تتبع الجسيمات لاغرانجي القائم على الصورة في التجارب السرير تحميل

Summary

تعرض المخطوطة بروتوكولا لإجراء تجارب نقل الرواسب ذات الأحمال السرير حيث يتم تتبع الجسيمات المتحركة بتحليل الصور. ويقدم المرفق التجريبي، وإجراءات إدراك التشغيل ومعالجة البيانات، وأخيرا بعض نتائج إثبات المفهوم.

Abstract

وقد استخدم تحليل الصور بصورة متزايدة لقياس تدفقات الأنهار نظرا لقدراتها على تقديم صور كمية مفصلة بتكلفة منخفضة نسبيا. تصف هذه المخطوطة تطبيق الجسيمات تتبع فيلويمتري (بتف) لتجربة السرير الحمل مع الرواسب خفيفة الوزن. وكانت الخصائص الرئيسية لظروف نقل الرواسب التي تم التحقيق فيها وجود تدفق مغطى وسرير خام ثابت فوقه تم إطلاق الجسيمات في عدد محدود في مدخل الدفق. في ظل ظروف التدفق المطبق، كانت حركة جزيئات الحمل الفردية متقطعة، مع تناوب الحركة وشروط السكون. وقد اتسم نمط التدفق مبدئيا بقياسات صوتية لمحات عمودية لسرعة التدفق. خلال عملية التصور، تم الحصول على حقل كبير من الرأي باستخدام اثنين من كاميرات العمل وضعت في مواقع مختلفة على طول المسلك. ويرد وصف البروتوكول التجريبي من حيث تشاننيل المعايرة، تحقيق التجربة، صورة ما قبل المعالجة، وتتبع الجسيمات التلقائي، وما بعد المعالجة من البيانات المسار الجسيمات من الكاميرات اثنين. وتشمل النتائج المعروضة على إثبات المفاهيم توزيعات الاحتمال لطول القفزة الجسيمية ومدتها. وتقارن إنجازات هذا العمل مع تلك الموجودة في الأدبيات الحالية لإثبات صحة البروتوكول.

Introduction

منذ أعمال رائدة ظهرت منذ عقود ^{1 ، 2} ، واستخدام تحليل الصور لدراسة النقل الرواسب النهر قد تزايد باستمرار. وقد أثبتت هذه التقنية بالفعل قدرتها على توفير بيانات عالية الدقة نسبيا ومنخفضة التكلفة لإجراء تحليلات مفصلة للظواهر الفيزيائية ^{3 و 4 و 5} . مع مرور الوقت، تم الحصول على تحسينات كبيرة لكل من الأجهزة والبرمجيات الأدوات.

ويمكن إجراء قياس نقل الرواسب باستخدام نهج يوليريان يستهدف قياس تدفقات الرواسب، أو لاغرانغي واحد يهدف إلى قياس مسارات الحبوب الفردية لأنها تتحرك. معالجة الصور يوفر إمكانيات فريدة لتتبع الجسيمات بالمقارنة مع أساليب يولريان أخرى ^{6 ، 7} . ومع ذلك، ديستفسد هذه الإمكانات، وتطبيق تحليل الصور على نقل الرواسب السرير الحمل يعاني من بعض القيود التجريبية الحاسمة، من حيث جداول الدعم المكاني / الزمني لقياس وحجم عينات البيانات. على سبيل المثال، من الصعب تحقيق توليفة مناسبة من مساحة مكانية كبيرة، مدة طويلة من التجربة، وتيرة قياس عالية ^{3 ، 4 ، 8} ، دون المساس بجودة وكمية البيانات. وبالإضافة إلى ذلك، تتبع الجسيمات يمكن أن يؤديها يدويا ^{2 ، 4} ، الأمر الذي يتطلب جهدا إنسانيا كبيرا، أو تلقائيا ^{3 ، 8} ، مع إمكانية تتبع الأخطاء التي أدلى بها البرنامج المستخدم للتحليل.

تقدم هذه الورقة بروتوكولا للتحقيق التجريبي للرسوبيات الحملية ترأنسبورت، حيث تم تحقيق مدة طويلة من نوع الكاميرا المستخدمة، تم ضمان مجال كبير من الرأي عن طريق الاستخدام المتزامن من اثنين من الكاميرات في مواقع مختلفة، وجعلت المعالجة التلقائية يمكن الاعتماد عليها من خلال ظروف تجريبية مخصصة . وقد تم تصميم العملية التجريبية وتم اختيار أدوات المعالجة بناء على الخبرة المكتسبة من قبل المؤلفين في العديد من الأعمال البحثية التي تتناول التحقيق المفصل في نقل الرواسب بطرق الصورة ^{3 و 9 و 10 و 11 و 12 و 13 و 14 و 15 و 16 ، 17 ، 18} .

وتوصف تجربة نقل الرواسب، التي تم تنفيذها الإفراج عن الجسيماتأكثر من سرير ثابت. كان تغذية الجسيمات أقل بكثير من قدرة النقل للتدفق للحفاظ على تركيز منخفض من الحبوب المتحركة، وبالتالي تجنب الازدحام من الجسيمات التي سيتم تعقبها. وعلاوة على ذلك، فإن الجسيمات المنقولة لا تتحرك بشكل مستمر، ولكن لوحظ حركة متقطعة. استخدام سرير ثابت بدلا من سرير منقول يمثل فقدان التشابه مع الظروف الطبيعية. ومع ذلك، تم استخدام سرير ثابت في كثير من الأحيان في تجارب نقل الرواسب ^{19 ، 20 ، 21} على افتراض أن النتائج هي أكثر بساطة وتفسيرية من تلك من سيناريوهات معقدة مع مجموعة متنوعة من العمليات التمثيل. ومن الواضح أن استخدام سرير ثابت يمنع عمليات دفن الرواسب وتظهر من جديد. من ناحية أخرى، في وجود ضعف الحمل السرير، ونقل الرواسب يحدث في طبقة سطحية من سرير فضفاض، وفي هذه الحالة،قد يكون استخدام سرير ثابت كافيا. في الواقع، لم مقارنات محددة بين خصائص حركة الجسيمات في التجارب التي أجريت مع الشرطين لم تقدم أي اختلافات كبيرة ^{3 ، 14} . وأخيرا، تم تنفيذ التجربة المقدمة هنا مع تدفق الضغط لضمان أفضل حالة لتصور الجسيمات من خلال غطاء شفاف. وقد درس نقل الرواسب مع تدفق مضغوط تجريبيا في البحوث النموذجية الأنهار المغطاة بالثلج، وتبين أن التفاعل بين طبقة الحدود القريبة من السرير والرواسب مماثلة لتلك التي من تدفق قناة مفتوحة ^{22 ، 23} . في الأقسام التالية، يتم توضيح جميع الطرق وتقدم بعض النتائج التمثيلية.

