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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이 연구는 초기 훈련 네트워크 (ITN)에 자금을 지원 한 유럽 연합 (EU)의 7 차 기본 계획, 연구원의 훈련 및 경력 개발 지원 (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN) HYTECH &quot;생태 학적으로 중요한 이질적 인터페이스에서의 유체 역학적 운반&quot;(번호 316546). 또한 Politecnico di Milano의 Polo Territoriale di Lecco가 지원했습니다. 실험은 SS가 방문 과학자로서 Politecnico di Milano를 방문하는 동안 수행되었습니다. 저자는 Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (폴리시 디코 밀라노의 학생) 및 Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (HYTECH 프로젝트의 동료이자 Politecnico di Milano의 박사 과정 학생)에게 감사드립니다. 실험 활동 및 데이터 분석. 저자는 S를 제공 한 Roger Nokes 교수 (University of Canterbury, 뉴질랜드 크라이스트 처치)에게 감사드립니다.treams 소프트웨어 및 지속적인 조언. 마지막으로, 저자는 조브 (JoVE) 편집자와 익명의 3 명의 평론가들에게 그들의 생각을 자극하는 의견과 제안에 감사를 표한다. 덕분에 원고가 크게 개선 될 수 있었다.

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저자는 경쟁적인 금전적 이해 관계가 없다고 선언합니다.

