Name: image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments
Uploaded: 2017-07-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments at JoVE.com

Questo lavoro è stato sostenuto dall&#39;Agenzia esecutiva di ricerca, attraverso il Settimo programma quadro dell&#39;Unione europea, il sostegno alla formazione e allo sviluppo della carriera dei ricercatori (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN) che ha finanziato la rete di formazione iniziale (ITN) HYTECH &quot;Trasporto idrodinamico in interfacce eterogenee ecologicamente critiche&quot; (numero 316546). È stato anche sostenuto dal Polo Territoriale di Lecco del Politecnico di Milano. Gli esperimenti sono stati effettuati durante una visita da SS al Politecnico di Milano come scienziato visitatore. Gli autori ringraziano Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (studenti di B.Sc. al Politecnico di Milano) e Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (collega del progetto HYTECH e dottorando al Politecnico di Milano) per sostenere Attività sperimentale e l&#39;analisi dei dati. Gli autori ringraziano con gratitudine il prof. Roger Nokes (Università di Canterbury, Christchurch, Nuova Zelanda) per laSoftware e consulenza costante. Infine, gli autori ringraziano l&#39;editore di JoVE e tre revisori anonimi per i loro commenti e suggerimenti provocatori di pensiero, grazie al quale il manoscritto potrebbe essere migliorato significativamente.

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

La progettazione di un esperimento di trasporto a letto a carico con la visualizzazione delle particelle comprende diversi passaggi, tra cui la scelta di una configurazione sperimentale e di strumenti hardware, misurazione del flusso, seminazione e visualizzazione delle particelle e analisi delle immagini. Le variazioni ad ogni passo hanno vantaggi e svantaggi. Le caratteristiche chiave del protocollo presentate in questo manoscritto sono: (i) impiegando un flusso pressurizzato e un letto grezzo fisso, (ii) seminando un basso numero di particelle di carico che presentano un colore contrastante rispetto al colore del letto fisso, (iii) Utilizzando la luce naturale e, (iv) l&#39;utilizzo di più telecamere per ottenere i set di piste indipendenti da unire tra di loro. Il metodo sperimentale e l&#39;elaborazione dei dati consentono di monitorare in modo affidabile le particelle di carico del letto per la misura finale. Il flusso coperto garantisce una visione ottimale delle particelle in movimento. Il letto fisso tuttavia impedisce l&#39;osservazione di alcuni processi ( ad esempio , quelli legati alla vertica<html> L spostamenti di particelle di sedimento all&#39;interno dello strato attivo di carico-letto) e quindi limita l&#39;applicabilità della tecnica a bassi carichi di letto. La dimensione dei campioni di dati ottenuti utilizzando solo 100 s di film era relativamente piccola. Tuttavia, la dimensione del campione può essere facilmente aumentata prolungando la durata sperimentale dell&#39;acquisizione e dell&#39;elaborazione delle immagini. L&#39;alimentazione di un numero limitato di particelle richiede un tempo sperimentale più lungo dell&#39;alimentazione ad una velocità sostanzialmente maggiore; Ma vale la pena lo sforzo a causa di un monitoraggio delle particelle relativamente semplice grazie alla piccola concentrazione di particelle in movimento e all&#39;uso di diversi colori, entrambi riducono la probabilità di monitorare gli errori. L&#39;uso della luce naturale nell&#39;esperimento evita la necessità di dispositivi di