Protocol

ملاحظة: أجريت تجربة نقل الرواسب في مسلك في مختبر الهيدروليكا الجبلية الموجود في حرم ليكو في بوليتنيكو دي ميلانو. يتم بناء المسيل تماما من مادة الاكريليك شفافة و 5.2 × 0.3 × 0.45 م ³ . قناة مدعومة من قبل اثنين من الحزم الصلب ويمكن تشغيلها في المنحدرات المختلفة بسبب المفصلي والمسمار جاك. سلسلة من الأغطية تمكن المسلك لتكون قناة مغلقة، الذي كان التكوين تدفق مغطاة، والقناة المستخدمة في هذا العمل.

1. قياس وإعداد المنحدر المنحدر

1. ختم منفذ من المسكن وملء مع الماء لا يزال.
   ملاحظة: تعتمد طريقة الختم على ميزات القناة. في الحالة المعروضة هنا، تم تجهيز القسم الطرفية للقناة بشفة اقتران، وبالتالي تم الحصول على الختم عن طريق إغالق قابس من البلاستيك إلى الشفة مع غسالة مطاطية بينهما.
2. قم بتشغيل مقبس المسمار to تعيين منحدر قناة التعسفي.
3. انتظر 30 دقيقة على الأقل للسماح للمياه لتحقيق السكون. للتحقق من التذبذب التذبذب وتحقيق حالة الماء لا يزال، ضع مقياس نقطة على الجدران المسيل وقياس مرارا ارتفاع سطح الحرة.
4. وضع مقياس نقطة على جدران القناة في مواقع متعددة واتخاذ قراءات للارتفاع من سطح الحرة.
   ملاحظة: تختلف القراءات عن بعضها البعض حيث يميل المسيل بينما سطح الماء أفقي.
5. حساب قيمة المنحدر على أساس الاستيفاء الخطي للقراءات بواسطة مقياس النقطة.
6. أخذ قياس مع جهاز استشعار المسافة ليزر التي تعلق على واحدة من الحزم دعم القناة ويشير إلى الأرض.
   ملاحظة: هنا، يتم إرفاق مستشعر الليزر بشكل دائم إلى القناة، وبالتالي لا يلزم أي عمليات في بروتوكول لإعداده.
7. كرر الخطوات من 1.2 إلى 1.6 لمجموعة متنوعة من ظروف المنحدر.
8. تناسب أالمعادلة الخطية للنقاط التجريبية في مستوى ديكارتي مع قياس الليزر على المحور الأفقي وقياس المنحدر القناة على المحور الرأسي. تحديد وظيفة نقل من قياس الليزر إلى المنحدر قناة (والعكس بالعكس).

2. إعداد تكوين العمل

1. إعداد مجموعة من ألواح الصلب (سمك 2 ملم) مع البعد الكلي يساوي ذلك من أسفل القناة.
   ملاحظة: هنا، تم استخدام أربع لوحات بحجم 1.3 × 0.3 م ² .
2. إنشاء سرير الخام ثابت عن طريق الإلتصاق الجسيمات الرواسب على لوحات. للقيام بذلك، طلاء لوحات مع اثنين من مادة البوليستر الراتنج، ثم نشر طبقة من الرواسب (1-1.5 سم) عليها.
   ملاحظة: كانت جزيئات الرواسب المستخدمة هنا حبيبات بوليبوتيلين تيريفثالات (بت)، المصنعة بالألوان البيضاء وبحجم 3 مم. مع الإجراء أعلاه، سمك الرواسب لصقها على لوحة يشبه حجم الجسيمات.
3. Wإيت على الأقل 24 ساعة للسماح الراتنج لتجف، ثم إزالة الرواسب الزائدة عن طريق تميل لوحات والسماح للرواسب الشريحة بعيدا. طلاء سطح الرواسب باللون الأسود مع الطلاء رذاذ مقاومة للماء. انتظر 10 ساعة على الأقل للسماح للطلاء أن يجف.
4. وضع لوحات المغلفة الرسوبيات (انظر الخطوات 2،1-2،3) في الدفق وعلى البولي فينيل كلوريد (بك) يدعم لإنشاء الجزء السفلي من قسم العمل. إيلاء الاهتمام لوضع لوحات متتالية لضمان استمرارية السرير.
   ملاحظة: استخدام بك يدعم اختيارية. وفي هذه الحالة، صمم في الأصل المقطع العرضي للمسطح (بعرض 0،3 متر وارتفاعه 0،45 مترا، وهو ما يقابل نسبة عرض إلى عمق أقل من 1) من أجل تشغيل تجارب نقل الرواسب بطبقة من الرواسب المفرغة. تم تشغيل التجربة في هذه المخطوطة بدلا من ذلك مع سرير ثابت، مما يؤدي إلى قيم غير عادية، منخفضة جدا من نسبة العرض إلى العمق. وبالتالي تم دعم بك من أجل تحقيق كبيرr لهذه النسبة.
5. وضع سلسلة من الأغطية الاكريليك شفافة (تغطي كامل طول القناة) على جدران القناة لإنشاء قسم العمل المغطاة.
   ملاحظة: في المسند وصفها هنا، والأغطية هي صناديق الداخلية مع ارتفاع 20 سم، ببساطة وضع على الجدران المسيل. ولذلك، فإن بعض الماء موجود على جانبي الغطاء أثناء التجارب، ولكنه لا يغير بشكل كبير التدفق داخل المسلك. قسم العمل المستخدم في التجربة المعروضة أدناه كان كبيرا مثل 0.3 م × 0.105 م ² .