입자 시각화를 이용한 베드로드 수송 실험 설계에는 실험 구성 및 하드웨어 도구, 유량 측정, 입자 시딩 및 시각화, 이미지 분석 등 다양한 단계가 포함됩니다. 각 단계의 변형에는 장단점이 있습니다. 이 원고에 제시된 프로토콜의 핵심 특성은 (i) 가압 흐름과 고정 된 거친 층을 사용하는 것, (ii) 고정층 색상에 대비되는 색상을 갖는 적은 수의 층상 물질을 파종하는 것, (iii) (iv) 여러 카메라를 사용하여 서로 조인 할 독립적 인 트랙 세트를 얻는 것. 실험 방법과 데이터 처리는 베드로드 입자가 최종 측정을 위해 신뢰성있게 추적 될 수있게합니다. 커버 된 흐름은 움직이는 입자의 최적의 시야를 보장합니다. 그러나 고정 된 침대는 일부 프로세스의 관찰을 방지합니다 ( 예 :<html> 활성 베드 - 하중 층 내의 침전물 입자의 변위)를 감소시키고, 따라서 약한 층상 하중에 대한 기술의 적용 가능성을 제한한다. 100 초의 영화를 사용하여 얻은 데이터 샘플의 크기는 비교적 작았습니다. 그러나 샘플 획득 및 처리의 실험 기간을 길게하여 샘플 크기를 쉽게 늘릴 수 있습니다. 제한된 수의 입자를 먹이는 것은 실질적으로 더 높은 속도로 먹이는 것보다 오랜 실험 시간이 필요합니다. 운동 중에 입자의 집중이 적고 다양한 색상을 사용하기 때문에 상대적으로 직선적 인 입자 추적으로 인해 많은 노력을 기울일만한 가치가 있습니다. 둘 다 실수를 추적 할 가능성을 줄입니다. 실험에서 자연광을 사용하면 조명 장치가 필요하지 않습니다. 그러나, 단점은 좋은 조명이 기상 조건에 달려 있다는 것입니다. 파티클 홉 길이와 지속 시간의 CFD는g &quot;는&gt;도 4는 가장 빈번한 것 같이 낮은 값을 나타낸다. 홉 길이 구간의 최대 측정 값은 600mm 및도 7 개의 각각의 주위에 있었다.이 문헌 4, 16, 30에서 유사한 값에 비해 상당히 컸다 더 긴 트랙을 측정 할 때 입자 홉이 길어질 수 있으므로 두 대의 카메라를 사용하는 이점은 단일 카메라의 초점 영역 길이가 약 850mm이며 측정 할 홉 길이 값보다 크지 않다는 점을 고려하면 분명합니다. 대신에 두 개의 카메라를 사용하는 측정 프로토콜은 공정 길이 길이와 측정 필드 거리를 만족스럽게 분리하여 실험적 한계로 인해 현상 학적 결과에 편향 될 위험을 줄였으며 초점 영역은 다음과 같이 추가로 길어질 수 있습니다. flume을 따라 배치 된 카메라의 수를 증가시킵니다. 여기에 설명 된 프로토콜과 비교되는 다른 절차는 입자 식별 및 추적 전에 겹쳐진 이미지를 만드는 것입니다. 이미지 병합 방법이 데이터 파일의 크기를 두 배로 만들었으므로 메모리 사용량이 적게 들기 때문에 추적을 두 번 수행하고 입자 트랙을 연결하는 프로토콜이 선호되었습니다. 여기에 설명 된 처리 알고리즘을 사용하면 중첩 영역의 길이보다 짧은 몇 개의 입자 트랙이 퇴적물 트랙의 전체 재구성을 막았 기 때문에 폐기되었습니다. 그러나 임계 길이 120mm는 획득 할 수있는 트랙 길이보다 한 단계 더 짧았으므로이 데이터의 손실은 허용 가능합니다. 또한, 그림 1 의 하위 8 개 사례에서 볼 수있는 트랙 결합은 얻을 수있는 트랙 길이를 크게 증가시키지 못합니다. 반면에 이러한 상황이 도움이 될 수 있습니다.추적 중단으로 인해 발생할 수있는 그림 5 의 상황과 같이 긴 트랙을 검색하는 경우 유사한 경우에, 긴 트랙은 반복적 인 결합 연산에 의해 재구성 될 수있다. 그러나 그림 5 와 같은 트랙 중단은 가입 프로세스가 아닌 추적 프로세스와 분명히 관련되어 있음을 명심해야합니다. 이 원고는 채택 된 프로토콜의 기능을 입증하기 위해 단일 실험에 대한 개념 증명 결과를 제시했습니다. 미래의 실험에서이 프로토콜은 베드 부하 침전물 이송 과정에 대한 상세한 분석을 달성하기 위해 일련의 서로 다른 수력 학적 조건에 적용될 것입니다. <img alt="그림 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> 그림 5 : 중단이있는 경우 추적 가입 상황. </strong&gt; 여기에 설명 된 프로토콜에서는 이러한 트랙을 단일 트랙에 결합 할 수 없습니다. 의정서의 그림 1 과 8.4의 캡션에서 언급했듯이 중첩 영역의 길이보다 짧은 트랙은 제외된다. 이렇게하면 짧은 빨강 및 녹색 트랙이 제거됩니다. 그러므로 나머지 긴 단어는 공통점이 없으므로 결합 할 수 없습니다. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

