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.

<ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי להתחיל בהליך זה, אנו מבטיחים כי כל הרכיבים SCUVA יש סוללה מספיק, סרט ההקלטה (עבור-high-definition או מצלמת וידאו HD), וכן לתפקד כראוי. בהתאם זורם למדוד, לבחור מצלמת וידאו ברזולוציה מסגרת שיעורי תשואה כי התוצאות הטובות ביותר עבור velocimetry תמונה דיגיטלית החלקיקים (DPIV). 1,2 </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את המצלמה מעטה לייזר לשימוש על ידי ניקוי O-טבעת חריצים O-טבעות עם מגבת נקייה או לנגב. יצרן מורחים בתנאי O-טבעת שומן באופן שווה על O-טבעות ולהחליף אותם חריצים דיור. בנוסף, נקיים הלייזר ואת המצלמה פתחים הדיור כדי למנוע עיוות גיליון לייזר וסימני על העדשה דיור המצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את O-טבעת חותמות על ידי הצבת שני מעטה ריק באמבט מלא מים. אובייקטים משוקלל צריך להיות מונח על גבי מעטה כדי להטביע אותם מאז מעטה לצוף כאשר ריק. לאחר 5 עד 10 דקות, להסיר את מעטה מהאמבטיה ואת לא מגבת יבשההוא בחוץ. בדוק אם יש לחות בתוך מעטה. כמו כן לשקול שימוש חד פעמי, לחות רצועות נייר במהלך הבדיקה לחץ כדי לציין אם יש לחות מעטה לאחר הבדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר מעטה במבחן הלחץ, במקום רכיבים SCUVA בתוך מעטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף בעוצמה גבוהה (HID) פריקה אור תרמילי לדיור המצלמה. ודא כי האורות מכוונים באופן כזה שהם מאירים את האזור ישירות לפני המצלמה מפעיל, ולא להפריע שמירה על ידיות אחיזה ותפעול של בקרות המצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בסביבה של תאורה נמוכה, להבטיח את קרן הלייזר מיושר כראוי ביחס העדשה אופטי מותקן דיור הלייזר. כאשר מיושר כראוי, שילוב לייזר / עדשות תיצור גיליון אנכי של אור מכוונת בניצב דיור המצלמה. בטיחות, שימוש גיליון טמפרטורה רגיש נייר כדי לקבוע אוריינטציה לייזר הגיליון. </li&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש בקבצים מצורפים SCUVA ואת הזרוע נוקשה, להארכה, להתחבר הדיור לייזר הדיור מצלמה זו לזו. ודא מעטה מחוברים בחוזקה מעטה כי אינו יכול לסובב בכבוד זה לזה. זה קריטי, כי את הגיליון מונחה לייזר נשאר בניצב לשדה של המצלמה להציג במשך המדידה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בשל היכולות הנוכחיות של SCUVA, צלילות המדידה יכול להיות רק שנערך בתאורה נמוכה במקומות או בשעות הלילה כדי למנוע הפרעות של אור טבעי עם הסדין לייזר. לכן, אנו ממליצים להמתין עד השקיעה או במאוחר לפני הכניסה למים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל דיור המצלמה לפני הכניסה למים. דיור מצלמה בעלת חיישן מובנה לחות אלקטרוניים המספקת אזהרות חזותית (להבהב נורות LED) במקרה של רטיבות דיור המצלמה. החיישן פועל רק כאשר המצלמה היא על דיור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> SCUVA לטבול במים לצרף את מנגנון לעצמך באמצעותקו. מחוברים ברגע למנגנון, לשחרר SCUVA כדי לקבוע את מאפייני הציפה של המכשיר. בהתאם למאפיינים הציפה, הציפה לצרף קצף או להוביל משקולות אחד או שניהם מעטה כדי להבטיח ציפה ניטרלית ולמנוע סיבוב המנגנון בתוך המים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר מכן, לעבור על הלייזר והחזק המנגנון נייח. מקם את הלייזר באמצעות זרוע להארכה מספיק רחוק הצוללן כדי למזער את המדידה של צוללן המושרה זורם. כל המדידות של צוללן המושרה זורם ליד המטרה להציג את השגיאה ולא משמשים לניתוח שלאחר מכן. כוונן את הזום במצלמה עד בתחום מסגרות להציג את היעד והנוזלים המקיפים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תוך שמירה על מנגנון נייח, למקד את מצלמת הווידיאו על הסדין לייזר עד חלקיקים מופיעים חדה בפוקוס. ברגע שהמטוס גיליון לייזר בפוקוס, לעבור את המצלמה למצב פוקוס ידני. זה ימנע את המצלמה refocusing על כל האובייקטים שמופיעים בתחוםלהציג בזמן המדידה, וכתוצאה מכך חלקיקים מטושטשים בגיליון לייזר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לכייל SCUVA, במקום אובייקט עם ממדים ידוע בגיליון לייזר בתחום של המצלמה וידאו