Manuskriptet presenterar ett protokoll för ledning av sedimenttransportförsök med sänglast, där de rörliga partiklarna spåras genom bildanalys. Den experimentella anläggningen, förfarandena för körförverkligande och databehandling, och slutligen presenteras några proof-of-concept-resultat här.
Bildanalys har i allt högre grad använts för mätning av flodflöden på grund av dess förmåga att tillhandahålla detaljerade kvantitativa skildringar till en relativt låg kostnad. Detta manuskript beskriver en applikation av partikelspårnings-velocimetri (PTV) till ett sängbelastningsexperiment med lätt sediment. De viktigaste egenskaperna hos de undersökta sedimenttransportbetingelserna var närvaron av ett täckt flöde och en fast grovbädd ovanför vilken partiklar frigjordes i begränsat antal vid flumeinloppet. Under de applicerade flödesförhållandena var rörelsen hos de enskilda bäddbelastningspartiklarna intermittenta med växlande rörelse- och stillhetsbetingelser. Flödesmönstret kännetecknades preliminärt av akustiska mätningar av vertikala profiler av strömningshastigheten. Under processvisualisering erhölls ett stort synfält med användning av två actionkameror placerade på olika platser längs flamma. Det experimentella protokollet beskrivs med avseende på chanNelkalibrering, experimentrealisering, bildförbehandling, automatisk partikelspårning och efterbehandling av partikelspårdata från de två kamerorna. De presenterade proof-of-concept-resultaten inkluderar sannolikhetsfördelningar av partikelhopplängden och varaktigheten. Resultatet av detta arbete jämförs med de befintliga litteraturen för att visa protokollets giltighet.
Sedan banbrytande arbeten uppstod för några årtionden sedan 1 , 2 , har användningen av bildanalys för studier av flodsedimenttransporter ständigt ökat. Denna teknik visade sig faktiskt sin förmåga att tillhandahålla relativt högupplösande och lågkostnadsdata för detaljerade analyser av fysiska fenomen 3 , 4 , 5 . Med tiden har betydande förbättringar uppnåtts för både hårdvaru- och mjukvaruverktyg.
Mätningen av sedimenttransport kan utföras med hjälp av ett Eulerian-tillvägagångssätt som riktar sig till mätning av sedimentflöden eller en Lagrangian som syftar till att mäta banor av enskilda korn när de rör sig. Bildbehandling ger unika möjligheter till partikelspårning i jämförelse med andra euleriska metoder 6 , 7 . Men desPå grund av dessa möjligheter lider tillämpningen av bildanalys på sedimenterad sedimenttransport på grund av några kritiska experimentella begränsningar, när det gäller rumsliga / temporära stödvågar för mätning och storlek av dataprover. Exempelvis är det svårt att samtidigt uppnå en lämplig kombination av ett stort rumsligt område, ett långt försök och en hög mätfrekvens 3 , 4 , 8 utan att kompromissa med kvaliteten och kvantiteten av data. Dessutom kan partikelspårningen utföras manuellt 2 , 4 , vilket kräver en stor mänsklig ansträngning, eller automatiskt 3 , 8 , med möjlighet att spåra fel som gjorts av den programvara som används för analysen.
I detta papper presenteras ett protokoll för den experimentella undersökningen av sädbelastningssedimentet trAnsport, där lång varaktighet uppnåddes av den använda kameran, var ett stort synvinkel säkerställt genom simultan användning av två kameror på olika platser och pålitlig automatisk behandling möjliggjordes genom ad hoc- experimentella förhållanden. Den experimentella operationen utformades och bearbetningsverktygen valdes utifrån erfarenheter som upphovsmännen förvärvade i flera forskningsarbeten som behandlade den detaljerade undersökningen av sedimenttransport med bildmetoder 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 .
Ett sedimenttransportexperiment beskrivs, vilket utfördes att frigöra partikelÄr över en fast, grov säng. Partikelmatningen var mycket mindre än transportkapaciteten hos flödet för att upprätthålla en låg koncentration av rörliga korn, varigenom överbelastningen av partiklar som spåras skulle undvikas. Vidare rör de transporterade partiklarna inte kontinuerligt, men intermittent rörelse observerades. Användningen av en fast säng snarare än en rörlig en representerar en förlust av likhet med naturliga förhållanden. En fast säng användes emellertid ofta i sedimenttransportförsök 19 , 20 , 21 under antagandet att resultaten är enklare och förklarande än de från komplicerade scenarier med en mängd olika processer. Användningen av en fast säng förhindrar självfallet att processer för sedimentbegravning och återkomst uppfattas. Å andra sidan, i närvaro av en svag bäddbelastning, sker transporten av sediment i ett ytskikt av en lös bädd, och i detta fall,Användning av en fast säng kan vara tillräcklig. I själva verket presenterade specifika jämförelser mellan egenskaperna hos partikelrörelse i experiment som kördes med de två tillstånden inga signifikanta skillnader 3 , 14 . Slutligen utfördes experimentet som presenterades här med ett trycksatt flöde för att säkerställa ett optimalt tillstånd för partikelvisualisering genom ett transparent täcke. Sedimenttransport med tryckflöde har studerats experimentellt i forskningsprototypning av istäckta floder, vilket visar att samspelet mellan det nära bäddsgränsskiktet och sedimentet är analogt med det för öppet kanalflöde 22 , 23 . I följande avsnitt beskrivs alla metoder och några representativa resultat tillhandahålls.