3. إنشاء ظروف تدفق ثابت

1. تبديل مضخة على، وملء القناة بالماء واستخدام صمام تنظيم لضبط معدل التدفق.
   ملاحظة: في هذا العمل، تم قياس معدل التدفق بواسطة متر تدفق كهربائي مغناطيسي موضوعة على طول أنبوب التوصيل.
2. استخدام منظم المياه الذيل لضبط ارتفاع رأس الضغط قليلا فوق الأغطية قناة، وضمان أن يكون هناك تدفق مغطاة ولكن تجنبإنغ قوة الطفو كبيرة على الأغطية.
   ملاحظة: في القناة المعروضة هنا، يتم تحقيق تنظيم ذيل الماء من خلال مجموعة من العصي الموجودة في نهاية المسيل.
3. قياس مرارا وتكرارا معدل التدفق ورئيس الضغط للتحقق من استقرار ظروف التدفق.

4. توصيف توزيع التدفق

1. قياس التشكيل الجانبي الرأسي لعنصر سرعة تيار في مجموعة متنوعة من المواقع.
   1. وضع مسبار من الموجات فوق الصوتية سرعة المنشئ (أوفب) فوق غطاء المسطح باستخدام مناسبة التحقيق حامل. وضع التحقيق في الميل المختار مع الذيل نحو مدخل القناة. تطبيق هلام اقتران الموجات فوق الصوتية المناسب في الفضاء بين طرف التحقيق والغطاء لتجنب مرور الموجات فوق الصوتية من خلال الهواء. ربط التحقيق إلى وحدة اقتناء لها.
      ملاحظة: في هذه الحالة، أدلى حامل التحقيق من بك وتتكون من قاعدة مع يميلدليل المرفقة. وقد تم بناء هذا الدعم بعد اختيار زاوية التحقيق.
   2. عينة عدة ملامح سرعة لحظية.
      ملاحظة: مع الأداة المستخدمة في هذه التجربة، تتطلب هذه الخطوة الإعداد اليدوي تردد أشعة الموجات فوق الصوتية المنبعثة، وتكرار تكرار النبض، قرار، والعدد المطلوب من التشكيلات الجانبية لحظية. تم الحصول على الملفات الشخصية وحفظها بشكل مستمر عندما تم الوصول إلى العدد المطلوب.
   3. كرر الخطوات 4.1.1 و 4.1.2، باستثناء وضع المجس مع الذيل نحو منفذ القناة.
   4. تقييم الحاجة إلى إشارة دي-سبكينغ ²⁴ بواسطة التفتيش البصري للتطورات الوقت المكتسبة من سرعة الحكمة. أداء دي-سبينغينغ أثناء معالجة البيانات إذا لزم الأمر.
   5. حساب متوسط ​​قيمة السرعة لكل موقع قياس (بوابة) أوفب للحصول على ملامح متوسط ​​الوقت لمكون سرعة التحقيق التحقيق من القياسات اثنين (مع ذيل التحقيق نحوقناة مدخل ومخرج).
   6. استخدام تركيبة المثلثية للسرعات التحقيق اثنين الحكيمة قياسها في أي ارتفاع للحصول على تيار الحكمة ومكونات السرعة العمودية.
      1. مع ضد _صعودا والخامس _على النحو السرعات-متوسط الوقت يقاس في خطوات 4.1.2 و 4.1.3، على التوالي، وتحديد تيار الحكيم (ش) ومكونات السرعة العمودية (ت) على النحو التالي:
         
         
         حيث، α هو ميل التحقيق فيما يتعلق القناة.
   7. ضبط قيم المسافة لمواقع القياس في ملف تعريف المحاسبة لمختلف وسائل الإعلام (هلام، الاكريليك والماء) من خلالها شعاع الصوتية كان يسافر ²⁵ .
   8. كرر الخطوات من 4.1.1 إلى 4.1.7 لجميع مواقع القياس.
2. قياس سرعة القص من التشكيل الجانبي الرأسي لعنصر سرعة التدفق.
   1. حدد مجموعة من الارتفاعات حيث يشير المظهر الجانبي لمكون سرعة التدفق إلى اتجاه خطي في مؤامرة شبه لوغاريتمي (انظر الشكل 2 ).
   2. تقدير سرعة القص u _ق من الشخصية المقاسة عن طريق تركيب معادلة لوغاريتمي على النحو التالي:
      
      حيث u ( z ) هي متوسط ​​السرعة الحاملة للوقت عند ارتفاع معين z من السرير، κ هو ثابت كرمان يساوي 0.4، و z ₀ هو طول خشونة الهيدروديناميكية.
   3. تحديد عدم اليقين في تقدير سرعة القص ^{26 على} النحو التالي:
      
      حيث N هو عدد القيم المستخدمة في cتركيبة أورف و j هو عداد يتراوح من 1 إلى N.