של התצוגה. שיא למשך כמה שניות. לאחר הצלילה, התמונה תהיה מופק רצף וידאו זה כדי לקבוע את קבוע הכיול אשר ממירה את השדה של גודל תצוגה מיחידות של פיקסלים ס&quot;מ. אם בכל עת למפעיל מתאים את השדה של גודל להציג מחדש לתפקיד זרוע להארכה או לשנות את זום המצלמה במהלך הצלילה, שלבים 12 ו 13 יהיה צורך לחזור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין הצלילה ידי יורד לעומק העבודה. עם מציאת המטרה, תזרים את המאפיינים הסביבתיים בתפזורת צריך להיות נחוש. אם ההווה, את הכיוון הנוכחי יכתיב מנגנון מיצוב צוללן ביחס ליעד במהלך המדידות. כיוון הזרימה בתפזורת סביב יעד ניתן להסיק על ידי התבוננות בועות נשף של הצוללן, ותוך לקיחה תנועה לרוחב שלהם. בתוךבנוסף בועות, כמות קטנה של צבע פלואורסצנטי (כלומר, והעמסת) ניתן לשחרר על מנת לקבוע את הכיוון הנוכחי. מאז צוללן שנוצר זרם יכול להיות מקור של טעות מדידה DPIV, צוללן לא צריך להיות ממוקם במעלה הזרם של היעד. בנוסף, בגיליון לייזר יש למקם במקביל בכיוון הנוכחי כדי למקסם מגורים חלקיק זמן בתוך הגיליון לייזר, ובכך לצמצם טעויות DPIV. עם זאת, אם אין זרימת הנוכחי או בתפזורת קיים, צוללן ומיצוב SCUVA ביחס ליעד הם בלתי מוגבל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מיקום SCUVA להאיר ולהקליט את ההצעה נוזל סביב היעד. אם מנסים לתעד את הזרימה סביב מטרה נעה first לחזות את מיקום המטרה, ולאחר מכן SCUVA עמדה במיקום החזוי תוך שמירה על תנועה. כפי יעד נע דרך שדה של המצלמה של נוף, להתחיל את ההקלטה. אם היעד הוא ללא ניע, מסגרת היעד והנוזלים המקיפים את המצלמה וידאו &amp;# X2019; בתחום של השקפה ולהתחיל הקלטה תוך שמירה על תנועה. המפעיל להימנע תנועות הסיבוב ו out-of-מטוס במהלך הקלטת וידאו מאז תוצאה תנועות אלו תוצאות שגויות DPIV. לכן, מדידות שנאספו במהלך הסיבוב ו out-of-מטוס צולל תנועות לא ישמש עבור ניתוח נתונים נוסף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר איסוף וידאו תושלם, לכבות את כל המרכיבים של SCUVA ולשחזר את הזרוע לייזר למיקום שלה חזר בו. הסר SCUVA מן המים ולנתק את המצלמה מעטה לייזר מהזרוע. יש לשטוף או להשרות את המכשיר במים מתוקים לפני הייבוש כדי למנוע החלדה של המנגנון. לאחר מעטה הם מיובשים, להסיר רכיבים מן מעטה, וטען ולהחליף את הסוללות במידת הצורך לצלילה נוספת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חיבור מצלמת וידאו למחשב ולחלץ וידאו מתוך הקלטת HD באמצעות תוכנת וידאו HD חבילה (כלומר, Adobe Premiere Pro או iMovie). לאחר הווידאו מופק, לקבוע את טווחוידאו כדי להפוך סדרה של תמונות לניתוח DPIV. ודא פיקסל היבט ratios וגדלים התמונה חילוץ להתאים את הגדרות וידאו HD. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תמונות אלה מיובאים בתוכנית עיבוד DPIV (כלומר, דייוויס או MatPIV). לאחר בחירה נכונה של קבוע כיול לכידת תמונה פרמטרים, אשר תונחה מחבילת תוכנה DPIV, שדות מהירות יכול להיות שנוצר מתמונות החלקיקים רצופים. נוסף שלאחר עיבוד שלבים, בהתאם לאיכות וסוגי מדידות, יכול להיות מיושם גם 3. </li></ol> נציג תוצאות: כאשר הפרוטוקול הוא נעשה בצורה נכונה, את התמונות החלקיקים המקיף את היעד יהיה חד קל להבחין. שימוש בשדות החלקיקים שנתפסו באתרו על ידי מצלמת הוידאו של SCUVA (איור 1A) ואת חבילת תוכנה DPIV עיבוד, שדות מהירות הזרימה סביב היעד (איור 1B) יתגלה. וקטורים של המהירותבתחום ty מצביעים גודל וכיוון מהירות הזרימה המקומית. אם הווידאו נאסף מספיק כדי לספק סדרה של תמונות זמן, סדרת זמן של שדות מהירות יכול גם להיות נחושה. <img src="/files/ftp_upload/2615/2615fig1.jpg" alt="איור 1"/> איור 1 נמדד בתחומים החלקיקים באתרו (A) סביב Aurelia labiata. מהירות השדה המתאים (ב) עם וקטורים צהוב המציין כיוון הזרימה ואת העוצמה. <img src="/files/ftp_upload/2615/2615fig2.jpg" alt="איור 2"/> איור 2 החלקיקים בשדות שמסביב באתרו Mastigias sp. Solmissus ו sp. (A ו-B, בהתאמה). החץ האדום מצביע על אזור של רפלקטיביות גבוהה, שתוצאתה הרוויה של התמונה, ולכן קשה להבחין בין חלקיקים היעד. החץ האדום מצביע על B אזור של פסים כי התוצאות כאשר קצב הזרימה הואלא נדגמו בתדירות גבוהה מספיק.