Att utforma ett bed-load transportexperiment med partikelvisualisering innefattar flera steg, inklusive valet av experimentella konfigurations- och hårdvaruverktyg, flödesmätning, partikelsåning och visualisering samt bildanalys. Variationer vid varje steg har fördelar och nackdelar. De viktigaste egenskaperna hos protokollet som presenteras i detta manuskript är: (i) användning av ett trycksatt flöde och en fast grov säng, (ii) sådd av ett lågt antal bäddbelastade partiklar som har en kontrasterande färg i den fasta bäddfärgen, Använder naturligt ljus och, (iv) använder flera kameror för att erhålla oberoende spåruppsättningar som ska förenas med varandra.
Experimentell metod och databehandling möjliggör spårning av bäddbelastade partiklar för den slutliga mätningen. Det täckta flödet garanterar en optimal syn på de rörliga partiklarna. Den fasta sängen förhindrar dock observation av vissa processer ( t.ex. de som är kopplade till vertica L förskjutningar av sedimentpartiklar i det aktiva belastningsskiktet) och begränsar således tillämpligheten av tekniken till svaga bäddbelastningar.
Storleken på de dataprover som erhölls med användning av endast 100 s av film var relativt liten. Samplingsstorleken kan emellertid lätt ökas genom att förlänga experimentell varaktighet för bildförvärv och bearbetning. Matning av ett begränsat antal partiklar kräver en längre experimentell tid än utfodring med en väsentligt högre hastighet; Men det är väl värt ansträngningen på grund av en relativt enkel partikelspårning på grund av den lilla koncentrationen av partiklar i rörelse och användningen av olika färger, vilka båda minskar sannolikheten att spåra misstag. Användningen av naturligt ljus i experimentet undviker behovet av belysningsanordningar; En nackdel är dock att bra belysning beror på väderförhållandena.
CFDs med partikelhopplängd och längd avbildad iG "> Figur 4 visar de lägsta värdena som de vanligaste. De största uppmätta värdena för hoplängd och varaktighet var omkring 600 mm respektive 7 s. Detta var signifikant större jämfört med motsvarande värden från litteraturen 4 , 16 , 30 Eftersom mätning av längre spår löper risken för långa partikelhoppar. Fördelen med att använda två kameror är tydlig med tanke på att en enda kamera hade en fokusområde längd på ca 850 mm, vilket inte skulle vara mycket större än hoplängdsvärdena som skall mätas. Mätprotokollet med användning av två kameror i stället säkerställde en tillfredsställande separation mellan processens längdskala och mätfältets storlek, vilket reducerar risken för att förspänna de fenomenologiska resultaten på grund av experimentella begränsningar. Dessutom kan fokusområdet förlängas ytterligare av Ökar antalet kameror placerade längs flamma.
Ett alternativt förfarande jämfört med protokollet som beskrivs här är att skapa överlappade bilder före partikelidentifiering och spårning. Vårt protokoll (att utföra spårningen två gånger och länka partikelspår) var att föredra, eftersom bildsammansättningsmetoden skulle ha fördubblat storleken på datafilerna, vilket kräver en minnesförbrukning som inte var överkomlig.
Med de behandlingsalgoritmer som beskrivs här kassades flera partikelspår som var kortare än längden på överlappningsområdet, eftersom de förhindrade en fullständig rekonstruktion av sedimentspåren. Tröskelängden på 120 mm var emellertid en storleksordning kortare än de spårlängder som kunde erhållas och förlusten av dessa data var därför acceptabel. Vidare skulle spårförbandet som ses i de nedre 8 fallen i Figur 1 inte möjliggöra en signifikant ökning av spårlängden som skall erhållas. Å andra sidan kan dessa situationer hjälpaVid hämtning av långa spår, såsom situationen i Figur 5, som kan bero på spåravbrott. I ett liknande fall kan en lång spår rekonstrueras genom iterativ samverkan. Det är dock viktigt att komma ihåg att spårningsavbrott som de i Figur 5 är tydligt relaterade till spårningsprocessen snarare än till anslutningsprocessen.
Detta manuskript presenterade proof-of-concept-resultat för ett enda experiment för att visa förmågan hos det antagna protokollet. I framtida experiment kommer protokollet att tillämpas på en rad olika hydrodynamiska förhållanden för att uppnå en detaljerad analys av sädbelastningssedimenttransportprocessen.
Figur 5: En situation av spår som går samman i närvaro av avbrott. </Strong> Sammanfogningen av dessa spår i ett enda spår är inte möjligt med det protokoll som beskrivs här. Som nämnts i bildtexten i figur 1 och i steg 8.4 i protokollet är spåren kortare än längden på överlappningsområdet uteslutna. Detta eliminerar korta röda och gröna spåren; Därför kan de återstående långa inte förenas eftersom de inte har någon gemensam punkt. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av Forskningsstyrelsen genom EU: s sjunde ramprogram, stöd till utbildning och karriärutveckling av forskare (Marie Curie – FP7-PEOPLE-2012-ITN), som finansierade ITN-nätverket (Initial Training Network) HYTECH "Hydrodynamisk transport i ekologiskt kritiska heterogena gränssnitt" (nummer 316546). Det stöddes också av Polo Territoriale di Lecco från Politecnico di Milano. Experimenten utfördes under ett besök av SS till Politecnico di Milano som besökande forskare. Författarna tackar Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc.-studenter vid Politecnico di Milano) och Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (medarbetare i Hytta-projektet och doktorand vid Politecnico di Milano) för att stödja Experimentell aktivitet och dataanalysen. Författarna tackar tacksamt Roger Nokes (University of Canterbury, Christchurch, Nya Zeeland) för att ge SMjukvara och konstant rådgivning. Slutligen tackar författarna JoVE-hanteringsredaktören och tre anonyma granskare för deras tankeväckande kommentarer och förslag, tack vare vilket manuskriptet kan förbättras avsevärt.
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 |