illuminazione; Tuttavia, un inconveniente è che buona illuminazione dipende dalle condizioni meteorologiche. I CFD della lunghezza e della durata del particle hop raffigurati inG &quot;&gt; La figura 4 mostra i valori più bassi come quelli più frequenti, i valori massimi di lunghezza e durata del cavallo sono stati rispettivamente di circa 600 mm e di 7 s, significativamente più grandi rispetto ai valori analoghi della letteratura 4 , 16 , 30 , Poiché la misura di lunghezze più lunghe corre il rischio di lunghi salti di particelle.Il vantaggio di utilizzare due telecamere è evidente, considerando che una singola fotocamera ha una lunghezza della messa a fuoco di circa 850 mm, che non sarebbe molto più grande dei valori di lunghezza del salto da misurare. Il protocollo di misurazione che utilizza due telecamere invece ha assicurato una soddisfacente separazione tra le scale di lunghezza del processo e quelle del campo di misura, riducendo così il rischio di biasimare i risultati fenomenologici a causa di limitazioni sperimentali. Inoltre, l&#39;area di messa a fuoco può essere ulteriormente allungata Aumentando il numero di telecamere poste sul fiume. Una procedura alternativa rispetto al protocollo descritto qui è quello di creare immagini sovrapposte prima dell&#39;identificazione e del tracciamento delle particelle. Il nostro protocollo (per eseguire il tracciamento due volte e collegare le tracce di particelle) è stato preferito in quanto il metodo di fusione di immagini avrebbe raddoppiato la dimensione dei file di dati, richiedendo un consumo di memoria non accessibile. Con gli algoritmi di elaborazione descritti qui, sono state scartate diverse tracce di particelle che erano più corte della lunghezza dell&#39;area sovrapposta perché impedivano una completa ricostruzione delle tracce del sedimento. Tuttavia, la lunghezza della soglia di 120 mm era un ordine di grandezza inferiore alle lunghezze delle tracce che potrebbero essere ottenute e pertanto la perdita di questi dati è stata accettabile. Inoltre, il collegamento tra la pista visto nei 8 casi inferiori di figura 1 non consentirebbe di ottenere un significativo aumento della lunghezza della pista. D&#39;altra parte, queste situazioni potrebbero aiutareNel recupero di tracce lunghe, come la situazione in Figura 5 che potrebbe essere dovuta a interruzioni di traccia. In un caso simile, una lunga traccia potrebbe essere ricostruita mediante operazioni di unione iterativa. È comunque importante ricordare che le interruzioni delle tracce come quelle della Figura 5 sono chiaramente correlate al processo di monitoraggio piuttosto che al processo di adesione. Questo manoscritto ha presentato risultati concorrenti per un singolo esperimento per dimostrare le capacità del protocollo adottato. Negli esperimenti futuri, il protocollo sarà applicato ad una serie di diverse condizioni idro-dinamiche per ottenere un&#39;analisi dettagliata del processo di trasporto del sedimento del letto. <img alt="Figura 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Figura 5: Una situazione di collegamento tra la presenza di interruzioni. </Strong&gt; L&#39;adesione di queste tracce in una singola traccia non è possibile con il protocollo descritto qui. Come indicato nella didascalia di figura 1 e nel punto 8.4 del protocollo, le tracce più corte della lunghezza della regione sovrapposta sono escluse. Questo elimina le tracce corte rosse e verdi; Pertanto, i rimanenti lunghi non possono essere uniti perché non hanno alcun punto comune. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