<ol>
	<li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle-imaging+techniques+for+experimental+fluid+mechanics.">Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).</li><li>Willert, C. E., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+particle+image+velocimetry.">Digital particle image velocimetry.</a> Exp. Fluids. 10, 181-193 (1991).</li><li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).</li><li>Agrawal, Y. C., Pottsmith, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+diffraction+particle+sizing+in+STRESS.">Laser diffraction particle sizing in STRESS.</a> Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).</li><li>Katz, J., Donaghay, P. L., Zhang, J., King, S., Russell, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Submersible+holocamera+for+detection+of+particle+characteristics+and+motions+in+the+ocean.">Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean.</a> Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).</li><li>Katija, K., Dabiri, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+field+measurements+of+aquatic+animal-fluid+interactions+using+a+self-contained+underwater+velocimetry+apparatus+(SCUVA).">In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA).</a> Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).</li></ol>

אין ניגודי אינטרסים הכריז.

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&quot;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 &#39;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.

quantitatively measuring in situ flows using a self-contained underwater velocimetry apparatus (scuva)

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 &#39; 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.

Watch this Scientific Journal Video about Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus SCUVA at JoVE.com

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus SCUVA

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.

ולמדוד באופן כמותי באתרו תזרימי באמצעות מנגנון עצמאי velocimetry תת (SCUVA)

The ability to directly measure velocity fields in a fluid environment is necessary to provide empirical data for studies in fields as diverse as ...

quantitatively-measuring-situ-flows-using-self-contained-underwater

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

12.9K Views.  Woods Hole Oceanographic Institution. 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.

