Name: image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments
Uploaded: 2017-07-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
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この研究は、欧州連合（EU）の第7次枠組みプログラム、初等教育ネットワーク（ITN）に資金を提供した研究者（Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN）のトレーニングとキャリア開発の支援、 HYTECH「生態学的に重要な異種界面における流体力学的輸送」（番号316546）。それはまた、Politecnico di MilanoのPolo Territoriale di Leccoによって支えられました。実験はSSの訪問中に訪問科学者としてPolitecnico di Milanoに行われた。著者たちはTarcisio Fazzini、Stefania Gherbi、Francesco Mottini（ミラノ工科大学の学生）、Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi（HYTECHプロジェクトのメンバー、Politecnico di Milanoの学生）に感謝します。実験的な活動とデータ分析。著者たちは、ニュージャージー州クライストチャーチのカンタベリー大学（University of Canterbury）のロジャー・ノックス（Roger Nokes）教授ソフトウェアと絶え間ないアドバイスを絶賛。最後に、JoVEの編集部長と匿名の3人の批評家に、思考を呼び起こすコメントや提案について感謝します。これにより、原稿が大幅に改善される可能性があります。

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	<li>Francis, J. R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+motion+of+solitary+grains+along+the+bed+of+a+water-stream.">Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream.</a> Proc Royal Soc London, A. 332, 443-471 (1973).</li><li>Drake, T. G., Shreve, R. L., Dietrich, W. E., Whiting, P. J., Leopold, L. 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A., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Post-processing+of+particle+tracking+data+for+phenomenological+depiction+of+weak+bed-load+sediment+transport.">Post-processing of particle tracking data for phenomenological depiction of weak bed-load sediment transport.</a> Proc. River Flow 2016. VIII Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, St. , 780-786 (2016).</li></ol>

著者らは、競合する金銭的利益がないと宣言している。

粒子の視覚化によるベッドロード輸送実験の設計には、実験構成とハードウェアツールの選択、フロー測定、パーティクルシーディングとビジュアライゼーション、画像解析などのいくつかのステップが必要です。各ステップのバリエーションには長所と短所があります。この原稿で提示されたプロトコルの重要な特徴は、（i）加圧流と固定粗ベッドを使用すること、（ii）固定床色と対照的な色を有する少数の床荷重粒子を播種すること、 （iv）複数のカメラを使用して、互いに結合される独立したトラックセットを得ることを含む。 実験方法およびデータ処理により、ベッドロード粒子を確実に最終測定のために追跡することが可能になる。カバーされた流れは、移動する粒子の最適な視界を保証する。しかしながら、固定床は、いくつかのプロセス（ 例えば 、頂点にリンクされたもの<html> lの活性床荷重層内の堆積物粒子の変位）、この技術の弱いベッド負荷への適用性を制限する。 わずか100秒の映画を使用して得られたデータサンプルのサイズは比較的小さかった。しかし、サンプルのサイズは、画像取得および処理の実験期間を長くすることによって容易に増加させることができる。限られた数の粒子を供給することは、実質的により高い速度での供給よりも長い実験時間を必要とする。運動中の粒子の濃度が小さいことと、異なる色を使用することによる比較的簡単な粒子追跡のために、努力する価値があります。両方とも、誤った追跡の可能性を減らします。この実験での自然光の使用は、照明装置の必要性を回避する。しかし、欠点は、良好な照明が気象条件に依存することである。 パーティクルホップの長さと持続時間のCFDは、gが&quot;&gt;図4は、最も頻度の高いものと最も低い値を示す。ホップ長さおよび持続時間の最大測定値が600ミリメートルと7つのそれぞれの周りにあった。これは、文献4、16、30からの類似の値と比較して有意に大きかったです2つのカメラを使用する利点は、1つのカメラが約850mmの焦点領域長を有することを考慮すれば明らかであり、これは測定されるホップ長さの値よりはるかに大きくない。代わりに2台のカメラを使用する測定プロトコルは、プロセスの長さスケールと測定フィールドの長さスケールとの間の十分な分離を保証し、実験的限界に起因する現象学的結果を偏らせるリスクを低減した。 flumeに沿って配置されるカメラの数が増えます。 ここで説明するプロトコルと比較した別の手順は、パーティクルの識別と追跡の前にオーバーラップイメージを作成することです。データマージの方法がデータファイルのサイズを2倍にし、手頃な価格ではないメモリ消費を必要とするため、（2回の追跡を行い、粒子トラックをリンクする）我々のプロトコルが好まれた。 ここで説明する処理アルゴリズムでは、重複領域の長さよりも短いいくつかの粒子トラックは、堆積物トラックの完全な再構成を妨げたために廃棄されました。しかしながら、120mmの閾値長さは、得られることができるトラック長さより1桁短く、これらのデータの損失は許容された。さらに、 図1の下の8つのケースで見られるトラック接合は、得られるべきトラック長の大幅な増加を可能にしない。一方、これらの状況は、トラックの中断に起因する可能性がある図5の状況のような長いトラックの検索では、同様の場合、反復結合操作によって長いトラックを再構築することができます。ただし、 図5のようなトラックの中断は、参加プロセスではなく追跡プロセスに明確に関連していることに注意することが重要です。 この原稿は、採択されたプロトコルの能力を実証するために、単一の実験の概念実証結果を示した。将来の実験では、このプロトコルを一連の異なる水力学的条件に適用して、寝床 - 堆積物の堆積物輸送プロセスの詳細な分析を達成する。 <img alt="図5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> 図5：中断の存在下でのトラック参加の状況。 </strong&gt;ここで説明するプロトコルでは、これらのトラックを1つのトラックに結合することはできません。議定書の図1および8.4の欄に記載されているように、重複領域の長さより短いトラックは除外される。これにより短い赤と緑のトラックが削除されます。残りの長いものは共通点がないため結合できません。 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a>