5. إجراء تجربة نقل الرواسب

1. قم بتعيين معلمات الكاميرا المطلوبة (الدقة، التردد). باستخدام دعم من الشركة المصنعة للكاميرا، وإرفاق كاميرات عمل اثنين إلى الجدران الجانبية للأغطية التي تواجه أسفل القناة في اثنين من المواقع الحكيمة. تأكد من أن مجالات التركيز الكاميرات تتداخل.
   1. اضبط موضع الكاميرا واتجاهها بواسطة التجربة والخطأ. التقاط مقطع فيديو قصير من كل كاميرا، ومشاهدة أشرطة الفيديو وتغيير موقف أو اتجاه الكاميرا إذا مجالات التركيز اثنين لا تتداخل أو لا يتم محاذاة عرض الكاميرا بشكل جيد مع المسيل.
      ملاحظة: في العمل الحالي، تم تشغيل الكاميرا في 30 إطارا في الثانية مع قرار من 1،920 × 1،080 بكسل.
2. إنشاء حالة تدفق ثابت كما هو موضح في الخطوات 3.1 إلى 3.3. تغذية الجسيمات البيضاء (نفس تلك tتم لصقها ورسمها باللون الأسود في الخطوتين 2.2 و 2.3) في التدفق عند مدخل الدفق. اختيار حفنة من الجسيمات وإطلاق سراحهم (الجسيمات كل بضع ثوان)، والحفاظ على تركيز منخفض من الجسيمات البيضاء على السرير الأسود. الحفاظ على تغذية لمدة كامل من التجربة.
   ملاحظة: تركيز الجسيمات المنخفضة يبسط ¹⁷ عملية تتبع بالمقارنة مع الحالات مع تركيز أعلى ¹⁸ . في الواقع، فإن المباراة بين جسيم واحد في صورة معينة مع نفس الجسيم في الصورة اللاحقة تقوم على نافذة البحث حول الموقف السابق للجسيمات ^{19 ، 27} ؛ يزيد تركيز أعلى من إمكانية الكشف عن أكثر من جسيم واحد في إطار البحث، ويؤدي بدوره إلى عدم التطابق.
3. إذا كانت أضواء الغرفة معطلة، ثم قم بتشغيلها كما هو ضروري لمزامنة الكاميرات. بدء اطلاق النار عن طريق اثار الكاميراتمع الضوابط المناسبة. قم بإطفاء أضواء الغرفة بعد التأكد من أن كلا الكاميرتين قد بدأتا في التصوير.
   ملاحظة: وبهذه الطريقة، فإن الوقت الذي كان مغلقا الضوء سيكون واضحا التعرف عليها من تاريخ كثافة بكسل في الصور، مما يتيح (مع أقل من واحد الإطار الدقة) التحول الوقت بين اثنين من الأفلام المكتسبة يتم تحديدها. لا يمكن بالطبع أن يكون التصور في الظلام. في هذا العمل، استخدمت التجربة الإضاءة الطبيعية فقط (كجدار جانبي للغرفة مصنوع من الزجاج تماما). إذا تغيرت ظروف الإضاءة بشكل ملحوظ أثناء التجربة، يجب تكرار التشغيل لأن الإضاءة تؤثر على تحديد الجسيمات وتتبعها الموضحة أدناه.
4. الحفاظ على تصوير للمدة المطلوبة (هنا، 15 دقيقة)، ثم إيقاف الكاميرات.
   ملاحظة: تظهر نتائج الممثل في ما يلي لمدة 100 ثانية.
5. كرر الخطوات من 5،2 إلى 5،7 لأي حالة مائية ديناميكية أخرى مطلوبة (لمثال، معدل تدفق مختلف).
   ملاحظة: خلال التجارب الموصوفة هنا، كانت بعض الجسيمات المحاصرين موجودة على السرير بعد اطلاق النار. وينبغي إزالتها قبل اختبار تكوين آخر، عن طريق رفع الغطاء، وذلك باستخدام فرشاة لإزالة الجسيمات، واستبدال الغطاء.

6. بريبروسيسينغ الصور

1. تصحيح تشويه الصورة بسبب طول عدسة محدودة من خلال تطبيق التحول شعاعي إلى إحداثيات بكسل وإعادة رسم الصور. ضبط عن طريق التجربة عامل معايرة اللازمة لتطبيق التحول.
   ملاحظة: بالنظر إلى r كمسافة من أي بكسل إلى مركز الصورة، يمكن حساب مسافة محولة على النحو التالي:
   
   حيث k هو عامل المعايرة التي تحتاج إلى تعديلها من قبل التجارب ²⁸ ، على أساس التفتيش البصري للجانب السفلي المساحات، والتي ينبغي أن تظهر كخطوط مستقيمة في الصورةالصورة.
2. تحديد تحويل صورة خطية من بكسل إلى المسافة الحقيقية باستخدام الأهداف الموضوعة في مسافات معروفة وعلى ارتفاع السرير، على الجدران الجانبية للمسطح.
   ملاحظة: يمكن تحقيق ذلك على سبيل المثال بلغة البرمجة (راجع جدول المواد )، باستخدام مقالة الأوامر لفتح ملف صورة، الأمر جينبوت للنقر على الأهداف والحصول على إحداثياتها بالبكسل، وإيجاد نسبة بين والإحداثيات بكسل يحدد ذلك والحقيقي.

7. تحديد وتعقب الجسيمات

ملاحظة: يجب تنفيذ جميع العمليات التالية للصور التي تم جمعها من قبل كل من الكاميرات، بشكل منفصل. تم تحديد وتتبع الجسيمات باستخدام تيارات ²⁹ . هذا البرنامج هو متاح بحرية على استفسار لمطورها. وقد تم توظيف تيارات بالفعل من قبل المؤلفين في عدة تجارب لسرير لواد نقل الرواسب في ظروف مختلفة ^{3 ، 16 ، 17 ، 18 ، 28 ، 30} .