Dal momento che i lavori pionieristici sono apparsi alcuni decenni fa 1 , 2 , l&#39;uso dell&#39;analisi delle immagini per lo studio del trasporto del sedimento fluviale è in costante aumento. Questa tecnica ha infatti dimostrato la sua capacità di fornire dati relativamente ad alta risoluzione ea basso costo per analisi dettagliate dei fenomeni fisici 3 , 4 , 5 . Con il tempo sono stati ottenuti miglioramenti significativi sia per gli strumenti hardware che per quelli software. La misurazione del trasporto dei sedimenti può essere effettuata utilizzando un approccio Eulero che misura la misurazione dei flussi di sedimento o di un Lagrangiano che mira a misurare traiettorie di singoli granuli mentre si muovono. L&#39;elaborazione delle immagini offre possibilità uniche per il monitoraggio delle particelle rispetto ad altri metodi Euleri 6 , 7 . Tuttavia, desQueste potenzialità, l&#39;applicazione dell&#39;analisi delle immagini al trasporto del sedimento del carico a poppa soffre di alcune limitazioni sperimentali critiche, in termini di scale di supporto spaziale / temporale per la misura e la dimensione dei campioni di dati. Ad esempio, è difficile ottenere simultaneamente una combinazione appropriata di un&#39;ampia area spaziale, una lunga durata di un esperimento e un&#39;alta frequenza di misurazione 3 , 4 , 8 , senza compromettere la qualità e la quantità di dati. Inoltre, il monitoraggio delle particelle può essere eseguito manualmente 2 , 4 , che richiede un grande sforzo umano, o automaticamente 3 , 8 , con la possibilità di monitorare gli errori fatti dal software utilizzato per l&#39;analisi. Il presente documento presenta un protocollo per l&#39;indagine sperimentale del sedimentazione a lettoAnsport, dove è stata ottenuta una lunga durata con il tipo di telecamera utilizzata, è stato garantito un ampio campo visivo grazie all&#39;uso contemporaneo di due telecamere in diverse posizioni e un&#39;affidabile elaborazione automatica è stata resa possibile da condizioni sperimentali ad hoc . L&#39;operazione sperimentale è stata progettata e gli strumenti di elaborazione sono stati selezionati in base all&#39;esperienza acquisita dagli autori in varie ricerche riguardanti l&#39;indagine dettagliata sul trasporto dei sedimenti mediante metodi di immagine 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Viene descritto un esperimento di trasporto del sedimento, che è stato eseguito rilasciando particlSu un letto fisso e ruvido. L&#39;alimentazione delle particelle era molto inferiore alla capacità di trasporto del flusso per mantenere una bassa concentrazione di grani in movimento, evitando così la congestione delle particelle da rintracciare. Inoltre, le particelle trasportate non si muovevano continuamente, ma si osservava un movimento intermittente. L&#39;uso di un letto fisso, piuttosto che di quello mobile, rappresenta una perdita di somiglianza con le condizioni naturali. Tuttavia, un letto fisso è stato spesso utilizzato negli esperimenti di trasporto del sedimento 19 , 20 , 21 , con l&#39;ipotesi che i risultati siano più semplici e spiegabili di quelli da scenari complicati con una varietà di processi attivi. L&#39;uso di un letto fisso ovviamente evita di essere osservati i processi di sepoltura e riapparizione dei sedimenti. D&#39;altra parte, in presenza di un carico di letto debole, il trasporto del sedimento avviene in uno strato superficiale di un letto sciolto, e in questo caso,L&#39;uso di un letto fisso può essere adeguato. Infatti, confronti specifici tra le proprietà del movimento delle particelle in esperimenti eseguite con le due condizioni non presentavano differenze significative 3 , 14 . Infine, l&#39;esperimento presentato qui è stato eseguito con un flusso pressurizzato per garantire una condizione ottimale per la visualizzazione delle particelle attraverso una copertura trasparente. Il trasporto dei sedimenti con un flusso pressurizzato è stato sperimentalmente studiato nei corsi di ricerca prototipo di ghiaccio, dimostrando che l&#39;interazione tra lo strato di frontiera vicino al letto e il sedimento è analogo a quello del flusso aperto del canale 22 , 23 . Nelle sezioni seguenti vengono illustrati tutti i metodi e vengono forniti alcuni risultati rappresentativi.