先駆的な作品は、いくつかの数十年前の1、2登場以来、河川の土砂輸送の研究のための画像解析の使用が絶えず増加しています。この技術は、実際の物理現象3、4、5の詳細な分析のために、比較的高解像度及び低コストのデータを提供する能力を証明しました。時間とともに、ハードウェアツールとソフトウェアツールの両方で大幅な改善が得られました。 堆積物の輸送の測定は、堆積物フラックスの測定を対象とするオイラー法、または移動する個々の粒子の軌道を測定することを目的とするラグランジアン法を用いて行うことができる。画像処理は、他のオイラー方法6、7と比較して粒子追跡のためのユニークな可能性を提供しています。しかし、desこれらの潜在性にもかかわらず、寝台積載物の堆積物輸送への画像分析の適用は、データサンプルの測定およびサイズの空間的/時間的サポートスケールに関して、いくつかの重大な実験的限界に苦しんでいる。例えば、データの質と量を損なうことなく、同時に大空間領域、実験の長い期間、高い測定周波数3、4、8の適切な組み合わせを達成することは困難です。加えて、粒子追跡は、分析のために使用されるソフトウェアによって行われ、トラッキングエラーの可能性と、優れた人間の努力を必要とする、または自動的に3,8れ、手動2,4行うことができます。 本稿では、寝床下堆積物の実験的検討のためのプロトコル使用されるカメラのタイプによって長期間が達成され、異なる場所で2台のカメラを同時に使用することにより大きな視野が確保され、 臨機応変な実験条件によって確実な自動処理が可能になった。実験操作を設計し、処理ツールは、いくつかの研究で著者によって取得された経験に基づいて選択された画像法3、9、10、11、12、13、14、15、16によって土砂輸送の詳細な調査を扱う動作、17、18。 沈降物輸送実験が記載されている。これは、固定された、荒いベッドの上のes。粒子の供給は、移動粒子の低濃度を維持するための流れの輸送能力よりもはるかに小さく、追跡される粒子の混雑を回避した。さらに、輸送された粒子は連続的に動いていないが、間欠的な動きが観察された。可動ベッドではなく固定ベッドの使用は、自然条件との類似性の喪失を意味する。しかしながら、固定床は、しばしば結果が作用するプロセスの様々な複雑なシナリオのものよりシンプルで説明されているという仮定の下で土砂輸送実験19、20、21で使用しました。固定床の使用は、明らかに、堆積物埋葬および再出現のプロセスが観察されるのを防止する。他方、弱い床荷重の存在下では、堆積物の輸送はルーズベッドの表層で起こり、この場合、固定床の使用が適切である可能性がある。実際には、二つの条件を実行した実験における粒子運動の特性との間の具体的な比較では有意差3、14を提示しませんでした。最後に、ここに提示された実験は、透明なカバーを通して粒子視覚化のための最適条件を確保するために加圧流を用いて実施した。加圧された流れと土砂輸送は、実験的に近いベッド境界層と堆積物との間の相互作用は、開水路22、23のものと類似であることを示し、研究試作氷に覆われた河川で研究されてきました。以下のセクションでは、すべてのメソッドについて概説し、いくつかの代表的な結果を示します。