1. استيراد إطارات من خلال النقر على صورة → إنشاء تسلسل الصورة . أدخل الخطوة الزمنية بين إطارين وعامل معايرة الصورة. حدد ملفات الصور المراد تضمينها في التسلسل. انقر على موافق .
   ملاحظة: في هذه الحالة، كانت الفاصل الزمني 1/30 ثانية (أي ما يعادل معدل الإطار المذكور في الخطوة 5.1) وكان عامل معايرة الصورة 0.5 مم / بكسل.
2. تحديد الجسيمات
   1. إنتاج خرائط كثافة لبعض الصور التي تم اختيارها عشوائيا من أجل العثور على قيمة شدة نموذجية (على مقياس من 0 إلى 255) للبكسل المقابلة للجسيمات البيضاء.
      1. انقر بزر الماوس الأيمن على تسلسل الصورة التي تم إنشاؤها وحدد أوبإن عرض الصورة. هولدينغ شيفت ، ارسم أي مستطيل فوق الصورة. انقر بزر الماوس الأيمن على المستطيل وحدد شوينتنسيتيماتريكس . اختر قيمة عتبة مناسبة.
         ملاحظة: في الحالة الراهنة، تم تحديد العتبة عند 80.
   2. عتبة الصور على أساس قيمة شدة وحجم متوقع من البقع البيضاء في الصور الثنائية.
      1. انقر بزر الماوس الأيمن على تسلسل الصورة التي تم إنشاؤها وحدد فتح عملية العرض . انقر فوق جديد ، حدد تصفية صور أنابيب وانقر على موافق . إعطاء العملية اسم، وتوفير اسم تسلسل وانقر على موافق . انقر نقرا مزدوجا فوق خط أنابيب الفلتر ، وانقر على جديد ، وحدد إزالة الخلفية وانقر على موافق .
      2. في إطار العملية ، انقر فوق جديد ، حدد تحديد الجسيمات وانقر على موافق . حدد عتبة واحدة وانقر على موافق . في الخوارزمية الصفحة، وإدخال كثافة عتبة والحد من بقعة أقطار، ثم انقر على موافق . حدد العمليات التي تم إنشاؤها، انقر فوق إضافة إلى خط أنابيب ثم على تنفيذ .
         ملاحظة: كان حجم البقعة هنا من 0.5 إلى 8 ملم. حجم البقعة يتعلق بحجم الجسيمات ولكن أيضا يعتمد على ظروف الإضاءة. في الواقع، بقعة يقابل الضوء ينعكس من قبل الجسيمات بدلا من الجسيم نفسه.
3. تتبع الجسيمات
   1. انقر بزر الماوس الأيمن على سجل الجسيمات الذي تم إنشاؤه وحدد فتح عرض الصورة .
   2. التمرير من خلال الإطارات عن طريق النقر على أزرار السهم إلى الأمام والخلف. مراقبة النزوح الجسيمات النموذجية بين الصور المتتالية عن طريق تحريك المؤشر على البقع المعروضة وقراءة الإحداثيات. حدد نافذة بحث مناسبة وفقا لذلك.
   3. انقر بزر الماوس الأيمن فوق سجل الجسيمات الذي تم إنشاؤه وحدد فتح عملية العرض .
   4. انقر على جديد ، حدد بتف تحليل خط أنابيب وانقر على موافق . أعط العملية اسما وانقر على موافق . انقر نقرا مزدوجا فوق خط أنابيب تحليل بتف ، انقر على جديد . في صفحة كوستينغس ، حدد المسافة . في صفحة التحسين ، قم بإدخال موضع البث المستعرض والعرضي وأبعاد نافذة البحث، وانقر على موافق .
   5. حدد العملية التي تم إنشاؤها، انقر فوق إضافة إلى خط أنابيب ثم على تنفيذ .
      ملاحظة: مسار الجسيمات يجب أن تصل بشكل مثالي نهاية منطقة التركيز أو الوقت التجريبي النهائي. وبالمثل، يجب أن تبدأ في بداية مجال التركيز أو في المرة الأولى. ومع ذلك، يمكن أن تقطع المسارات المقيسة بشكل غير متوقع، وعادة لأن الجسيمات لم يتم الكشف عنها في بعض الإطارات بسبب كثافة منخفضة أو أقل في كثير من الأحيان، بسبب تفويت الجسيمات غاب بين اثنين من الأطر المتعاقبة. إذا كان المسار ينتهي دون الوصول إلى حدود تينافذة المراقبة لي الفضاء، المرشحين لإعادة الاتصال يمكن البحث؛ حدد منها في موقع قريب من وبعد فترة وجيزة من نهاية الإطار الأخير قبل انقطاع. وبهذه الطريقة، يمكن إعادة بناء مسار واحد للجسيمات على النحو المفصل في الخطوة 7.3.6.
   6. إذا كانت الانقطاعات موجودة في المسارات المقاسة، إصلاحها عن طريق إعادة ربط المسار باستخدام نافذة البحث المكرسة لهذا الغرض.
      1. انقر بزر الماوس الأيمن فوق سجل الجسيمات الذي تم إنشاؤه وحدد فتح عملية العرض . انقر فوق جديد ، حدد إنشاء مسار مسار لاغرانجي وانقر على موافق . انقر مرة أخرى على موافق . إضافة العملية إلى خط أنابيب وانقر على تنفيذ .
      2. انقر بزر الماوس الأيمن فوق سجل الجسيمات الذي تم إنشاؤه (الثانية) وحدد فتح عملية العرض . انقر فوق جديد ، حدد تاريخ مسارات لاغرانجيان وانقر على موافق . في صفحة المعلمات ، أدخل تفاصيل نافذة البحث و cلعق على موافق . إضافة العملية إلى خط أنابيب وانقر على تنفيذ .
   7. انقر بزر الماوس الأيمن فوق سجل الجسيمات الذي تم إنشاؤه (الثانية) وحدد حفظ المسارات إلى ملف نصي . مسار الإدخال واسم الملف، ثم انقر فوق موافق .