<table><tbody><tr><td>Laser distance sensor</td><td>METRICA</td><td>PREXISOX2</td><td>Used to measure the flume slope</td></tr><tr><td>Two-component polyester resin</td><td>Gelson</td><td>MS 65213</td><td>Used to glue sediment particles onto steel plates</td></tr><tr><td>Water-resistant spray paint</td><td>Any</td><td></td><td>Used to paint the fixed bed</td></tr><tr><td>Ultrasonic Velocity Profiler</td><td>Signal Processing</td><td>DOP 2000</td><td>Used to measure the water velocity profiles</td></tr><tr><td>Camera</td><td>Go-Pro</td><td>Hero 4 Black</td><td>Used to acquire movies of bed-load particle motion</td></tr><tr><td>Streams</td><td>University of Canterbury</td><td>2.01</td><td>Used for particle identification and tracking</td></tr><tr><td>MatLab</td><td>MathWorks</td><td>R14</td><td>Used to develop ad hoc codes for a variety of operations</td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td></td><td></td><td>Transparent acrylic material</td></tr></tbody></table>

image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments

L&#39;analisi delle immagini è stata sempre più utilizzata per la misurazione dei flussi fluviali grazie alle sue capacità di fornire dettagliate rappresentazioni quantitative ad un costo relativamente basso. Questo manoscritto descrive un&#39;applicazione di velocimetry di tracciamento delle particelle (PTV) ad un esperimento di letto-carico con sedimento leggero. Le caratteristiche chiave delle condizioni di trasporto del sedimento studiato erano la presenza di un flusso coperto e di un letto ruvido fisso al di sopra delle quali le particelle sono state rilasciate in numero limitato all&#39;entrata del flume. Sotto le condizioni di flusso applicate, il movimento delle singole particelle a carico del letto è stato intermittente, con condizioni alternate di movimento e di silenzio. Il modello di flusso è stato preliminarmente caratterizzato da misure acustiche dei profili verticali della velocità del flusso. Durante la visualizzazione del processo, è stato ottenuto un ampio campo visivo utilizzando due telecamere ad azione poste in diverse posizioni lungo il flume. Il protocollo sperimentale è descritto in termini di chanNella calibrazione, nella realizzazione di esperimenti, nella pre-elaborazione dell&#39;immagine, nel monitoraggio automatico delle particelle e nella successiva elaborazione dei dati delle tracce delle particelle dalle due telecamere. I risultati presentati della prova-concetto comprendono le distribuzioni di probabilità della lunghezza e della durata del particle hop. I risultati di questo lavoro sono confrontati con quelli della letteratura esistente per dimostrare la validità del protocollo.

I risultati presentati in questa sezione sono per un esperimento in cui il pendio del flume è stato impostato su zero (i valori della pendenza sono stati calcolati con un&#39;accuratezza ± 0,05%). Il sedimento utilizzato è stato fatto di particelle PBT quasi sfere, con dimensione d = 3 mm e densità ρ p = 1.270 kg / m 3 . L&#39;esperimento è stato eseguito con una portata Q = 9,7 × 10 -3 m 3 / s con conseguente velocità di massa U = 0,31 m / s. Per le misurazioni della velocità con il UVP, è stata utilizzata una sonda da 2 MHz ad inclinazione di 81 °. I dati di velocità sono stati acquisiti a 20 Hz per 250 s. Un profilo di velocità rappresentativo è rappresentato in Figura 2 . È stato preso all&#39;asse del canale e a 4,5 m dall&#39;ingresso del flume, dove il flusso è stato completamente sviluppato. Alcuni valori correlati alle misurazioni delle altezze non valide sono state rimosse. Un asimmetroC è risultato dalla diversa rugosità del coperchio in plastica e del sedimento. Le trame mostrano anche la parte del profilo utilizzato per la stima della velocità di taglio ottenendo u s = 25,9 ± 1,3 mm / s. Il numero di Reynolds delle particelle ( Re p = u s × d / v , con ν come la viscosità cinematica dell&#39;acqua) è dunque pari a 78, indicando un regime transitorio. La visualizzazione del trasporto dei sedimenti è stata effettuata con due telecamere collocate a 3,5 e 4,3 m dall&#39;ingresso del flume. Le telecamere funzionavano ad una frequenza di 30 fps e con una risoluzione di 1.920 x 1.080 pixel. Il fattore di correzione della distorsione dell&#39;immagine era k = 0.6. Dopo la rimozione della distorsione, la calibrazione dell&#39;immagine era di 1 pixel = 0,5 mm. La lunghezza della sovrapposizione