В рукописи представлен протокол для проведения экспериментов по переносу осадка на грунт, где движущиеся частицы отслеживаются анализом изображения. Здесь представлены экспериментальные установки, процедуры реализации и обработки данных и, наконец, некоторые результаты доказательной концепции.
Анализ изображений все чаще используется для измерения речных потоков из-за его возможностей по предоставлению подробных количественных изображений при относительно низкой стоимости. В этой рукописи описывается применение велоциметрии частиц (PTV) к эксперименту с нагрузкой с легким осаждением. Ключевыми характеристиками исследованных условий переноса осадков были наличие закрытого течения и неподвижного грубого слоя, над которым частицы были выпущены ограниченным числом на входе в лоток. В условиях приложенного потока движение отдельных частиц загрузочной жидкости было прерывистым, с чередованием условий движения и неподвижности. Структура потока была предварительно охарактеризована акустическими измерениями вертикальных профилей скорости потока. Во время визуализации процесса было получено большое поле обзора с использованием двух камер-исполнителей, расположенных в разных местах вдоль лотка. Экспериментальный протокол описывается в терминах chanКалибровка nel, реализация эксперимента, предварительная обработка изображения, автоматическое отслеживание частиц и последующая обработка данных треков частиц с двух камер. Представленные результаты доказательной концепции включают в себя распределение вероятностей длины и продолжительности прыжка частиц. Достижения этой работы сравниваются с достижениями существующей литературы, чтобы продемонстрировать обоснованность протокола.
Поскольку первые разработки появились несколько десятилетий назад 1 , 2 , использование анализа изображений для изучения переноса речных осадков постоянно возрастало. Этот метод действительно доказал свою способность предоставлять сравнительно высокие разрешения и недорогие данные для детального анализа физических явлений 3 , 4 , 5 . Со временем значительно улучшились как аппаратные, так и программные средства.
Измерение переноса осадка может быть выполнено с использованием эйлерова подхода, который предназначен для измерения потоков осадка или лагранжева, который направлен на измерение траекторий отдельных зерен при их движении. Обработка изображений предлагает уникальные возможности для отслеживания частиц по сравнению с другими эйлеровыми методами 6 , 7 . Однако, desЭти возможности потенциально связаны с применением анализа изображений для переноса осадка на носителе с некоторыми критическими экспериментальными ограничениями с точки зрения пространственных / временных шкал поддержки для измерения и размера выборок данных. Например, трудно достичь одновременно соответствующей комбинации большой пространственной области, большой продолжительности эксперимента и высокой измерительной частоты 3 , 4 , 8 без ущерба для качества и количества данных. Кроме того, отслеживание частиц может выполняться вручную 2 , 4 , что требует большого человеческого усилия или автоматически 3 , 8 с возможностью отслеживания ошибок, создаваемых программным обеспечением, используемым для анализа.
В настоящей работе представлен протокол для экспериментального исследования осадка слоя грунта trАнспорт, где долгий срок был достигнут по типу используемой камеры, большое поле зрения обеспечивалось одновременным использованием двух камер в разных местах, и надежная автоматическая обработка стала возможной благодаря специальным экспериментальным условиям. Экспериментальная операция была разработана, и инструменты обработки были отобраны на основе опыта, накопленного авторами в нескольких исследовательских работах, посвященных подробному исследованию переноса осадков методами изображения 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 .
