قياس الكمي في الموقع التدفقات باستخدام جهاز قائم بذاته Velocimetry تحت الماء (SCUVA)
概要
هذا البروتوكول ينص على تعليمات حول كيفية استخدام جهاز قائم بذاته velocimetry تحت الماء (SCUVA) ، الذي صمم لتقدير حجم تدفقات الحيوانية التي تم إنشاؤها في الموقع. بالإضافة إلى ذلك ، يعالج هذا البروتوكول التحديات التي تفرضها الظروف الميدانية ، ويتضمن الاقتراح المشغل ، والموقف من الحيوانات التنبؤ ، واتجاه SCUVA.
Abstract
القدرة على قياس سرعة الحقول مباشرة في بيئة السائل الضروري لتوفير البيانات التجريبية للدراسات في مجالات متنوعة مثل علم المحيطات ، والبيئة ، والبيولوجيا ، وميكانيكا السوائل. القياسات الميدانية تحديات عملية إدخال مثل الظروف البيئية ، وتوافر الحيوانية ، والحاجة إلى تقنيات القياس الميداني متوافقة. لتجنب هذه التحديات ، والعلماء عادة استخدام بيئات مختبر للرقابة على دراسة الحيوانات السائل التفاعلات. ومع ذلك ، فإنه من المنطقي أن مسألة ما إذا كان يمكن للمرء أن استقراء السلوك الطبيعي (أي أن الذي يحدث في الميدان) من القياسات المعملية. لذا ، في الموضع قياسات التدفق الكمي وهناك حاجة لوصف دقيق للسباحة الحيوانات في بيئتها الطبيعية.
قمنا بتصميم بذاتها ، الجهاز المحمول التي تعمل مستقلة عن أي اتصال على السطح ، ويمكن توفير قياسات كمية تدفق الحقل surrounding حيوان. ويمكن تشغيل هذا الجهاز ، وهي بذاتها جهاز velocimetry تحت الماء (SCUVA) من قبل الغواص واحد في أعماق تصل إلى 40 متر. مطلوبة نظرا لتعقيد وأضاف الأصيل في الظروف الميدانية ، وإعداد اعتبارات إضافية عند مقارنة القياسات المعملية. وتشمل هذه الاعتبارات ، ولكنها لا تقتصر على حركة التشغيل ، وتوقع موقف الأهداف السباحة والطبيعية المتاحة الجسيمات العالقة ، والتوجه من SCUVA النسبية لتدفق الفائدة. ويهدف البروتوكول التالي لمعالجة هذه التحديات الميدانية المشتركة وتعظيم نجاح القياس.
Protocol
Discussion
ومن المعوقات المحتملة في الميدان هو الحاجة للجسيمات في التدفق ، والتي تكون ضرورية لتنفيذ الرقمية velocimetry صورة الجسيمات (DPIV). في المياه الساحلية ، والمعارض علقت الجسيمات الأحجام بناء على امر من 10 ميكرومتر في القطر وتركيزات بين 0،002 و 10 في 3 ملم. 4 دراسات إضافية باستخدام holocamera الغاطسة للكشف عن الجسيمات تؤكد وجود ما يكفي من بذر الجسيمات لأداء DPIV في مياه المحيطات. (5) خلال عرض البحر والمناطق الساحلية الغوص في المحيطات ، وجدنا أن كثافة الجسيمات والأحجام ليست عائقا لإجراء DPIV في الموقع.
جانبا من كثافة الجسيمات والأحجام ، وآخر للقلق ذات الصلة القياسات DPIV هو تجانس تركيزات الجسيمات.
نوعيا ، إذا كانت المنطقة ضمن إطار التحقيق وتركيزات الجسيمات أكبر من الآخر ، وحجم السرعة التي تم إنشاؤها بواسطة Dوسوف يكون متحيزا PIV تحليل تجاه المنطقة مع ارتفاع تركيزات الجسيمات. لذا ، يجب إجراء قياسات SCUVA حيث يتم تصغير الجسيمات تقلب التركيز. تم العثور على تركيزات thatcle ثابتة نسبيا خلال تركيزات الجسيمات ثابتة نسبيا خلال الغطس حيث يتم تعليق الغطاس في وسط عمود الماء. ومع ذلك ، حقول الجسيمات في البيئات القاعية لديها القدرة على التجانس بسبب إعادة تعليق من الجزيئات التي التدفقات البيئية التي يسببها أو الغطاس بالقرب من قاع البحر. ويجب الحرص على الحد من تعطل خلال قياسات الجسيمات في البيئات القاعية. على حد علم المؤلفين ، تحليل رسمي من الأخطاء الناتجة عن حقول متجانسة تركيز الجسيمات لم تجر في ظروف المختبر أو في الميدان سواء ، وينبغي أن تكون موضوعا لمزيد من النظر في منشور منفصل.
وينبغي النظر في عدة مسائل مختلفة وعند إعدادإجراء التجارب في الموقع باستخدام بروتوكول. في حين تم تسجيل ذلك ، أوعز إلى المشغل لتظل ثابتة ، وتمتنع عن الخروج من الطائرة ، والحركة الدورانية. هذا طلب بسيط من الناحية النظرية لكنه صعب من الناحية العملية ، وهذه القياسات تتطلب مهارة الغوص المتقدمة أن يتم الانتهاء بنجاح. الخروج من الطائرة والاقتراحات التناوب نتيجة عامل في DPIV بيانات خاطئة. ومع ذلك ، يمكن تصحيحه في الطائرة الاقتراحات باستخدام البرمجيات في المنزل. 6 من المستحسن للمشغل لممارسة السيطرة على الطفو الغطس عدة قبل استخدام SCUVA لتعظيم كفاءة القياس.
إلى جانب الاعتبارات الطفو ، ينبغي أن المشغل يكون على بينة من الهدف اتجاه التدفق. والتدفقات التي تسافر خارج الطائرة بالنسبة ليزر ورقة لم تسفر نتائج موثوقة DPIV ، ومشغل وينبغي توجيه SCUVA لالتقاط هذه التدفقات أكثر فعالية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون موقف الغطاس نسبة إلى أن يكون الهدف selecteد وذلك لتقليل غطاس التي يسببها تدفق في القياسات. غطاس التي يسببها تدفق يدخل الخطأ إلى تدفق المستهدفة ، وينبغي ألا القياسات التي تشمل الآثار غطاس تستعمل لأجل مزيد من التحليل.
في حالة أن الهدف لديه سطح عاكس للغاية ، وسوف تكون منطقة السوائل المحيطة هدف مضاءة بقوة ، مما يجعل من الصعب التمييز بين الجزيئات الفردية في مكان قريب من السوائل المحيطة بها (المنطقة المشار إليها بواسطة السهم الأحمر ، الشكل 2A). يمكن إضافة الفلاتر أو المستقطبات إلى العلب ليزر أو الكاميرا للحد من شدة ضوء الليزر التي تلتقطها كاميرا الفيديو استشعار. يمكن إذا كان هذا غير ممكن بسبب القيود اللوجستية ومحدودية فرص الحصول على ومعدات تجهيز آخر من الصور في المنزل باستخدام برنامج التصحيح توفير ما يكفي من خلال طرح من الصور شدة بكسل مرتفعة بالقرب من الهدف. اعتبار آخر أن يؤثر على نوعية البيانات DPIV هو ما إذا كانت الشرائط الجسيمات موجودة. إذا الجسيماتوقد مناطق حقول streaking (يشار إليه السهم الأحمر ، الشكل 2B) ، وكاميرا الفيديو هو تسجيل في إطار معدل منخفض جدا لحل هذه السرعات العالية. عن طريق زيادة معدل الإطار ، يمكن تخفيض streaking الجسيمات. ومع ذلك ، فإن هذه النتائج في ضوء الحد من الوصول إلى كاميرا فيديو وأجهزة الاستشعار يجعل من نظرة باهتة مجال الجسيمات. إذا كانت كاميرا الفيديو لديه القدرة على ضبط الإعدادات يدويا الفتحة ، زيادة الإعداد الفتحة لمنع يعتم حقل الجسيمات. قد تحديد إعدادات الجهاز الأمثل تتطلب الغطس متعددة مع SCUVA قبل جمع البيانات بنجاح.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم التي تمنح للدينار (OCE – 0623475) ، SPC (OCE – 0623534 و0727544) ، ومركز الرعاية الصحية بالقدس (OCE – 0727587 و 0623508 OCE) ، ومكتب البحوث البحرية التي منحت لمركز الرعاية الصحية بالقدس ( N000140810654). معتمد من قبل برنامج KK باحث ما بعد الدكتوراه في معهد وودز هول لعلوم المحيطات ، بتمويل من مؤسسة ديفونشاير.
参考文献
- Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).
- Willert, C. E., Gharib, M. Digital particle image velocimetry. Exp. Fluids. 10, 181-193 (1991).
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. . Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).
- Agrawal, Y. C., Pottsmith, H. C. Laser diffraction particle sizing in STRESS. Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).
- Katz, J., Donaghay, P. L., Zhang, J., King, S., Russell, K. Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean. Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).
- Katija, K., Dabiri, J. O. In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA). Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).