era da 760,15 a 880,11 mm (dove quest&#39;ultima era la lunghezza dell&#39;area di messa a fuoco dell&#39;abeteCamera dal suo bordo a monte). L&#39;intensità di soglia per l&#39;identificazione delle particelle è stata impostata su 80 e la dimensione del blob attesa variava da 0,5 a 8 mm. La finestra di ricerca per il monitoraggio delle particelle è la seguente: 1 mm a monte e 7 mm a valle, 4 mm lateralmente. La finestra di ricerca per la riconnessione di tracce interrotte è la seguente: 1 mm a monte e 31 mm a valle, 16 mm lateralmente lungo 4 fotogrammi successivi. Il valore di soglia della radice quadrata della differenza quadrata media dei valori x e y tra due tracce da unire è stato impostato su 10 mm. Le figure delle particelle misurate utilizzando un sottoinsieme di 3.000 immagini da ciascuna fotocamera (corrispondenti a 100 s durata) sono rappresentate in Figura 3 . Il database comprendeva rispettivamente 37 e 34 tracce dalla camera a monte ea valle. Viene proposta una sovrapposizione delle tracce ottenute dalle due telecamere e quindi il set completo di t ottenutoVengono visualizzati i rack. È evidente che la sovrapposizione nella parte centrale dell&#39;area di misura è soddisfacente. 12 collegamenti sono stati ottenuti alla fine di 59 tracce. La traccia più lunga ha spianato l&#39;intera finestra di osservazione con una lunghezza totale di circa 1,6 m (più di 530 dimensioni delle particelle, 15,2 profondità di flusso o 5,3 flussi di larghezza), molto grande rispetto ad altri studi di letteratura dove sono state effettuate analisi analoghe 3 , 4 , 5 , 8 . Prendendo un quadro di Lagrangian, gli indicatori chiave della cinematica delle particelle vengono qui applicati in termini di proprietà di luppolo di particelle. Sotto un trasporto intermittente a letto come quello in questo esperimento, questi luppoli sono movimenti separati da periodi di riposo. Per individuare il luppolo all&#39;interno di una traccia completa per una singola particella, l&#39;identificazione del movimento delle particelle e la quiete èUn passo preliminare necessario. In questo lavoro abbiamo applicato un criterio 30 che considera una particella in movimento ad un certo istante se la sua posizione x in quell&#39;istante è più grande di tutte le precedenti e inferiore a tutte quelle successive. Un totale di 98 luppoli è stato ottenuto dalle 59 tracce di particelle misurate. La Figura 4 rappresenta la distribuzione di frequenza cumulativa (CFD) ottenuta per la lunghezza e la durata del salto. <img alt="figura 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Figura 2: Profilo di Velocità misurata. (In alto) Il profilo verticale medio del tempo della componente di velocità del flusso. (In basso) La stima della velocità di taglio apportando un&#39;equazione logaritmica alla parte inferiore del profilo. Si noti che un primo asse verticale partendo dalla parte superiore del canale e orientato verso il basso viene utilizzato nella prima trama, represe<html> Nting il risultato dalla misurazione con il UVP. Un asse dal fondo del canale e diretto verso l&#39;alto viene invece utilizzato nella seconda trama, come necessario per stimare la velocità di taglio mediante l&#39;equazione. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Figura 3: Vista di pianta delle tracce di particelle misurate. (Top) I brani delle due telecamere (fotocamera a monte in rosso e verso il basso in nero). (In basso) Il campione delle tracce unite (cambio colore per chiarezza e alcune tracce evidenziate da una linea più spessa). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Figura 4: Distribuzione di frequenza cumulativa (CFD) della lunghezza (in alto) e della durata (in basso). All&#39;interno di ciascuna traccia di figura 3 , la particella è stata etichettata ad ogni istante istante per rappresentare se la particella era in movimento o in riposo in quell&#39;istante. I luppoli delle particelle sono stati quindi estratti dalle tracce come porzioni tra entrainment delle particelle (passaggio dalla quiete al movimento) e disinnesaggio (passaggio da movimento a silenzio). I campioni ottenuti per lunghezze e durate di salto sono stati utilizzati per creare le distribuzioni qui raffigurate. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a> Supplemental Code Files: join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Per favore</a>Fai clic qui per scaricare questo file.