Описан эксперимент по переносу осадков, который был выполнен с выпуском частицНа неподвижной, грубой кровати. Подача частиц была намного меньше, чем пропускная способность потока, чтобы поддерживать низкую концентрацию движущихся зерен, что позволяет избежать скопления частиц, подлежащих отслеживанию. Кроме того, транспортируемые частицы не двигались непрерывно, но наблюдалось прерывистое движение. Использование неподвижного слоя, а не подвижного, представляет собой потерю сходства с природными условиями. Однако неподвижный слой часто использовался в экспериментах по переносу осадков 19 , 20 , 21 в предположении, что результаты являются более простыми и объяснительными, чем результаты сложных сценариев с различными действующими процессами. Использование неподвижного слоя, очевидно, предотвращает наблюдение за процессами захоронения осадков и их повторного появления. С другой стороны, при наличии слабого слоя нагрузки перенос осадка происходит в поверхностном слое рыхлого слоя, и в этом случае,Использование неподвижного слоя может быть адекватным. Фактически, конкретные сравнения свойств движения частиц в экспериментах, проведенных с двумя условиями, не выявили существенных различий 3 , 14 . Наконец, эксперимент, представленный здесь, выполнялся с помощью сжатого потока, чтобы обеспечить оптимальное условие визуализации частиц через прозрачную крышку. Экспериментально исследован перенос осадочных отложений с потоком под давлением в исследовательских прототипирующих ледяных реках, показывающих, что взаимодействие между приповерхностным пограничным слоем и осадком аналогично взаимодействию потока с открытым каналом 22 , 23 . В следующих разделах описаны все методы и представлены некоторые репрезентативные результаты.
Проектирование эксперимента с переносом нагрузок с визуализацией частиц включает в себя несколько этапов, включая выбор экспериментальной конфигурации и аппаратных средств, измерение расхода, сеяние частиц и визуализацию, а также анализ изображений. Вариации на каждом этапе имеют преимущества и недостатки. Ключевыми характеристиками протокола, представленными в этой рукописи, являются: (i) использование потока под давлением и неподвижного грубого слоя; (ii) посев небольшого количества частиц с загружаемым слоем, имеющим контрастный цвет, к цвету неподвижного слоя; (iii) Используя естественный свет и (iv) использование нескольких камер для получения независимых наборов дорожек, которые должны быть соединены друг с другом.
Экспериментальный метод и обработка данных позволяют надежно отслеживать частицы грунта для окончательного измерения. Покрытый поток гарантирует оптимальное видение движущихся частиц. Однако неподвижный слой препятствует наблюдению за некоторыми процессами ( например , связанными с Vertica L перемещений частиц осадка в активном слое нагрузки) и, таким образом, ограничивает применимость метода к слабым нагрузкам на кровать.
Размер выборок данных, полученных с использованием только 100 с фильма, был относительно небольшим. Однако размер выборки может быть легко увеличен за счет удлинения экспериментальной продолжительности получения и обработки изображений. Подача ограниченного количества частиц требует более длительного экспериментального времени, чем кормление с существенно более высокой скоростью; Но это стоит усилий из-за относительно простого отслеживания частиц из-за небольшой концентрации движущихся частиц и использования разных цветов, которые уменьшают вероятность отслеживания ошибок. Использование естественного света в эксперименте позволяет избежать необходимости использования осветительных приборов; Однако недостатком является то, что хорошее освещение зависит от погодных условий.
CFD длины и продолжительности прыжка частиц, изображенные вG "> Рисунок 4 показывает наименьшие значения как наиболее частые. Наибольшие измеренные значения длины и продолжительности скачка составляли около 600 мм и 7 с соответственно. Это было значительно больше по сравнению с аналогичными значениями из литературы 4 , 16 , 30 , Поскольку измерение длинных дорожек сопряжено с риском прыжков с длинными частицами. Преимущество использования двух камер очевидно, учитывая, что одна камера имела длину зоны фокусировки около 850 мм, что не было бы намного больше, чем измерялось значение длины прыжка. Вместо этого измерительный протокол, использующий две камеры, обеспечил удовлетворительное разделение между шкалами длины процесса и величинами измерительного поля, что уменьшало риск смещения феноменологических результатов из-за экспериментальных ограничений. Кроме того, область фокусировки может быть дополнительно удлинена Увеличивая количество камер, расположенных вдоль лотка.
