küçük hatalardan kaynaklanmaktadır.

Yaygın tutarsızlıklar, ölçüm hataları ile düzensiz yatak formu geometri değişkenliği ve sediment paketlenmesi gibi ikinci dereceden fiziksel etkilerin birleşiminden kaynaklanmaktadır. Uzmanlaşıldığında, bu teknik 24 saat içinde tamamlanabilir. Bu prosedür uygulanırken, yatak formunun stabilize olmasına izin vermek, sabırlı olmak ve ölçümler yapılırken ve girilirken birimlere dikkat etmek önemlidir.

Bu prosedürün ardından, topografyanın, hidrolik iletkenliğin ve yüzey suyu özelliklerinin hiper akış üzerindeki etkisine dair ek soruları yanıtlamak için başka deneyler gerçekleştirilebilir. Bu videoyu izledikten sonra, hiper akışın deneysel olarak nasıl görselleştirileceği ve bilgisayar simülasyonlarımızın nasıl kullanılacağı konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.