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Il manoscritto presenta un protocollo per la conduzione di esperimenti di trasporto dei sedimenti a letto, in cui le particelle in movimento vengono monitorate dall&#39;analisi delle immagini. Qui vengono presentati l&#39;impianto sperimentale, le procedure per la realizzazione e l&#39;elaborazione dei dati e, infine, alcuni risultati dimostrativi di concetto.

Tracciamento delle particelle lagrangiche basate sull&#39;immagine in esperimenti di Bed-load

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

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8.9K Views.  Politecnico di Milano.  Il manoscritto presenta un protocollo per la conduzione di esperimenti di trasporto dei sedimenti a letto, in cui le particelle in movimento vengono monitorate dall'analisi delle immagini. Qui vengono presentati l'impianto sperimentale, le procedure per la realizzazione e l'elaborazione dei dati e, infine, alcuni risultati dimostrativi di concetto. 

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Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed assembly1-3, drug delivery4, improved hydrocarbon recovery5-7, and flowable electrodes for energy storage8. Suspensions containing fluorescent colloids and non-adsorbing polymers are appealing model systems, as the ratio of the polymer radius of gyration to the particle radius&#160;and concentration of polymer control the range and strength of the interparticle attraction, respectively. By tuning the polymer properties and the volume fraction of the colloids, colloid fluids, fluids of clusters, gels, crystals, and glasses can be obtained9.&#160;Confocal microscopy, a variant of fluorescence microscopy, allows an optically transparent and fluorescent sample to be imaged with high spatial and temporal resolution in three dimensions. In this technique, a small pinhole or slit blocks the emitted fluorescent light from regions of the sample that are outside the focal volume of the microscope optical system. As a result, only a thin section of the sample in the focal plane is imaged. This technique is particularly well suited to probe the structure and dynamics in dense colloidal suspensions at the single-particle scale: the particles are large enough to be resolved using visible light and diffuse slowly enough to be captured at typical scan speeds of commercial confocal systems10. Improvements in scan speeds and analysis algorithms have also enabled quantitative confocal imaging of flowing suspensions11-16,37.&#160;In this paper, we demonstrate confocal microscopy experiments to probe the confined phase behavior and flow properties of colloid-polymer mixtures. We first prepare colloid-polymer mixtures that are density- and refractive-index matched. Next, we report a standard protocol for imaging quiescent dense colloid-polymer mixtures under varying confinement in thin wedge-shaped cells. Finally, we demonstrate a protocol for imaging colloid-polymer mixtures during microchannel flow.

Confocal microscopy is used to image quiescent and flowing colloid-polymer mixtures, which are studied as model systems for attractive suspensions. Image analysis algorithms are used to calculate structural and dynamic metrics for the colloidal particles that measure changes due to geometric confinement.

Imaging confocale di confinati riposo e fluenti miscele colloidali e polimeri

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed ...

Ricerca

Chimica

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.

Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione

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

Ingegneria

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

Tridimensionale Velocimetry monitoraggio di particelle per applicazioni Turbulence: caso di flusso Jet

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Methods for Characterizing the Co-development of Biofilm and Habitat Heterogeneity

Biofilms are surface-attached microbial communities that have complex structures and produce significant spatial heterogeneities. Biofilm development is strongly regulated by the surrounding flow and nutritional environment. Biofilm growth also increases the heterogeneity of the local microenvironment by generating complex flow fields and solute transport patterns. To investigate the development of heterogeneity in biofilms and interactions between biofilms and their local micro-habitat, we grew mono-species biofilms of Pseudomonas aeruginosa and dual-species biofilms of P. aeruginosa and Escherichia coli under nutritional gradients in a microfluidic flow cell. We provide detailed protocols for creating nutrient gradients within the flow cell and for growing and visualizing biofilm development under these conditions. We also present protocols for a series of optical methods to quantify spatial patterns in biofilm structure, flow distributions over biofilms, and mass transport around and within biofilm colonies. These methods support comprehensive investigations of the co-development of biofilm and habitat heterogeneity.

Biofilms have complex interactions with their surrounding environment. To comprehensively investigate biofilm-environment interactions, we present here a series of methods to create heterogeneous chemical environment for biofilm development, to quantify local flow velocity, and to analyze mass transport in and around biofilm colonies.

Metodi per caratterizzare il co-sviluppo di biofilm e Habitat Eterogeneità

Biofilms are surface-attached microbial communities that have complex structures and produce significant spatial heterogeneities. Biofilm development is ...

Bioingegneria

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed electric body force has to be induced by ionic motions in liquid. On the other hand, positive and negative charges attract each other, and electroneutrality is maintained everywhere in equilibrium conditions. Furthermore, an increase in an applied voltage has to be suppressed to avoid water electrolysis, which causes the solutions to become unstable. Usually, EHD flows can be induced in non-aqueous solutions by applying extremely high voltages, such as tens of kV, to inject electrical charges. In this study, two methods are introduced to generate EHD flows induced by electrical charge separations in aqueous solutions, where two liquid phases are separated by an ion-exchange membrane. Due to a difference in the ionic mobility in the membrane, ion concentration polarization is induced between both sides of the membrane. In this study, we demonstrate two methods. (i) The relaxation of ion concentration gradients occurs via a flow channel that penetrates an ion-exchange membrane, where the transport of the slower species in the membrane selectively becomes dominant in the flow channel. This is a driving force to generate an EHD flow in the liquid. (ii) A long waiting time for the diffusion of ions passing through the ion-exchange membrane enables the generation of an ion-dragged flow by externally applying an electric field. Ions concentrated in a flow channel of a 1 x 1 mm2 cross-section determine the direction of the liquid flow, corresponding to the electrophoretic transport pathways. In both methods, the electric voltage difference required for an EHD flow generation is drastically reduced to near 2 V by rectifying the ion transport pathways.