수십 년 전에 선구적인 연구가 출현 한 이래 1 , 2 , 하천 퇴적물 연구를위한 이미지 분석의 사용이 끊임없이 증가하고 있습니다. 이 기술은 실제로 물리 현상 3 , 4 , 5 의 상세한 분석을 위해 상대적으로 고해상도 및 저비용 데이터를 제공하는 능력을 입증했습니다. 시간이 갈수록 하드웨어 및 소프트웨어 도구 모두에서 상당한 개선이 이루어졌습니다. 퇴적물 이동의 측정은 침전물 플럭스의 측정을 목표로하는 오일러 접근법을 사용하거나 이동하는 개별 곡물의 궤도를 측정하는 것을 목표로하는 라그랑지안 (Lagrangian) 방법을 사용하여 수행 할 수 있습니다. 이미지 처리는 다른 오일러 방법과 비교하여 입자 추적을위한 고유 한 가능성을 제공합니다 6 , 7 . 그러나, des이러한 잠재적 가능성에 대비하여 침전물 이동에 대한 이미지 분석의 적용은 데이터 샘플의 측정 및 크기에 대한 공간 / 시간적 지원 척도의 측면에서 몇 가지 중요한 실험적 한계를 겪고있다. 예를 들어, 데이터의 품질과 양을 손상시키지 않으면 서 넓은 공간 영역, 장기간의 실험 기간 및 높은 측정 빈도 3 , 4 , 8 의 적절한 조합을 동시에 달성하는 것이 어렵습니다. 또한 입자 추적은 수작업으로 수행 할 수 있습니다 ( 2 , 4 ). 사람의 노력이 필요하거나 분석에 사용 된 소프트웨어로 인해 추적 오류가 발생할 가능성이 있으므로 자동으로 3 , 8 로 수행 할 수 있습니다. 이 논문은 침상 퇴적물의 실험적 연구를위한 프로토콜을 제시한다.사용 된 카메라의 유형에 따라 오랜 기간이 소요되는 다른 곳에서 두 대의 카메라를 동시에 사용하면 넓은 시야가 보장되고 임시 실험 조건에 의해 신뢰할 수있는 자동 처리가 가능해졌습니다. 실험 방법은 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16의 방법으로 퇴적물의 상세한 조사를 다루는 여러 연구에서 작가가 얻은 경험을 바탕으로 설계되었다. , 17 , 18 . 침전물 수송 실험이 기술되었는데, 그것은 particl고정 된 거친 침대 위에서. 입자 공급은 이동 곡물의 농도를 낮게 유지하기 위해 흐름의 수송 용량보다 훨씬 적으므로 추적해야 할 입자의 혼잡을 피할 수 있습니다. 또한, 운반 된 입자는 연속적으로 움직이지 않았지만 간헐적 인 움직임이 관찰되었다. 이동 가능한 침대 대신 고정 침대를 사용하는 것은 자연 조건과의 유사성 상실을 나타냅니다. 그러나 고정층은 다양한 연기 과정을 가진 복잡한 시나리오의 결과보다 더 단순하고 설명적인 가정하에 침전물 수송 실험 19 , 20 , 21 에서 자주 사용되었다. 고정 된 침대의 사용은 분명히 퇴적물 매장 및 재현 과정을 관찰하는 것을 방지합니다. 한편, 약한 층상 하중이 존재할 때, 퇴적물의 운반은 느슨한 층의 표면층에서 일어나며,이 경우,고정 된 침대를 사용하는 것이 적절할 수 있습니다. 사실, 실험에서 입자 운동의 성질 들간의 두 조건을 비교 한 구체적인 비교는 유의 한 차이를 나타내지 않았다 3 , 14 . 마지막으로 여기에 제시된 실험은 투명 커버를 통해 입자 시각화를위한 최적의 조건을 보장하기 위해 가압 흐름으로 수행되었습니다. 가압 흐름 퇴적물 수송 실험적 가까운 베드 경계층과 침전물 사이의 상호 작용이 개방 채널 유동 (22), (23)의 것과 유사한 것을 보여주는 연구 조형 얼음 덮인 강에서 검토되고있다. 다음 섹션에서는 모든 방법에 대해 간략히 설명하고 몇 가지 대표적인 결과를 제공합니다.

<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

이미지 분석은 상대적으로 저렴한 비용으로 자세한 양적 묘사를 제공 할 수있는 능력으로 인해 강 흐름 측정에 점점 더 많이 사용되었습니다. 이 원고는 가벼운 퇴적물을 이용한 베드로드 실험에 입자 추적 속도계 (PTV)를 적용하는 것에 대해 설명합니다. 조사 된 퇴적물 수송 조건의 주요 특성은 덮개가 달린 흐름의 존재와 그 위에 입자가 수로 유입구에서 제한된 수로 방출 된 고정 된 거친 층의 존재였다. 적용된 유동 조건 하에서, 개별 베드 하중 입자의 움직임은 간헐적 인 것으로, 운동과 정지가 번갈아 가며 나타납니다. 흐름 패턴은 흐름 방향 속도의 수직 프로파일의 음향 측정에 의해 예비 적으로 특성화되었다. 프로세스 시각화 과정에서, 수로를 따라 다른 위치에 두 개의 액션 카메라를 사용하여 넓은 시야를 확보했습니다. 실험 프로토콜은 chan의 관점에서 설명됩니다.실험 구현, 이미지 전처리, 자동 입자 추적 및 두 카메라의 입자 트랙 데이터 후 처리를 포함합니다. 제시된 개념 증명 결과에는 입자 홉 길이 및 지속 기간의 확률 분포가 포함됩니다. 이 연구의 성과는 프로토콜의 타당성을 입증하기 위해 기존 문헌의 성과와 비교된다.