Video: Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus SCUVA

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we present the fabrication protocol for a multilayered SAW acoustic counterflow device. The device is fabricated starting from a lithium niobate (LN) substrate onto which two interdigital transducers (IDTs) and appropriate markers are patterned. A polydimethylsiloxane (PDMS) channel cast on an SU8 master mold is finally bonded on the patterned substrate. Following the fabrication procedure, we show the techniques that allow the characterization and operation of the acoustic counterflow device in order to pump fluids through the PDMS channel grid. We finally present the procedure to visualize liquid flow in the channels. The protocol is used to show on-chip fluid pumping under different flow regimes such as laminar flow and more complicated dynamics characterized by vortices and particle accumulation domains.

In this video we first describe fabrication and operation procedures of a surface acoustic wave (SAW) acoustic counterflow device. We then demonstrate an experimental setup that allows for both qualitative flow visualization and quantitative analysis of complex flows within the SAW pumping device.

ייצור, תפעול ויזואליזציה זרימה במיקרופלואידיקה אקוסטית-נגדית Surface--מונע גל אקוסטי

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Engineering

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and detritus, and excreting particulate and dissolved compounds, they serve as important agents for benthic-pelagic coupling. Accurately measuring the compounds removed and excreted by suspension feeders (such as sponges, ascidians, polychaetes, bivalves) is crucial for the study of their physiology, metabolism, and feeding ecology, and is fundamental to determine the ecological relevance of the nutrient fluxes mediated by these organisms. However, the assessment of the rate by which suspension feeders process particulate and dissolved compounds in nature is restricted by the limitations of the currently available methodologies. Our goal was to develop a simple, reliable, and non-intrusive method that would allow clean and controlled water sampling from a specific point, such as the excurrent aperture of benthic suspension feeders, in situ. Our method allows simultaneous sampling of inhaled and exhaled water of the studied organism by using minute tubes installed on a custom-built manipulator device and carefully positioned inside the exhalant orifice of the sampled organism. Piercing a septum on the collecting vessel with a syringe needle attached to the distal end of each tube allows the external pressure to slowly force the sampled water into the vessel through the sampling tube. The slow and controlled sampling rate allows integrating the inherent patchiness in the water while ensuring contamination free sampling. We provide recommendations for the most suitable filtering devices, collection vessel, and storing procedures for the analyses of different particulate and dissolved compounds. The VacuSIP system offers a reliable method for the quantification of undisturbed suspension feeder metabolism in natural conditions that is cheap and easy to learn and apply to assess the physiology and functional role of filter feeders in different ecosystems.

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

We introduce the VacuSIP, a simple, non-intrusive, and reliable method for clean and accurate point sampling of water. The system was developed and evaluated for the simultaneous collection of the water inhaled and exhaled by benthic suspension feeders in situ, to cleanly measure removal and excretion of particulate and dissolved compounds.

VacuSIP, שיטת INEX משופרת<em&gt; באתרו</em&gt; מדידה של חלקיקים מומס תרכובות מעובד על ידי האכלת השעית Active

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and ...

Environment

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a relatively low cost. This manuscript describes an application of particle tracking velocimetry (PTV) to a bed-load experiment with lightweight sediment. The key characteristics of the investigated sediment transport conditions were the presence of a covered flow and of a fixed rough bed above which particles were released in limited number at the flume inlet. Under the applied flow conditions, the motion of the individual bed-load particles was intermittent, with alternating movement and stillness terms. The flow pattern was preliminarily characterized by acoustic measurements of vertical profiles of the stream-wise velocity. During process visualization, a large field of view was obtained using two action-cameras placed at different locations along the flume. The experimental protocol is described in terms of channel calibration, experiment realization, image pre-processing, automatic particle tracking, and post-processing of particle track data from the two cameras. The presented proof-of-concept results include probability distributions of the particle hop length and duration. The achievements of this work are compared to those of existing literature to demonstrate the validity of the protocol.