Альтернативная процедура по сравнению с описанным здесь протоколом заключается в создании перекрытых изображений перед идентификацией и отслеживанием частиц. Наш протокол (для выполнения отслеживания дважды и связывания дорожек частиц) был предпочтительным, поскольку метод слияния изображений удвоил бы размер файлов данных, требуя, чтобы потребление памяти было недоступным.
С описанными здесь алгоритмами обработки несколько следов частиц, которые были короче длины перекрывающейся области, были отброшены, поскольку они предотвратили полную реконструкцию следов осадка. Однако пороговая длина 120 мм была на порядок меньше, чем длина дорожек, которые могли быть получены, и поэтому потеря этих данных была приемлемой. Более того, соединение треков, показанное в нижних 8 случаях на рисунке 1 , не позволило бы значительно увеличить длину дорожки. С другой стороны, эти ситуации могут помочьВ поиске длинных дорожек, таких как ситуация на рисунке 5, которая может быть вызвана перерывами в треке. В аналогичном случае длинная дорожка может быть восстановлена итерационными операциями присоединения. Однако важно иметь в виду, что прерывания трека, как на рис. 5 , явно связаны с процессом отслеживания, а не с процессом соединения.
В этой рукописи представлены результаты доказательной концепции для одного эксперимента, чтобы продемонстрировать возможности принятого протокола. В будущих экспериментах протокол будет применен к ряду различных гидродинамических условий для обеспечения детального анализа процесса переноса осадка на слое.
Рисунок 5: Ситуация присоединения трека в присутствии прерываний. </Strong> Объединение этих дорожек в одну дорожку невозможно с описанным здесь протоколом. Как упоминалось в заголовке на фиг. 1 и на шаге 8.4 Протокола, дорожки, длина которых меньше длины перекрывающейся области, исключаются. Это устраняет короткие красные и зеленые дорожки; Поэтому оставшиеся длинные нельзя присоединить, потому что у них нет общей точки. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Исполнительным агентством исследований в рамках 7-й рамочной программы Европейского союза, поддержки обучения и развития карьеры исследователей (Marie Curie – FP7-PEOPLE-2012-ITN), которая финансировала Первоначальную учебную сеть (ITN) HYTECH «Гидродинамический транспорт в экологически критических гетерогенных интерфейсах» (номер 316546). Он также был поддержан Полиским территориальным бюро Лекко Политехнического университета Милана. Эксперименты проводились во время визита С.С. в Политехникум Милано в качестве приглашенного ученого. Авторы благодарят Тарчизио Фаццини, Стефанию Херби, Франческо Моттини (студентов из Университета Миланского политехнического университета) и Сейеда Аббаса Хоссейни-Садабади (сотрудник проекта HYTECH и студент Ph.D. в Политехническом университете Милана) за поддержку Экспериментальной деятельности и анализа данных. Авторы с благодарностью выражают благодарность профессору Роджеру Ноксу (Университет Кентербери, Крайстчерч, Новая Зеландия) за предоставление SПрограммное обеспечение и постоянный совет. Наконец, авторы благодарят редактора JoVE и трех анонимных рецензентов за их задумчивые комментарии и предложения, благодаря которым рукопись может быть значительно улучшена.
Laser distance sensor | METRICA | PREXISOX2 | Used to measure the flume slope |
Two-component polyester resin | Gelson | MS 65213 | Used to glue sediment particles onto steel plates |
Water-resistant spray paint | Any | Used to paint the fixed bed | |
Ultrasonic Velocity Profiler | Signal Processing | DOP 2000 | Used to measure the water velocity profiles |
Camera | Go-Pro | Hero 4 Black | Used to acquire movies of bed-load particle motion |
Streams | University of Canterbury | 2.01 | Used for particle identification and tracking |
MatLab | MathWorks | R14 | Used to develop ad hoc codes for a variety of operations |
Plexiglas | Transparent acrylic material |