8. الانضمام المسارات من كاميرات مختلفة

ملاحظة: هذا هو عملية ضرورية للاستفادة من استخدام كاميرات متعددة لتوسيع حجم منطقة القياس. يتم تنفيذ الخطوات من خلال رمز ماتلاب ( join_cameras.m ) مع واجهة المستخدم الرسومية التي وضعتها المؤلفين (انظر ملفات كود التكميلية ).

1. تصفح مجلدات الكمبيوتر والعثور على ملفات المسار لكلا الكاميرات وانقر على البحث عن خصائص المسار .
2. جعل ( x ، y ) مرجع اثنين من كاميرات موحدة عن طريق تطبيق ترجمة الإحداثيات إلى البيانات من الكاميرا المصب. تحديدالثوابت لاستخدامها للترجمة على طول الاتجاهين من الأهداف التي تكون مرئية في الصور من كل من الكاميرات. إدخال القيم المطلوبة وانقر على جعل موحدة نظام موحدة .
   ملاحظة: حتى هذه النقطة، يتم استخدام مرجع مستقل للكاميرات مع (0،0) في الزاوية اليسرى السفلى من الصور، x- اليمين و y- ماكسيس صعودا. كانت ترجمة الإحداثيات المستخدمة في هذا العمل 760.15 و -1.5 بكسل في الاتجاه الحكمي والمستعرض، على التوالي.
3. تحديد مجال التداخل بين البيانات وإدخال حدودها في مربعات النص المناسبة.
   ملاحظة: كان طول التراكب في هذا العمل من 760.15 إلى 880.11 بكسل في اتجاه تيار الحكمة، وتغطية كامل عرض القناة.
4. إزالة من جميع المسارات التي هي أقصر من طول المنطقة المتداخلة، من أجل الحد من التحليل إلى حالات بسيطة (انظر الشكل 1 ). فيوضع طول عتبة في مربع النص ذات الصلة وانقر على إزالة أقصر من أو يساوي (مم) .
5. تاريخ المسارات
   1. دمج قواعد البيانات المسار الجسيمات من الكاميرات اثنين عن طريق النقر على دمج الجداول . القيم المطلوبة الإدخال للتسامح من التداخل (هنا، 10 مم) في تيار الحكيمة والاتجاهات عرضية وانقر على جوين .
      ملاحظة: بعد النقر فوق جوين ، قم بتنفيذ العمليات التالية. انتقل المسارات حتى العثور على مسار تنتهي في مجال التداخل. البحث عن المرشحين للانضمام، من بين المسارات بدءا من والخروج من منطقة متداخلة. إذا تم العثور على مرشح، مقارنة الأوقات التي المسارات هما في منطقة التداخل. إذا كانت هذه الفترات الزمنية تتفق مع بعضها البعض، حساب الفروق بين الجسيمات ينسق في المسارين في جميع النقاط الممكنة. تأخذ الجذر التربيعي للفرق التربيعي المتوسط ​​للقيم x و y لقيمة احتمالالجسيمات اثنين من المسارات لتكون متساوية. إذا كان هذا المؤشر أقل من قيمة العتبة، انضمي إلى المسارات. إنشاء مسار جديد المقابلة، في الجزء المتراكبة، إلى المتوسط ​​من السابقتين. كرر كل هذه العمليات حتى لا المفاصل الجديدة ممكنة. وكانت قيمة العتبة المستخدمة في هذا العمل 10 مم في كلا الاتجاهين.
6. اسم ملف النتيجة وحفظ المسارات التي انضمت عن طريق النقر على حفظ المسارات انضم .

الشكل 1. حالات المسار الانضمام. المسارات من الكاميرا المنبع هي باللون الأحمر ومن الكاميرا المصب باللون الأخضر (تمثيل أحادي البعد من أجل البساطة). خطوط عمودية متقطعة ملزمة طول الاسمي من التداخل. بسبب انقطاع ممكن من المسارات، ومجموعة متنوعة من النتائج أكبر من تلك المتوقعة مباشرة ترأكس (المقابلة للحالات الأربع الأولى المرسومة) مع مسار من الكاميرا الأولى تصل إلى منطقة متداخلة ومسار من الكاميرا الثانية تركه. ويعرض عدد إجمالي من الحالات المحتملة نظريا 13 حالة. ولتبسيط التحليل، تستثنى من البيانات الأولية المسارات الأقصر من طول المناطق المتداخلة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

9. تحليل الكينماتيات النقل الرواسب

1. بدءا من مجموعة البيانات التي تم الحصول عليها والتي تحتوي على مسار كل الجسيمات المنقولة، وأعرب عن طريق موقف ( س ، ص ) اتخذت في أي وقت نقطة، إجراء مجموعة متنوعة من التحليلات الإحصائية لتصوير الحركية الجسيمات السرير الحمل ^{3 ، 4 ، 5 ، 8 ، 16 ، 17 ، 18} .

النتائج

النتائج المعروضة في هذا القسم هي للتجربة حيث تم تعيين المنحدر المسيل إلى الصفر (تم حساب القيم المنحدر مع ± 0.05٪ دقة). وكانت الرواسب المستخدمة من جزيئات بت التي كانت شبه كروية، مع حجم d = 3 مم وكثافة ρ _p = 1،270 كغ / م ³ . تم تشغيل التجربة بمعدل تدفق س = 9.7 × 10 ^-3 م ³ / ث مما أدى إلى سرعة كبيرة U = 0.31 م / ث.