<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

画像分析は、比較的低コストで詳細な定量的描写を提供する能力のために、河川流量の測定にますます使用されている。この原稿では、軽量の堆積物を用いたベッドロード実験に粒子追跡速度測定法（PTV）を適用する方法について説明します。調査された堆積物輸送条件の重要な特徴は、覆われた流れの存在と、その上に粒子が水路入口で限られた数で放出された固定された粗い床の存在であった。適用された流動条件下では、個々の床荷重粒子の運動は断続的であり、運動と静止の交互作用が交互であった。流れパターンは、流れ方向速度の垂直プロファイルの音響測定によって予備的に特徴付けられた。プロセスの視覚化の間に、水路に沿って異なる場所に配置された2つのアクションカメラを使用して、大きな視野が得られた。実験プロトコルは、チャン実験の実現、画像前処理、粒子追跡の自動化、および2つのカメラからの粒子追跡データの後処理を行うことができます。提示された概念実証結果は、粒子ホップ長さおよび持続時間の確率分布を含む。この作業の成果を既存の文献の成果と比較して、プロトコルの妥当性を実証する。

このセクションに示された結果は、水路勾配がゼロに設定された実験（勾配値は±0.05％の精度で計算された）のためのものです。使用される堆積物は、サイズd = 3mmで密度ρP = 1270キロ/ m 3で、準球状たPBT粒子から作製しました。実験は流速Q = 9.7×10 -3 m 3 / sで行い、バルク速度U = 0.31m / sとした。 UVPによる速度測定のために、2MHzのプローブを81°の傾斜で使用した。速度データを20Hzで250秒間取得した。代表的な速度プロファイルを図2に示します 。これは流路の軸線と流れが完全に発達した水路の入口から4.5mで採取された。無効な標高測定に関連するいくつかの値が削除されました。アシンメトリーcプロファイルは、プラスチックの蓋と堆積物床の異なる粗さに起因する。プロットはまた、せん断速度の推定に使用されるプロファイルの一部を示し、 u s = 25.9±1.3mm / sを得る。したがって、粒子レイノルズ数（ Re p = u s × d / ν 、水の動粘度であるν ）は、78に等しく、過渡的に粗い領域を示している。 堆積物輸送の視覚化は、水路入口から3.5mおよび4.3mに設置された2台のカメラを用いて実施した。カメラは30fpsの周波数で動作し、解像度は1,920×1,080ピクセルであった。像歪みの補正係数はk = 0.6であった。歪み除去後、画像較正は1画素= 0.5mmであった。オーバーラップの長さは、760.15〜880.11mmであった（後者は、前者の焦点領域の長さstカメラをその上流端から離す）。粒子同定の閾値強度は80に設定され、予想されるブロブサイズは0.5〜8mmの範囲であった。粒子追跡のための探索ウィンドウは、上流に1mm、下流に7mm、横に4mmであった。遮断されたトラックの再接続のための探索ウィンドウは、1mmの上流及び31mmの下流、16mmの横方向の4つの次のフレームに沿ったものであった。接合される2つのトラック間のxおよびy値の平均自乗差の平方根の閾値を10mmに設定した。 各カメラからの3,000枚の画像のサブセット（100秒に対応する）を用いて測定された粒子トラックを図3に示す 。データベースは、それぞれ上流と下流のカメラからの37と34のトラックを含んでいた。 2つのカメラによって得られたトラックの重なりが最初に提案され、次いで得られた全セットのtラックが表示されます。測定領域の中央部分における重なりが満足できることは明らかである。最後の59トラックで12のリンクが得られた。最長のトラック4、同様の分析が3を実施した他の文献の研究と比較して非常に大きく約1.6メートル（より530の粒子サイズ、15.2流れの深さ5.3水路幅）の合計の長さ全体観察窓を、スパン、5、8。 ラグランジュのフレームワークを取ることによって、粒子の運動学の重要な指標が、ここでは粒子のホップの特性に関して適用されます。この実験のような断続的な寝床輸送の下では、これらのホップは休息期間によって分離された動きである。単一の粒子についてフルトラック内のホップを検出するために、粒子の動きおよび静止の識別は、必要な準備段階。この作業では、その瞬間のx位置が以前のものよりも大きく、次のすべてのものよりも低い場合、特定の瞬間に動いている粒子を考慮する基準30を適用しました。 59個の測定された粒子トラックから合計98個のホップ数が得られた。 図4は、得られたホップ長さおよび持続時間の累積度数分布（CFD）を示す。 <img alt="図2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> 図2：測定された速度プロファイル。 （上）流れ方向の速度成分の時間平均垂直プロファイル。 （Bottom）対数方程式をプロファイルの下部に当てはめてせん断速度を推定します。最初のプロットでは、チャンネルの上端から下向きの垂直軸が使用されていることに注意してください。<html>測定結果をUVPで照合する。チャネルの底部から上向きの軸は、式フィッティングによるせん断速度を推定するために必要に応じて、代わりに2番目のプロットで使用されます。 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> 図3：測定された粒子トラックの平面図。 （上）2つのカメラからのトラック（上流のカメラは赤、下流は黒）。 （ボトム）結合されたトラックのサンプル（明瞭にするための色の変更と、太い線で強調表示された一部のトラック）。 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; 図4：ホップ長（Top）と期間（Bottom）の累積度数分布（CFD）。 図3の各トラック内では、粒子がその瞬間に動いているか静止しているかを表すために、各時刻で粒子を標識した。その後、粒子の飛沫同伴（静止から運動への移行）と脱離（運動から静止への移行）の間の部分として、粒子ホップをトラックから抽出した。ホップの長さと持続時間について得られたサンプルを使用して、ここに示す分布を作成しました。 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 補足コードファイル：join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">してください</a>このファイルをダウンロードするにはここをクリックしてください。