The rectification of ion transport pathways is an effective method to generate one-directional ion-dragged electrohydrodynamic flows. By setting an ion-exchange membrane in a flow channel, an electrically polarized condition is generated and causes a liquid flow to be driven when an electric field is externally applied.

Generazione e controllo di idrodinamiche flussi in soluzioni acquose dell'elettrolito

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed ...

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.

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

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

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances (EPS). The EPS serves as a physical and protective scaffold that houses the bacterial cells and consists of a variety of materials that includes proteins, exopolysaccharides and DNA. The composition of the EPS may change, which remodels the mechanic properties of the biofilm to further develop or support alternative biofilm structures, such as streamers, as a response to environmental cues. Despite this, there are little quantitative descriptions on how EPS components contribute to the mechanical properties and function of biofilms. Rheology, the study of the flow of matter, is of particular relevance to biofilms as many biofilms grow in flow conditions and are constantly exposed to shear stress. It also provides measurement and insight on the spreading of the biofilm on a surface. Here, particle-tracking microrheology is used to examine the viscoelasticity and effective crosslinking roles of different matrix components in various parts of the biofilm during development. This approach allows researchers to measure mechanic properties of biofilms at the micro-scale, which might provide useful information for controlling and engineering biofilms.

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

Particle-tracking microrheology investigates the viscoelasticity of materials. Here, the technique is used to determine the viscoelasticity, creep compliance and effective crosslinking roles of different matrix components of a bacterial biofilm. The matrix consists of polymeric substances secreted by the bacteria and its components determine biofilm structure and mechanical properties.

In Situ mappatura delle proprietà meccaniche del biofilm da-Particle tracciamento Microrheology

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method allows for tuning the speeds in situ without the need to manufacture new samples to reach different desired speeds. Moreover, this method enables the dynamic control of speed. Cycling the temperature leads the fluids to flow fast and slow, periodically. This controllability is based on the Arrhenius characteristic of the kinesin-microtubule reaction, demonstrating a controlled mean flow speed range of 4&#8211;8 &#181;m/s. The presented method will open the door to the design of microfluidic devices where the flow rates in the channel are locally tunable without the need for a valve.

The goal of this protocol is to use temperature to control the flow speeds of three-dimensional active fluids. The advantage of this method not only allows for regulating flow speeds in situ but also enables dynamic control, such as periodically tuning flow speeds up and down.

Controllo delle velocità di flusso dei fluidi attivi 3D basati su microtubuli utilizzando la temperatura

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although various RT-3D-SPT methods have been put forward in recent years, tracking high speed 3D diffusing particles at low photon count rates remains a challenge. Moreover, RT-3D-SPT setups are generally complex and difficult to implement, limiting their widespread application to biological problems. This protocol presents a RT-3D-SPT system named 3D Dynamic Photon Localization Tracking (3D-DyPLoT), which can track particles with high diffusive speed (up to 20 &#181;m2/s) at low photon count rates (down to 10 kHz). 3D-DyPLoT employs a 2D electro-optic deflector (2D-EOD) and a tunable acoustic gradient (TAG) lens to drive a single focused laser spot dynamically in 3D. Combined with an optimized position estimation algorithm, 3D-DyPLoT can lock onto single particles with high tracking speed and high localization precision. Owing to the single excitation and single detection path layout, 3D-DyPLoT is robust and easy to set up. This protocol discusses how to build 3D-DyPLoT step by step. First, the optical layout is described. Next, the system is calibrated and optimized by raster scanning a 190 nm fluorescent bead with the piezoelectric nanopositioner. Finally, to demonstrate real-time 3D tracking ability, 110 nm fluorescent beads are tracked in water.

This protocol details the construction and operation of a real-time 3D single particle tracking microscope capable of tracking nanoscale fluorescent probes at high diffusive speeds and low photon count rates.

Un protocollo per il monitoraggio in tempo reale 3D singola particella

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...

Tracciamento delle particelle lagrangiche basate sull'immagine in esperimenti di Bed-load

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