لقياسات السرعة مع أوفب، تم استخدام مسبار 2 ميغاهيرتز في ميل 81 درجة. تم الحصول على بيانات السرعة عند 20 هرتز لمدة 250 ثانية. ويرد وصف لمحة سرعة الممثل في الشكل 2 . تم التقاطها على محور القناة وعلى مسافة 4.5 متر من مدخل المسالك، حيث تم تطوير التدفق بالكامل. تمت إزالة بعض القيم المتعلقة بقياسات الارتفاعات غير الصالحة. عدم التناظرج من خواص مختلفة من غطاء من البلاستيك والرواسب السرير. وتظهر المؤامرات أيضا جزء من التشكيل الجانبي المستخدم لتقدير سرعة القص، ويحصل على _s = 25.9 ± 1.3 مم / s. وكان عدد الجسيمات رينولدز ( ري _p = u _s × d / ν ، مع ν كما اللزوجة الحركية للمياه) يساوي 78، مما يدل على نظام الخام انتقالي.

تم إجراء التصور لنقل الرواسب مع اثنين من الكاميرات وضعت في 3.5 متر و 4.3 متر من مدخل المسيل. تعمل الكاميرات على تردد 30 إطارا في الثانية وبقرار من 1،920 × 1،080 بكسل. وكان عامل تصحيح تشوه الصورة k = 0.6. بعد إزالة التشويه، كانت المعايرة الصورة 1 بكسل = 0.5 ملم. وكان طول التداخل من 760.15 إلى 880.11 مم (حيث كان الأخير طول منطقة التركيز من التنوبست الكاميرا من حافة المنبع). وحددت كثافة عتبة تحديد الجسيمات إلى 80 وتراوح حجم النقطة المتوقعة من 0.5 إلى 8 ملم. كانت نافذة البحث لتتبع الجسيمات كما يلي: 1 مم المنبع و 7 ملم المصب، 4 مم أفقيا. وكانت نافذة البحث لإعادة ربط المسارات المتقطعة كما يلي: 1 مم المنبع و 31 ملم المصب، 16 ملم أفقيا على طول 4 الإطارات التالية. تم تعيين قيمة عتبة الجذر التربيعي لمتوسط ​​الفرق المربعة لقيم x و y بين مسارين ليتم ضمهما إلى 10 مم.

ويوضح الشكل 3 المسارات الجسيمية المقاسة باستخدام مجموعة فرعية تتألف من 000 3 صورة من كل كاميرا (تقابل مدة 100 ثانية). واستوعبت قاعدة البيانات 37 و 34 مسارا من كاميرا المنبع والمصب، على التوالي. ويقترح التداخل من المسارات التي تم الحصول عليها من قبل الكاميرات الأولى ثم مجموعة كاملة الناتجة من ريتم عرض رفوف. ومن الواضح أن التداخل في الجزء المركزي من منطقة القياس كان مرضيا. تم الحصول على 12 روابط في نهاية 59 المسارات. ويمتد أطول مسار ممتد على نافذة المراقبة بأكملها ويبلغ طولها الإجمالي حوالي 1.6 متر (أكثر من 530 أحجام الجسيمات، 15.2 أعماق التدفق أو 5.3 عرض المسافات)، وهو كبير جدا بالمقارنة مع الدراسات الأدبية الأخرى حيث أجريت تحليلات مماثلة ^{3 ، 4 ، 5 ، 8} .

من خلال اتخاذ إطار لاغرانجي، يتم تطبيق المؤشرات الرئيسية للكينيماتيكا الجسيمات هنا من حيث خصائص القفزات الجسيمات. وفي إطار النقل المتقطع لأحمال السرير، مثل النقل في هذه التجربة، تكون هذه القفزات عبارة عن حركة تفصل بينها فترات راحة. للكشف عن القفزات ضمن مسار كامل لجسيم واحد، وتحديد حركة الجسيمات والسكون هوخطوة أولية ضرورية. في هذا العمل، طبقنا معيار ³⁰ التي تعتبر الجسيمات في الحركة في لحظة معينة إذا موقف س لها في تلك اللحظة هو أكبر من كل سابقاتها، وأقل من كل منها التالية. وقد تم الحصول على ما مجموعه 98 القفزات من المسارات الجسيمات قياس 59. ويوضح الشكل 4 التوزيع التراكمي للتردد (كفد) لطول القفزة ومدتها.

الشكل 2: قياس سرعة الملف. (أعلى) الشكل الرأسي المتوسط ​​المتوسط ​​لمكون سرعة التدفق. (أسفل) تقدير سرعة القص عن طريق تركيب معادلة لوغاريتمي للجزء السفلي من التشكيل الجانبي. لاحظ أن المحور الرأسي بدءا من الجزء العلوي من القناة والموجهة نحو الأسفل يستخدم في المؤامرة الأولى، ريبريز نتينغ النتيجة من القياس مع أوفب. يتم استخدام محور من أسفل القناة وتوجيهها صعودا بدلا من ذلك في المؤامرة الثانية، حسب الحاجة لتقدير سرعة القص بواسطة المعادلة المناسب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: عرض الخطة لمسارات الجسيمات المقاسة. (أعلى) المسارات من الكاميرات اثنين (الكاميرا المنبع في الأحمر والمصب في الأسود). (أسفل) عينة من المسارات انضم (تغيير لون الوضوح وبعض المسارات التي أبرزها خط سمكا). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4 "كلاس =" زفيجيمغ "سرك =" / فيليز / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg "/>
الشكل 4: توزيع التردد التراكمي (كفد) لطول القفزة (القمة) والمدة (القاع). في كل مسار من الشكل 3 ، وصفت الجسيمات في كل لحظة لحظة لتمثيل إذا كان الجسيم في الحركة أو في بقية في تلك اللحظة. ثم تم استخراج القفزات الجسيمات من المسارات كما أجزاء بين إنتراينمنت الجسيمات (الانتقال من السكون إلى الحركة) و ديسنتراينمنت (الانتقال من الحركة إلى السكون). واستخدمت العينات التي تم الحصول عليها لطول القفزة والمدد لإنشاء التوزيعات الموضحة هنا. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ملفات المدونة التكميلية: join_cameras.m من فضلكانقر هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

تصميم تجربة نقل الأحمال السرير مع التصور الجسيمات ينطوي على عدة خطوات، بما في ذلك اختيار التكوين التجريبي وأدوات الأجهزة، قياس التدفق، البذر الجسيمات والتصور، وتحليل الصور. الاختلافات في كل خطوة لها مزايا وعيوب. وتتمثل الخصائص الرئيسية للبروتوكول المعروض في هذه المخطوطة فيما يلي: (1) استخدام تدفق مضغوط وسرير خشن ثابت، (2) زرع عدد قليل من جزيئات الحمل ذات اللون المتناقض إلى لون السرير الثابت، باستخدام الضوء الطبيعي، و (4) استخدام كاميرات متعددة للحصول على مجموعات مسارات مستقلة للانضمام إلى بعضها البعض.