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

この原稿は、移動粒子が画像分析によって追跡される寝床積堆積物輸送実験の伝導のためのプロトコールを提示する。実験施設、実行実現とデータ処理の手順、そして最後にいくつかの概念実証結果をここに示します。

ベッド負荷実験における画像ベースのラグランジュ粒子トラッキング

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 ビュー.  Politecnico di Milano. この原稿は、移動粒子が画像分析によって追跡される寝床積堆積物輸送実験の伝導のためのプロトコールを提示する。実験施設、実行実現とデータ処理の手順、そして最後にいくつかの概念実証結果をここに示します。 

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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.

監禁静止と流れるコロイド·ポリマー混合物の共焦点イメージング

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

化学

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.

色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

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

工学

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.

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

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.

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

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.

バイオフィルムと生息地異質の共同開発を特徴付けるための方法

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

生物工学

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.

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

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.

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

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.

粒子追跡マイクロレオロジーによりバイオフィルムの機械的特性のその場でのマッピング

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.

温度を用いた微小管ベースの3D活性流体の流速制御

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.

リアルタイム 3 D 単一粒子追跡のためのプロトコル

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

ベッド負荷実験における画像ベースのラグランジュ粒子トラッキング

要約

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この動画の章

監禁静止と流れるコロイド·ポリマー混合物の共焦点イメージング

色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

バイオフィルムと生息地異質の共同開発を特徴付けるための方法

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

フローイメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

粒子追跡マイクロレオロジーによりバイオフィルムの機械的特性のその場でのマッピング

温度を用いた微小管ベースの3D活性流体の流速制御

リアルタイム 3 D 単一粒子追跡のためのプロトコル

ベッド負荷実験における画像ベースのラグランジュ粒子トラッキング

要約

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監禁静止と流れるコロイド·ポリマー混合物の共焦点イメージング

色素の実験とシミュレーションを使用したベッドフォームを通じてHyporheicフローの可視化

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

バイオフィルムと生息地異質の共同開発を特徴付けるための方法

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

粒子追跡マイクロレオロジーによりバイオフィルムの機械的特性のその場でのマッピング

温度を用いた微小管ベースの3D活性流体の流速制御

リアルタイム 3 D 単一粒子追跡のためのプロトコル

フローイメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定