ולמדוד באופן כמותי באתרו תזרימי באמצעות מנגנון עצמאי velocimetry תת (SCUVA)
Summary
פרוטוקול זה מספק הוראות על אופן השימוש מנגנון עצמאי velocimetry מתחת למים (SCUVA), אשר מיועד כימות של בעלי חיים שנוצר זורם באתרה. בנוסף, פרוטוקול זה כתובות האתגרים שמציב בתנאי שדה, וכולל תנועה המפעיל, עמדה בחיזוי של בעלי חיים, והכיוון של SCUVA.
Abstract
היכולת למדוד ישירות שדות מהירות בסביבת נוזלים הכרחי כדי לספק נתונים אמפיריים של מחקרים בתחומים מגוונים כמו אוקיאנוגרפיה, אקולוגיה, ביולוגיה, מכניקת זורמים. מדידות שדה להציג אתגרים מעשיים כגון תנאים סביבתיים, זמינות בעלי חיים, ואת הצורך בשטח תואמת שיטות מדידה. כדי להימנע אתגרים אלה, מדענים משתמשים בדרך כלל סביבות מעבדה מבוקרים ללמוד על בעלי חיים נוזל אינטראקציות. עם זאת, סביר השאלה אם ניתן להסיק התנהגות טבעית (כלומר, אשר מתרחשת בתחום) ממדידות מעבדה. לכן, באתרו מדידות זרימה כמותי יש צורך לתאר במדויק שחייה בעלי חיים בסביבתם הטבעית.
עיצבנו עצמאי, מכשיר נייד שפועל עצמאית של חיבור כלשהו אל פני השטח, והוא יכול לספק מדידות כמותיות של surrou בשדה זרימהnding חיה. מנגנון זה, מנגנון עצמאי velocimetry מתחת למים (SCUVA), יכול להיות מופעל על ידי צוללן אחד במעמקים עד 40 מ ' בשל המורכבות הוסיף הטבועה בתנאי שדה, שיקולים נוספים והכנה נדרשים בהשוואה מדידות במעבדה. שיקולים אלה כוללים, אך אינם מוגבלים, תנועה המפעיל, לניבוי המיקום של מטרות שחייה, זמין חלקיקי מושעה טבעי, והכיוון של SCUVA לעומת תזרים של עניין. הפרוטוקול הבא נועד לטפל באתגרים אלה בשדה משותף על מנת למקסם את ההצלחה המדידה.
Protocol
Discussion
אילוץ פוטנציאל בתחום הוא הצורך חלקיקים בזרימה, אשר נחוצים כדי ליישם החלקיקים תמונה דיגיטלית velocimetry (DPIV). במים החוף, חומר חלקיקי מושעה תערוכות גדלים בסדר גודל של 10 מיקרומטר בקוטר ריכוזים בין 0.002 ו – 10 מ"מ ל 3. 4 מחקרים נוספים באמצעות holocamera הצוללת לגילוי חלקיק לאשר נוכחות מספקת של זריעת חלקיקים לבצע DPIV במי האוקיינוס. 5 במהלך צלילה בים הפתוח חופי האוקיינוס, מצאנו כי צפיפות החלקיקים וגדלים אינם אילוץ לביצוע באתרו DPIV.
מלבד צפיפות החלקיקים וגדלים, עוד דאגה רלוונטי מדידות DPIV הוא ההומוגניות של ריכוזי החלקיקים.
איכותית, אם האזור בתוך חלון חקירה יש ריכוזי החלקיקים גדולה יותר אחר, את גודל מהירות שנוצר על ידי ד 'ניתוח PIV יהיה מוטה כלפי האזור עם ריכוזים גבוהים של חלקיקים. לכן, מדידות SCUVA חייב להתנהל בו השתנות ריכוז החלקיקים הוא ממוזער. מצאנו ריכוזים thatcle הם קבועים יחסית במהלך ריכוזי החלקיקים הם קבועים יחסית במהלך צלילות שבו הצולל תלויה באמצע בעמודת המים. עם זאת, שדות החלקיקים בסביבות benthic יש פוטנציאל inhomogeneity בשל resuspension של חלקיקים על ידי תנועות סביבתיות או צוללן-Induced ליד קרקעית הים. יש להקפיד למזער את ההפרעה של חלקיקים במהלך המדידות בסביבות benthic. למיטב המחברים, ניתוח פורמלי של טעויות שנוצר על ידי שדות הומוגניות ריכוז החלקיקים לא נערכו או בתנאי מעבדה או שדה, יש נושא שיקול נוסף בפרסום נפרד.