الطريقة التجريبية ومعالجة البيانات تمكن جزيئات الحمل السرير أن تتبع بشكل موثوق للقياس النهائي. يضمن التدفق المغطى رؤية مثالية للجسيمات المتحركة. بيد أن السرير الثابت يحول دون مراقبة بعض العمليات ( مثل تلك المرتبطة ب فيرتيكا l تشريد جسيمات الرواسب داخل طبقة الحمل النشط)، وبالتالي يحد من قابلية تطبيق التقنية على ضعف الأحمال السرير.

كان حجم عينات البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام 100 ثانية فقط من الفيلم صغير نسبيا. ومع ذلك، يمكن بسهولة زيادة حجم العينة عن طريق إطالة مدة التجريبية من الحصول على الصور ومعالجتها. تغذية عدد محدود من الجسيمات يتطلب وقتا أطول التجريبية من التغذية بمعدل أعلى بكثير؛ ولكنها تستحق الجهد بسبب تتبع الجسيمات مباشرة نسبيا بسبب تركيز صغير من الجسيمات في الحركة واستخدام ألوان مختلفة، وكلاهما يقلل من احتمال تتبع الأخطاء. استخدام الضوء الطبيعي في التجربة يتجنب الحاجة إلى أجهزة الإضاءة. ومع ذلك، فإن الجانب السلبي هو أن الإضاءة الجيدة تعتمد على الظروف الجوية.

العقود مقابل الفروقات من طول القفزة الجسيمات والمدة المبينة فيg "> الشكل 4 يظهر أقل القيم على أنها الأكثر شيوعا، وكانت أكبر قيم قياس طول القفزة ومدة حوالي 600 ملم و 7 ثانية، على التوالي، وكان هذا أكبر بكثير بالمقارنة مع القيم المماثلة من الأدب ^{4 و 16 و 30} ، لأن قياس المسارات الأطول يمر بخطر القفزات الجسيمية الطويلة، ومن الواضح أن الاستفادة من استخدام اثنين من الكاميرات واضحة بالنظر إلى أن كاميرا واحدة كان طول منطقة التركيز حوالي 850 ملم، والتي لن تكون أكبر بكثير من قيم طول القفزة التي يتعين قياسها. إن بروتوكول القياس باستخدام اثنين من الكاميرات بدلا من ذلك، تضمن فصلا مرضيا بين مقاييس الطول للعملية ومقياس مجال القياس، مما يقلل من خطر انحياز النتائج الظواهر بسبب القيود التجريبية، كما يمكن إطالة مجال التركيز وزيادة عدد الكاميرات وضعت على طول المسلك.

إجراء بديل بالمقارنة مع البروتوكول الموصوفة هنا هو خلق صور متداخلة قبل تحديد الجسيمات وتتبع. كان بروتوكولنا (من أداء التتبع مرتين وربط مسارات الجسيمات) المفضل لأن طريقة دمج الصور قد تضاعف حجم ملفات البيانات، مما يتطلب استهلاك الذاكرة التي لم تكن في متناول الجميع.

مع خوارزميات المعالجة الموصوفة هنا، تم تجاهل العديد من المسارات الجسيمية التي كانت أقصر من طول المنطقة المتداخلة لأنها منعت إعادة الإعمار الكامل للمسارات الرواسب. غير أن طول العتبة البالغ 120 مم كان أقل من طول المسارات التي يمكن الحصول عليها، ومن ثم فقد كان فقدان هذه البيانات مقبولا. وعلاوة على ذلك، فإن انضمام المسار الذي شوهد في الحالات ال 8 الأدنى من الشكل 1 لن يتيح زيادة كبيرة في طول المسير الذي يمكن الحصول عليه. ومن ناحية أخرى، قد تساعد هذه الحالاتفي استرجاع المسارات الطويلة، مثل الحالة في الشكل 5 التي يمكن أن تكون بسبب تتبع الانقطاعات. وفي حالة مماثلة، يمكن إعادة بناء مسار طويل من خلال عمليات الانضمام المتكرر. ومع ذلك فمن المهم أن نضع في اعتبارنا أن انقطاع المسار مثل تلك الواردة في الشكل 5 ترتبط بشكل واضح بعملية التتبع بدلا من عملية الانضمام.

قدمت هذه المخطوطة نتائج إثبات مفهوم لتجربة واحدة من أجل إثبات قدرات البروتوكول المعتمدة. في التجارب المستقبلية، سيتم تطبيق البروتوكول على سلسلة من الظروف المائية الديناميكية المختلفة لتحقيق تحليل مفصل لعملية نقل الرواسب السرير الحمل.

الشكل 5: حالة مسار تشارك في وجود انقطاعات. الانضمام من هذه المسارات في مسار واحد غير ممكن مع بروتوكول الموصوفة هنا. وكما ذكر في الشكل 1 وفي الخطوة 8-4 من البروتوكول، تستبعد المسارات الأقصر من طول المنطقة المتداخلة. هذا يلغي المسارات الحمراء والأخضر قصيرة. وبالتالي، لا يمكن أن ينضم المتبقية طويلة لأنها ليس لديهم نقطة مشتركة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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