The manuscript presents a protocol for the conduction of bed-load sediment transport experiments where the moving particles are tracked by image analysis. The experimental facility, the procedures for run realization and data processing, and finally some proof-of-concept results are presented here.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

Continuous Instream Monitoring of Nutrients and Sediment in Agricultural Watersheds

Pollutant concentrations and loads in watersheds vary considerably with time and space. Accurate and timely information on the magnitude of pollutants in water resources is a prerequisite for understanding the drivers of the pollutant loads and for making informed water resource management decisions. The commonly used &#34;grab sampling&#34; method provides the concentrations of pollutants at the time of sampling (i.e., a snapshot concentration) and may under- or overpredict the pollutant concentrations and loads. Continuous monitoring of nutrients and sediment has recently received more attention due to advances in computing, sensing technology, and storage devices. This protocol demonstrates the use of sensors, sondes, and instrumentation to continuously monitor in situ nitrate, ammonium, turbidity, pH, conductivity, temperature, and dissolved oxygen (DO) and to calculate the loads from two streams (ditches) in two agricultural watersheds. With the proper calibration, maintenance, and operation of sensors and sondes, good water quality data can be obtained by overcoming challenging conditions such as fouling and debris buildup. The method can also be used in watersheds of various sizes and characterized by agricultural, forested, and/or urban land.

With the advancement of technology and the rise in end-user expectations, the need and use of higher temporal resolution data for pollutant load estimation has increased. This protocol describes a method for continuous in situ water quality monitoring to obtain higher temporal resolution data for informed water resource management decisions.

Instream רציף ניטור של חומרים מזינים, משקעים ב פרשות מים לחקלאות

Pollutant concentrations and loads in watersheds vary considerably with time and space. Accurate and timely information on the magnitude of pollutants in ...

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute transport in rivers and many important biogeochemical processes. To improve understanding of these processes through visual demonstration, we created a hyporheic flow simulation in the multi-agent computer modeling platform NetLogo. The simulation shows virtual tracer flowing through a streambed covered with two-dimensional bedforms. Sediment, flow, and bedform characteristics are used as input variables for the model. We illustrate how these simulations match experimental observations from laboratory flume experiments based on measured input parameters. Dye is injected into the flume sediments to visualize the porewater flow. For comparison virtual tracer particles are placed at the same locations in the simulation. This coupled simulation and lab experiment has been used successfully in undergraduate and graduate laboratories to directly visualize river-porewater interactions and show how physically-based flow simulations can reproduce environmental phenomena. Students took photographs of the bed through the transparent flume walls and compared them to shapes of the dye at the same times in the simulation. This resulted in very similar trends, which allowed the students to better understand both the flow patterns and the mathematical model. The simulations also allow the user to quickly visualize the impact of each input parameter by running multiple simulations. This process can also be used in research applications to illustrate basic processes, relate interfacial fluxes and porewater transport, and support quantitative process-based modeling.

This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.

חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה

Advective exchange between the pore space of sediments and the overlying water column, called hyporheic exchange in fluvial environments, drives solute ...

Design and Use of an Apparatus for Quantifying Bivalve Suspension Feeding at Sea

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves (i.e., mussels, oysters, and clams) presents new challenges. Quantitative data on the feeding behavior of suspension-feeding mollusks is necessary to determine important ecosystem interactions of offshore shellfish farms, including their carrying capacity, the competition with the zooplankton community, the availability of trophic resources at different depths, and the deposition to the benthos. The biodeposition method is used to quantify feeding variables in suspension-feeding bivalves in a natural setting and represents a more realistic proxy than laboratory experiments. This method, however, relies upon a stable platform to satisfy the requirements that water flow rates supplied to the shellfish remain constant and the bivalves are undisturbed. A flow-through device and process for using the biodeposition method to quantify the feeding of bivalve mollusks were modified from a land-based format for shipboard use by building a two-dimensional gimbal table around the device. Planimeter data reveal a minimal pitch and yaw of the chambers containing the test shellfish despite boat motion, the flow rates within the chambers remain constant, and operators are able to collect the biodeposits (feces and pseudofeces) with sufficient consistency to obtain accurate measurements of the bivalve clearance, filtration, selection, ingestion, rejection, and absorption at offshore shellfish aquaculture sites.