이 섹션에 제시된 결과는 수로 경사가 0으로 설정된 실험 (경사 값은 ± 0.05 % 정확도로 계산 됨)에 대한 것입니다. 사용 된 침전물은 크기가 d = 3 mm이고 밀도가 ρ p = 1,270 kg / m 3 인 준 구형 인 PBT 입자로 만들어졌다. 실험은 유량 Q = 9.7 × 10-3 m로 실행 된 벌크 속도 U = 0.31 m / s에서 얻어진 3 / s. UVP를 사용한 속도 측정의 경우 2 MHz 프로브가 81 ° 기울기로 사용되었습니다. 속도 데이터는 20 초에서 250 초 동안 획득되었습니다. 대표적인 속도 프로파일은 그림 2에 나와 있습니다. 그것은 흐름이 완전히 발달 한 수로 입구에서 채널 축과 4.5m에서 취해졌다. 유효하지 않은 고도 측정과 관련된 일부 값이 제거되었습니다. 비대칭c 프로파일은 플라스틱 뚜껑과 침전물 베드의 거친 정도에 기인합니다. 플롯은 또한 전단 속도의 추정에 사용 된 프로파일의 부분을 보여 주며 u s = 25.9 ± 1.3 mm / s를 얻습니다. 입자 Reynolds 수 ( Re p = u s × d / ν , 물의 동점도로서 ν )는 78와 같았으며 과도하게 거친 정권을 나타냅니다. 침전물 수송의 시각화는 수로 입구에서 3.5m와 4.3m에 위치한 두 대의 카메라로 수행되었다. 이 카메라는 30fps의 주파수에서 작동하며 해상도는 1,920 x 1,080 픽셀입니다. 화상 왜곡을 보정하는 요인은 k = 0.6이었다. 왜곡을 제거한 후 이미지 보정은 1 픽셀 = 0.5mm였습니다. 중첩의 길이는 760.15에서 880.11 mm (후자는 전나무의 초점 영역 길이st 카메라를 그 상류 가장자리로부터). 입자 식별을위한 임계 강도는 80으로 설정되었고 예상 된 얼룩 크기는 0.5 - 8mm 범위였다. 입자 추적을위한 검색 창은 다음과 같습니다 : 1mm 업스트림 및 7mm 다운 스트림, 4mm 측면. 중단 된 트랙의 재 연결을위한 검색 창은 다음과 같습니다 : 1 mm 업스트림 및 31 mm 다운 스트림, 16 mm 옆으로 4 개의 다음 프레임. 결합 할 두 트랙 사이의 x 와 y 값의 평균 제곱 차이의 제곱근의 임계 값은 10mm로 설정되었습니다. 각 카메라의 3,000 개 이미지 (100 초에 해당)의 하위 세트를 사용하여 측정 된 입자 트랙은 그림 3에 묘사되어 있습니다. 데이터베이스는 업스트림 및 다운 스트림 카메라에서 각각 37 및 34 트랙을 포함합니다. 두 카메라에 의해 얻어진 트랙의 겹침이 먼저 제안 된 다음, 그 결과 전체 세트의 t랙이 표시됩니다. 측정 영역의 중앙 부분에서의 중첩이 만족 스러웠다는 것이 명백하다. 59 개의 트랙 끝에 12 개의 링크가 생성되었습니다. 최장 트랙은 유사한 분석은 3 수행 된 다른 문헌 과정에 비해 매우 큰 약 1.6 m (530 개 이상의 입자 크기, 15.2 유동 깊이 또는 5.3 수로 폭), (4)의 총 길이는 전체 관찰 창 스팬 , 5 , 8 . 라그랑지안 프레임 워크를 취함으로써, 입자 역학의 핵심 지표가 여기에 입자 홉 (particle hops)의 특성에 적용됩니다. 이 실험에서와 같은 간헐적 인 침대 부하 수송 하에서, 이러한 홉은 휴식 기간으로 구분 된 동작입니다. 단일 입자에 대한 전체 트랙 내의 홉을 검출하기 위해 입자 움직임 및 정지의 식별은필요한 예비 단계. 이 작업에서 우리는 그 순간의 x 위치가 모든 이전 것보다 크고 다음의 모든 것보다 낮은 경우 특정 순간에 움직이는 입자를 고려하는 기준 30 을 적용했습니다. 총 98 개의 홉이 59 개의 측정 된 입자 트랙으로부터 얻어졌다. 그림 4 는 홉 길이와 지속 시간에 대해 획득 된 누적 빈도 분포 (CFD)를 보여줍니다. <img alt="그림 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> 그림 2 : 측정 된 속도 프로파일. (위쪽) 스트림 단위 속도 구성 요소의 시간 평균 수직 프로파일. (Bottom) 대수 방정식을 프로파일의 아래 부분에 맞추어 전단 속도를 추정합니다. 채널의 상단에서 시작하여 아래쪽으로 향한 수직 축은 첫 번째 플롯에서 사용되며, represe<html> 측정 결과를 UVP로 나타냅니다. 채널 바닥에서 위쪽으로 향한 축은 방정식에 의해 전단 속도를 추정하는 데 필요한대로 두 번째 플롯에서 대신 사용됩니다. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> 그림 3 : 측정 된 입자 트랙의 평면도. (위쪽) 두 카메라의 트랙 (빨간색의 업스트림 카메라와 검은 색의 다운 스트림). (아래쪽) 결합 된 트랙의 샘플 (명확성을 위해 색상이 변경되고 두꺼운 선으로 강조 표시된 일부 트랙). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 4 &quot;class =&quot;xfigimg &quot;src =&quot;/ files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; 그림 4 : 홉 길이 (Top)와 지속 시간 (Bottom)의 누적 주파수 분포 (CFD). 그림 3 의 각 트랙 내에서 입자는 각 순간에 표시되어 입자가 움직이거나 그 순간에 정지했는지 나타냅니다. 그런 다음 입자 홉핑 (particle entrapment) (정지에서 움직임으로의 전이)과 분출 해제 (움직임에서 정지로의 전환) 사이의 부분으로 트랙으로부터 입자 홉을 추출했습니다. 홉 길이와 지속 시간에 대해 얻은 샘플을 사용하여 여기에 묘사 된 분포를 생성합니다. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 보충 코드 파일 : join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Please</a>이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

원고는 움직이는 입자가 이미지 분석에 의해 추적되는 층상 퇴적물 수송 실험의 전도 프로토콜을 제시한다. 실험 시설, 실행 실현 및 데이터 처리 절차, 그리고 일부 개념 증명 결과가 여기에 제시됩니다.

베드로드 실험에서 이미지 기반 라그랑주 입자 추적

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 조회수.  Politecnico di Milano.  원고는 움직이는 입자가 이미지 분석에 의해 추적되는 층상 퇴적물 수송 실험의 전도 프로토콜을 제시한다. 실험 시설, 실행 실현 및 데이터 처리 절차, 그리고 일부 개념 증명 결과가 여기에 제시됩니다. 

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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.

밀폐 무부하 흐르는 콜로이드 중합체 혼합물의 공 촛점 이미징

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

연구

화학

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.

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

공학

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.

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.

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.

바이오 필름 및 서식지의 이질성의 공동 개발을 특성화하기위한 방법

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

생체공학

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.

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.

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.

입자 추적 Microrheology에 의한 바이오 필름의 기계적 성질의 제자리 매핑에서

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.

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.

실시간 3D 단일 입자 추적에 대 한 프로토콜

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