בנושאים שונים יש לשקול בעת הכנת וביצוע ניסויים באתרו באמצעות פרוטוקול. במהלך הקלטת, המפעיל הוא הורה להישאר נייח ולהימנע מכל מטוס מחוץ של תנועה סיבובית. בקשה זו היא פשוטה בתיאוריה, אבל בפועל קשה, ומדידות אלה דורשים מיומנות צלילה מתקדם להסתיים בהצלחה. Out-of המטוס בתנועות הסיבוב של התוצאה המפעיל נתונים שגויים DPIV. עם זאת, מטוס תנועות ניתן לתקן באמצעות in-house תוכנה. 6 מומלץ המפעיל לתרגל שליטה הציפה עבור מספר צלילות לפני השימוש SCUVA כדי למקסם את היעילות המדידה.
מלבד השיקולים הציפה, המפעיל צריך להיות מודע לכיוון זרימת היעד. תזרימי כי נסיעה מחוץ למטוס יחסית גיליון הלייזר לא תניב תוצאות DPIV אמין, והמפעיל צריך להתמצא SCUVA ללכוד זרמים אלה בצורה היעילה ביותר. בנוסף, עמדתו של הצוללן יחסית היעד חייב להיות selecteד כדי למזער צוללן-Induced לזרום המדידות. צולל-Induced זרימה מציג שגיאה לזרום היעד, מדידות הכוללות השפעות צוללן לא אמור לשמש לניתוח נוסף.
במקרה זה המטרה יש משטח מהורהר מאוד, באזור והנוזלים המקיפים את היעד יהיה מואר מאוד, ולכן קשה להבחין בין חלקיקים בודדים הסמוכה מן הנוזל המקיף (אזור מסומנים בחץ אדום, איור 2A). מסננים מקטבים או ניתן להוסיף את מעטה לייזר או מצלמה כדי להפחית את עוצמת האור הלייזר שנתפסו על ידי חיישן המצלמה וידאו. אם הדבר אינו אפשרי בשל אילוצים לוגיסטיים גישה מוגבלת, שלאחר עיבוד של תמונות באמצעות ציוד in-house תוכנה יכול לספק תיקון מספיק על ידי הפחתת מן התמונות בעוצמות גבוהות פיקסל ליד המטרה. שיקול נוסף אשר משפיע על איכות DPIV נתונים היא אם פסים החלקיקים נמצאים. אם חלקיקשדות יש אזורים של פסים (מסומנת אדום החץ, איור 2B), את מצלמת הווידאו הוא הקלטה בקצב מסגרת נמוך מדי כדי לפתור את מהירויות גבוהות. על ידי הגדלת מסגרת הדולר, פסים חלקיק יכול להיות מופחת. עם זאת, התוצאה היא הפחתה של אור להגיע לחיישן המצלמה וידאו הופך את תחום החלקיקים דימר להסתכל. אם מצלמת וידאו יש את היכולת להגדיר באופן ידני את הגדרות הצמצם, להגדיל את ההגדרה הצמצם כדי למנוע עמעום של השדה החלקיקים. קביעת הגדרות המכשיר האופטימלי עשוי לדרוש צלילות מרובות עם SCUVA לפני איסוף הנתונים מוצלח.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע הוענק JOD (OCE-0623475), SPC (OCE-0623534 ו – 0727544), ו JHC (OCE OCE ו-0727587, 0623508), וכן על ידי משרד המחקר של הצי הוענק JHC ( N000140810654). KK נתמכת על ידי תוכנית חוקר פוסט דוקטורט במכון וודס הול לאוקיאנוגרפיה, עם במימון קרן Devonshire.
References
- 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).