A flow-through device for using the biodeposition method to quantify filtration and feeding behavior of bivalve mollusks was modified for shipboard use. A two-dimensional gimbal table built around the device isolates the apparatus from boat motion, thereby allowing the accurate quantification of bivalve filtration variables at offshore shellfish aquaculture sites.

עיצוב ושימוש של מנגנון לכימות תנועת השעיה של ביואלו האכלה בים

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves ...

Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline. This method involves the implementation of a pipeline vibration system in a straight flume, a time-resolved particle image velocimetry (PIV) system for pipeline displacement tracking and flow fields measurements. The displacement time-series of the vibrating pipeline are obtained by using the cross-correlation algorithms. The steps for processing raw particle laden images obtained by using the time-resolved PIV are described. The detailed instantaneous flow fields around the vibrating pipeline at different vibrating phases are calculated by using a multiple-time-interval cross-correlation algorithm to avoid displacement bias error in the flow regions with a large velocity gradient. By applying the wavelet transform technique, the captured images that have the same vibrating phase are accurately cataloged before the phase-averaged velocity fields are obtained. The key advantages of the flow measurement technique described in this paper are that it has a very high temporal and spatial resolution and can be simultaneously used to obtain the pipeline dynamics, flow fields, and near-boundary flow stresses. By using this technique, more in-depth studies of the 2-dimensional flow field in a complex environment, such as that around a vibrating pipeline, can be conducted to better understand the associated sophisticated scour mechanism.

The goal of the protocol is to enable visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline.

ויזואליזציה של שדה זרימה סביב צינור רטט בתוך שיווי משקל החור לסרוק

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and ...

Measurements of Waves in a Wind-wave Tank Under Steady and Time-varying Wind Forcing

This manuscript describes an experimental procedure that allows obtaining diverse quantitative information on temporal and spatial evolution of water waves excited by time-dependent and steady wind forcing. Capacitance-type wave gauge and Laser Slope Gauge (LSG) are used to measure instantaneous water surface elevation and two components of the instantaneous surface slope at a number of locations along the test section of a wind-wave facility. The computer-controlled blower provides airflow over the water in the tank whose rate can vary in time. In the present experiments, the wind speed in the test section initially increases quickly from rest to the set value. It is then kept constant for the prescribed duration; finally, the airflow is shut down. At the beginning of each experimental run, the water surface is calm and there is no wind. Operation of the blower is initiated simultaneously with the acquisition of data provided by all sensors by a computer; data acquisition continues until the waves in the tank fully decay. Multiple independent runs performed under identical forcing conditions allow determining statistically reliable ensemble-averaged characteristic parameters that quantitatively describe wind-waves&#39; variation in time for the initial development stage as a function of fetch. The procedure also allows characterizing the spatial evolution of the wave field under steady wind forcing, as well as decay of waves in time, once the wind is shut down, as a function of fetch.

This manuscript describes a fully computer-controlled procedure that allows obtaining reliable statistical parameters from experiments of water waves excited by steady and unsteady wind forcing in a small-scale facility.

מדידות של גלים בתוך מיכל גל תחת רוח יציב ולא משתנה הזמן מכריח

This manuscript describes an experimental procedure that allows obtaining diverse quantitative information on temporal and spatial evolution of water ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Measuring Turbulent Flows

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows exhibit very high frequency fluctuations that require instruments with high time-resolution for their appropriate characterization. Hot-wire anemometers have a short enough time-response to fulfill this requirement. The purpose of this experiment is to demonstrate the use of hot-wire anemometry to characterize a turbulent jet.
In this experiment, a previously calibrated hot-wire probe will be used to obtain velocity measurements at different positions within the jet. Finally, we will demonstrate a basic statistical analysis of the data to characterize the turbulent field.

Measuring Turbulent Flows Using Hot-Wire Anemometers

מדידת זרמים סוערים

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows ...