This material is based upon work supported by National Science Foundation grants EAR-0810270, EAR-1215898, and EAR-1344280, as well as an&#160;NSF Graduate Research Fellowship.

1. Simulação Software <ol><li> Use o software descrito nesta seção. <ol><li> Baixe e instale o open-source multi-agente linguagem livre / modelagem e plataforma de simulação, NetLogo (Disponível: <a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/,</a> versão 5.1 ou posterior). Nota: Este software está disponível sem nenhum custo e é executado em todos os principais sistemas operacionais (Windows / Mac / Linux). </li><li> Baixe os dois arquivos de script de simulação específicos (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) que acompanham este procedimento laboratorial. (Available: <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259</a> and <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258</a> ) Nota: Uma vez que a plataforma de simulação está instalado e esses arquivos foram baixados, clicando duas vezes esses arquivos automaticamente abre tele simulações up, pronto para ser executado. </li></ol></li></ol> 2. Demonstração Flume <ol><li> Configure a calha de laboratório para que todos os parâmetros (Tabela 1) cair dentro da simulação mousedrop restrições alcance parâmetro. Nota: As restrições podem ser ajustados em mousedrop, se necessário para o sistema físico, editando os controles deslizantes. <ol><li> Despeje uma camada de cerca de 15-25 cm de areia na calha. Meça e registre a condutividade hidráulica e porosidade da areia seguinte métodos padrão 32,33. </li><li> Encha a calha com cerca de 20-30 cm de água. </li><li> Comece a caleira e aumentar a taxa de fluxo para um nível que é suficientemente rápido para mover os grãos de areia e, assim, para criar bedforms. Nota: A taxa de fluxo pode ser ajustado para refinar ainda mais características bedform com a prática. Tamanhos Bedform são um resultado da taxa de fluxo, a profundidade da água e as propriedades de areia. </li><li> Permitir bedforms para desenvolver for 12-24 horas para formar dunas naturais / morfologia ondulação. Para acelerar este processo, manualmente moldar dunas regulares, e então permitir o transporte de sedimentos para 4-12 horas. Alternativamente, formar manualmente dunas triangulares regulares. Nota: dunas triangulares regulares irá produzir padrões regulares de troca hyporheic, mas não vai mostrar toda a complexidade que dunas naturais / bedforms ondulação. </li><li> Uma vez que os bedforms desejados são alcançados, reduzir a taxa de fluxo de água até que retarda transporte de sedimentos cama e características bedform parar de mudar. <ol><li> Visualmente observar o movimento dos grãos de sedimentos que constituem a cama, e reduzir o fluxo até que o movimento cessa. Nota: Isto irá preservar a morfologia cama para a duração da experiência. </li><li> Para confirmar que, de movimento lento episódica não está ocorrendo, marca ou fotografia bedform posições e, em seguida, observar em um momento posterior. Nota: Só é importante que bedforms não se movem significativamente durante o período do experimento, de modo que forneceum tempo suficiente para confirmar a observação de que bedforms são estáveis. </li></ol></li><li> Ajuste inclinação calha e / ou profundidade da água para conseguir um fluxo uniforme sob a vazão reduzida. <ol><li> Declividade do canal de controle através de equipamentos construídos para o canal, tipicamente uma tomada de motorizada ou uma mão-manivela. Ajustar a profundidade da água, adicionando ou removendo a água da calha. Nota: Na configuração experimental aqui utilizado, toda a caleira é montada sobre um pivô na extremidade a jusante, e a inclinação é definida por um macaco motorizado na extremidade a montante. </li><li> Enquanto a bomba estiver funcionando, selecione duas localizações longitudinais marcados com linhas perpendiculares para o fundo da calha. Nestes locais, usar uma régua para medir a distância ao longo destas linhas perpendiculares, entre a superfície da água e a parte inferior da calha. Nota: Dependendo da configuração do canal, a parte inferior da calha pode servir como uma linha de referência mais inclinada do que a parte inferior da calha. A seleção de um larger distância longitudinal renderá maior precisão. </li><li> Ajustar a inclinação da caleira e / ou a profundidade da água e re-medida até que as medições de distância verticais são o mesmo para conseguir um fluxo uniforme. Medir a distância horizontal inclinado ao longo da parte inferior da calha entre estas duas localizações longitudinais. </li></ol></li><li> Pare a bomba e esperar a água parar de se mover; isto irá proporcionar uma superfície plana. Re-medir a distância entre a parte superior da calha e a superfície da água em cada posição longitudinal. Nota: O declive canal é igual à diferença entre estas medidas, dividida pela distância horizontal inclinado entre eles. </li><li> Re-ligar a bomba. </li><li> Seleccionar uma secção de ensaio, o qual deve ser de uma localização perto da extremidade a jusante do meio ou da caleira onde dunas ter formado um padrão regular. Certifique-se de que esta seção abrange pelo menos um bedform completo. </li><li> Meça e registre a profundidade média de sedimentos (D) em thseção e teste com qualquer devise de medição mão (governantes transparentes são ideais). Por simplicidade, utilize a distância média de uma crista e calha para o fundo da calha. </li><li> Medir e registar a altura média bedform na secção de ensaio, definido como a diferença entre a profundidade do sedimento numa crista e a profundidade do sedimento em uma calha com uma régua. Meça várias bedforms para obter uma boa estimativa da média. </li><li> Novamente usando a régua, medir e registrar a profundidade de água média (d) na seção de teste, definido como a distância média da superfície da água para o leito de areia. Mais uma vez, use a profundidade de água média em cristas de dunas e depressões pela simplicidade. </li><li> Grave o caudal de canal (Q) a partir do medidor de fluxo, e calcular a velocidade média como Q / (d * w), onde w é a largura da calha e d é a profundidade da água. Nota: O medidor de fluxo está inserido no circuito de recirculação do canal hidráulico. </li><li> Medidae registrar o comprimento de onda média bedform na seção de teste. Normalmente, medir o comprimento de onda como a distância entre sucessivas cristas de dunas. </li><li> Abra a simulação Mousedrop (na plataforma NetLogo) e verifique se todas as medições estão dentro dos intervalos variáveis ​​especificadas na interface do usuário simulação. Se um parâmetro medido cai fora da faixa de restrição, ajustar a gama de parâmetros de simulação clicando com o botão direito sobre o parâmetro &quot;slider&quot;, selecionando &quot;editar&quot;, e ajustando os valores mínimo e máximo /. </li></ol></li><li> Visualize troca hyporheic. <ol><li> Defina a câmera em um local fixo (de preferência em um tripé) apontou ortogonalmente à parede da calha com um único bedform na seção de teste centrado na imagem. Nota: Isso irá evitar problemas de perspectiva inclinada. </li><li> Tire uma foto de teste para verificar as condições. Ajuste a iluminação se reflexões são um problema. </li><li> Usando a seringa ea agulha, fazer 2-3 pequena i corantenjections perto da parede de caleira. Certifique-se de que estas injecções de formar ~ 2 cm manchas redondas de água intersticial colorido em uma variedade de locais verticais e horizontais. Tenha cuidado para minimizar a perturbação do leito de areia durante a injecção. Nota: Injeções de volumes menores de corante permitem ao usuário ver mais detalhes e visualizar caminhos de transmissão individuais. </li><li> Grave a hora de início das injeções de corantes e ter uma visão inicial. Opcional: Pode ser educativo para traçar as frentes iniciais de corante com marcadores em papel de transparência, de modo que o movimento corante é facilmente observável em laboratório, mas estes contornos também irá bloquear pequenas porções das frentes de corantes em imagens, para que haja um trade- desligado. </li><li> Capturar as posições dianteiras tintura em intervalos de tempo apropriados. Para a fotografia do lapso de tempo, use intervalos de 30 seg a dar resultados suaves. </li></ol></li></ol> 3. Simulação <ol><li> Executar Simulação 1: Mousedrop e comparar com transporte observada corante.<ol><li> Abra o script de simulação chamado Mousedrop.nlogo. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig2.jpg" width="600" /> Figura 2. Mousedrop. Isso mostra onde marcadores são em 7 casos diferentes no tempo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> </li><li> Ajustar os parâmetros do sistema físicas apresentadas na Tabela 1 para coincidir com condições experimentais flume (especificamente: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, porosidade, ChannelVelocity, profundidade e inclinação). Certifique-se de prestar muita atenção para as unidades quando entrar parâmetros de entrada. </li><li> Ajuste sliders TIME1, Time2, etc. para indicar momentos em que a cor da simulação de monitoramento vai mudar. Definir essas alterações de cor para combinar com o tempo de observação, a fim de facilitar a comparação dos resultados da simulação com observações. Nota: Se os parâmetros de tempo são todos definido para 0, a simulação irá exibir uma única cor por toda parte. </li><li> Depois que todos os parâmetros são definidos, clique no botão de configuração. Nota: O bedform deve aparecer na vista de simulação. </li><li> Clique no botão do mouse-drop para indicar os locais de partida dos marcadores virtuais. Note-se que vários locais na cama pode ser clicado. Segure o mouse para baixo para liberar tracer mais virtual. Ao simular o movimento corante, use o mouse para traçar qualquer frentes corante (o limite em torno do corante) ou preencher a área total da região tingido. Nota: A introdução de mais marcador virtual vai fazer com que a simulação para executar mais lentamente. Os melhores resultados visuais irão variar com o desempenho do computador. </li><li> Depois de todos os marcadores virtuais foram colocados, você pode clicar no botão Avançar para a próxima vez, que irá iniciar a simulação e depois pará-lo na primeira vez, ou você pode clicar no botão go / paragem para iniciar a simulção indefinidamente. Não re clique com o botão de configuração, ou os marcadores terá que ser colocado novamente. Observação: Uma vez que a simulação começa a funcionar, a velocidade é calculada para a localização de cada marcador com base em parâmetros de simulação nas Equações 4 e 5. Os traçadores se move de acordo com o campo de velocidade para 100 segundos simulados e em seguida a velocidade com a nova localização é calculada e o procedimento é repetido até que o marcador deixa o sistema. </li><li> Opcionalmente, clique no botão / stop go repetidamente para pausar / continuar a simulação. Comparar as distribuições de corante simulados e medidos em diferentes pontos no tempo. </li></ol></li><li> Executar Simulação 2: Interface. <ol><li> Abra o script intitulado Interface. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig3.jpg" width="600" /> Figura 3. Interface. Isso mostra 370 marcadores fluem através do subsolo utilizando a simulação interface. O pa tracerths mostrar onde cada marcador tem sido desde que foi iniciado na interface da superfície da água-subsuperfície. Eventualmente, todos os caminhos de fluxo deve retornar para a superfície da água. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Nota: Este script apresenta marcadores virtuais na superfície leito de uma maneira fluxo ponderada com base em velocidades de subsuperfície calculados. Isso fornece uma representação visual das quantidades relativas de água que fluem em (e fora) do leito do rio em diferentes locais. </li><li> Comece clicando configuração seguido de go / stop. Nota: Isto irá executar a simulação com as configurações padrão. O interruptor de re-drop? É definido inicialmente para fora, de modo a distribuição do tempo de residência cumulativa serão plotados como o tempo passa. </li><li> Depois de observar a simulação com os parâmetros padrão, clique em ir / parar para interromper a simulação. </li><li&gt; Alterar um ou mais parâmetros e, em seguida, clique em configuração seguido de go / stop. Nota: Isso irá reiniciar a simulação com os parâmetros que foram selecionados. </li></ol></li></ol>

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	<li>Huettel, M., Webster, I. T., Bordeau, B. P., J&#248;rgensen, B. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. , 144-179 (2001).</li><li>Bencala, K. E., Walters, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulation+of+Solute+Transport+in+a+Mountain+Pool-and-Riffle+Stream+-+a+Transient+Storage+Model.">Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream - a Transient Storage Model.</a> Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).</li><li>Williams, D. D., Hynes, H. B. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Occurrence+of+Benthos+Deep+in+Substratum+of+a+Stream.">Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream.</a> Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).</li><li>Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal+Behavior+during+Surface+Groundwater+Interaction,+Silver-Bow+Creek,+Montana.">Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana.</a> Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).</li><li>Fuller, C. C., Harvey, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactive+uptake+of+trace+metals+in+the+hyporheic+zone+of+a+mining-contaminated+stream,+Pinal+Creek,+Arizona.">Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona.</a> Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).</li><li>Jones, J. B., Mulholland, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Streams and Ground Waters. , (1999).</li><li>McKnight, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectrofluorometric+characterization+of+dissolved+organic+matter+for+indication+of+precursor+organic+material+and+aromaticity.">Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity.</a> Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).</li><li>Mulholland, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inter-biome+comparison+of+factors+controlling+stream+metabolism.">Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism.</a> Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).</li><li>Peterson, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+nitrogen+export+from+watersheds+by+headwater+streams.">Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams.</a> Science. 292, 86-90 (2001).</li><li>Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+changes+in+concentrations+and+flux+of+nitrogen+in+the+Mississippi+River+Basin,+USA.">Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA.</a> Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).</li><li>Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+seasonal+hypoxia+on+continental+shelf+benthos.">Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos.</a> Coast Est S. 58, 211-240 (2001).</li><li>Huettel, M., Gust, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+bioroughness+on+interfacial+solute+exchange+in+permeable+sediments.">Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments.</a> Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).</li><li>Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Residence+time+of+bedform-driven+hyporheic+exchange.">Residence time of bedform-driven hyporheic exchange.</a> Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).</li><li>Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+controls+and+predictability+of+stream+hyporheic+flow+evaluated+with+a+multiscale+model.">Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model.</a> Water Resour Res. 48, (2012).</li><li>Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., W&#246;rman, A., Salehin, M., Packman, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+multiscale+model+for+integrating+hyporheic+exchange+from+ripples+to+meanders.">A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders.</a> Water Resour Res. 46, (2010).</li><li>W&#246;rman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fractal+topography+and+subsurface+water+flows+from+fluvial+bedforms+to+the+continental+shield.">Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield.</a> Geophys Res Lett. 34, (2007).</li><li>Tonina, D., Buffington, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+three-dimensional+model+for+analyzing+the+effects+of+salmon+redds+on+hyporheic+exchange+and+egg+pocket+habitat.">A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat.</a> Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).</li><li>Elliott, A. H., Brooks, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+of+nonsorbing+solutes+to+a+streambed+with+bed+forms:+Theory.">Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory.</a> Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).</li><li>Elliott, A. H., Brooks, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+of+nonsorbing+solutes+to+a+streambed+with+bed+forms:+Laboratory+experiments.">Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments.</a> Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).</li><li>W&#246;rman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exact+three-dimensional+spectral+solution+to+surface-groundwater+interactions+with+arbitrary+surface+topography.">Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography.</a> Geophys Res Lett. 33, (2006).</li><li>Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparative+experimental+and+multiphysics+computational+fluid+dynamics+study+of+coupled+surface-subsurface+flow+in+bed+forms.">A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms.</a> Wat Resour Res. 48, (2012).</li><li>Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bed+Form+Resistances+in+Open+Channel+Flows.">Bed Form Resistances in Open Channel Flows.</a> J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).</li><li>Ma, J., Nickerson, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hands-on+simulated,+and+remote+laboratories:+A+comparative+literature+review.">Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review.</a> Acm Comput Surv. 38, (2006).</li><li>Nersessian, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conceptual+change+in+science+and+in+science+education.">Conceptual change in science and in science education.</a> Synthese. 80, 163-183 (1989).</li><li>Magin, D., Kanapathipillai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+students'+understanding+of+the+role+of+experimentation.">Engineering students' understanding of the role of experimentation.</a> European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).</li><li>Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+web-based,+interactive+virtual+laboratory+system+for+unit+operations+and+process+systems+engineering+education:+issues,+design+and+implementation.">A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation.</a> Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).</li><li>Smith, P. R., Pollard, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Role+of+Computer-Simulations+in+Engineering-Education.">The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education.</a> Comput Educ. 10, 335-340 (1986).</li><li>Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Collaborative+web-based+experimentation+in+flexible+engineering+education.">Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education.</a> Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).</li><li>Subramanian, R., Marsic, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ViBE:+Virtual+biology+experiments.">ViBE: Virtual biology experiments.</a> Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).</li><li>Blikstein, P., Fuhrmann, T., Greene, D., Salehi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bifocal+Modeling:+Mixing+Real+and+Virtual+Labs+for+Advanced+Science+Learning.">Bifocal Modeling: Mixing Real and Virtual Labs for Advanced Science Learning.</a> Proceedings of Idc 2012: The 11th International Conference on Interaction Design and Children. , 296-299 (2012).</li><li>Freeze, R. A., Cherry, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Groundwater. , (1979).</li><li>Todd, D. K., Mays, L. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Groundwater Hydrology. , (2005).</li><li>Box, G. E., Draper, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Empirical Model-Building and Response Surfaces. , (1987).</li><li>Flavell, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metacognition+and+cognitive+monitoring:+A+new+area+of+cognitive&#8211;developmental+inquiry.">Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive&#8211;developmental inquiry.</a> American Psychologist. 34, 906 (1979).</li><li>Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> How People Learn. , (2000).</li><li>Pintrich, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+metacognitive+knowledge+in+learning,+teaching,+and+assessing.">The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing.</a> Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).</li><li>Zohar, A., Ben David, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paving+a+clear+path+in+a+thick+forest:+a+conceptual+analysis+of+a+metacognitive+component.">Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component.</a> Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).</li><li>Fox, A., Boano, F., Arnon, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+losing+and+gaining+streamflow+conditions+on+hyporheic+exchange+fluxes+induced+by+dune-shaped+bed+forms.">Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms.</a> Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).</li><li>Norman, F. A., Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+in+hyporheic+zones+due+to+bedforms:+An+experimental+study.">Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study.</a> Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).</li><li>Precht, E., Huettel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+wave-driven+advective+pore+water+exchange+in+a+permeable+coastal+sediment.">Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment.</a> J Sea Res. 51, 93-107 (2004).</li><li>Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyporheic+exchange+with+heterogeneous+streambeds:+Laboratory+experiments+and+modeling.">Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling.</a> Water Resour Res. 40, (2004).</li><li>Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+heterogeneity,+bed+forms,+and+stream+curvature+on+subchannel+hyporheic+exchange.">Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange.</a> Water Resour Res. 40, (2004).</li><li>Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyporheic+flow+and+residence+time+distributions+in+heterogeneous+cross-bedded+sediment.">Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment.</a> Water Resour Res. 45, (2009).</li><li>Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sinuosity-driven+hyporheic+exchange+in+meandering+rivers.">Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers.</a> Geophys Res Lett. 33, (2006).</li><li>Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+model+for+lateral+hyporheic+flow+based+on+valley+slope+and+channel+sinuosity.">A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity.</a> Water Resour Res. 45, (2009).</li><li>Tonina, D., Buffington, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyporheic+exchange+in+gravel+bed+rivers+with+pool-riffle+morphology:+Laboratory+experiments+and+three-dimensional+modeling.">Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling.</a> Water Resour Res. 43, (2007).</li><li>Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process. , (2000).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Em conjunto, os de demonstração e de rastreamento de partículas simulações flume fornecer uma introdução abrangente para o fluxo hyporheic para uma variedade de audiências. Os participantes de todos os níveis são fornecidos evidência visual para a ocorrência de troca hyporheic induzida por bedforms, ea forte variabilidade nos caminhos de fluxo de subsuperfície sob bedforms. Estes procedimentos podem ser usados ​​como uma simples demonstração de fluxo de água intersticial para alunos de graduação ou...

À medida que a água de superfície em um córrego, rio ou zona das marés cria gradientes de cabeça que levam a água para dentro e para fora dos sedimentos 1. Em sistemas fluviais a parte dos sedimentos Streambed onde ocorre essa troca é conhecida como a zona de 2,3 hyporheic. Esta zona é importante porque muitos nutrientes e poluentes são armazenados, depositado, ou transformado dentro da zona hyporheic 4-9. A quantidade de tempo que um marcador passa no sedimento é chamado de tempo de residência. Ambas as vezes de residência e os locais dos caminhos de fluxo afetam os processos de transformação. A melhor compreensão dos processos que afectam o escoamento através do sedimento é necessário para estimar o transporte de soluto em rios e dirigir grandes problemas ambientais resultantes da propagação de materiais tais como nutrientes (por exemplo, de hipoxia costeira 10,11). Apesar da importância do intercâmbio hyporheic, que muitas vezes não é descrita em cursos de graduação em hidrologia,mecânica dos fluidos, hidráulica, etc. educadores que desejam adicionar troca hyporheic para seus cursos poderia encontrá-lo útil para ter visualizações experimentais e numéricos que mostram claramente este processo. Sinuosidade córrego canal, níveis freáticos circundantes, e topografia leito (ou seja, bares, bedforms, e montes biogénicas) afetam troca hyporheic em diferentes graus 12-17. Este estudo incidiu sobre bedforms, tais como dunas e ondulações, que são geralmente características geomorfológicas principais que afetam o fluxo hyporheic 14,15. Criamos uma simulação e laboratório experimento numérico para visualizar o fluxo através de uma série regular de bedforms. Esta simulação é baseado em um corpo de pesquisa anterior relativa caminhos de fluxo hyporheic características do sistema para facilmente observáveis ​​15,18-21. Como esta pesquisa constitui a base científica para a simulação, um breve resumo dos aspectos-chave da teoria segue. Bedform topografia, T (x),É dado por: Equação 1: <img alt="Equação 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq1.jpg" /> em que H é o dobro da amplitude do bedform, k é o número de onda, e X é a dimensão longitudinal paralelo à superfície média leito. Um exemplo deste topografia bedform é mostrado na Figura 1. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig1.jpg" /> Figura 1. definições e configurações de parâmetro controlado pelo usuário. Em Interface, partículas traçadores são liberados de forma fluxo ponderada na interface água / sedimento e rastreados através do sedimento. Se show-caminhos? É &quot;on&quot; a marca traçadores de água onde eles foram, mostrando seus caminhos. Quando um marcador retorna para a água de superfície, isso muda tele número total de marcadores no sistema, quando re-drop? é definido como &quot;off&quot;. A trama de distribuição cumulativa tempo de residência mostra esta mudança traçando a razão entre o número de marcadores que permanecem no leito de sedimentos para o número inicial como uma função do tempo. Se re-drop? É &quot;on&quot;, em seguida, traçadores que deixam o sistema são substituídas da mesma maneira fluxo ponderada como partículas originais, eo enredo cumulativa está desativado. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53285/53285fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Nome parâmetro </td><td> Unidades </td><td colspan="3"> Definição </td><td> Interface </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Lambda (λ) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Comprimento de onda de bedform (ver Figura 1) &lt;/ td&gt; <td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedformHeight (H) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Duas vezes a amplitude bedform (veja a Figura 1) </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedDepth (D) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Profundidade dos sedimentos (ver Figura 1) </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> HydrCond (K) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Condutividade hidráulica </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Porosidade (θ) </td><td></td><td colspan="3"> Porosidade </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ChannelVelocity (L) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Velocidade média na superfície da água ou canal </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Profundidade (d) </td><td> cm </td><td colspan="3"> A profundidade da água (ver Figura 1) </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Slope (S) </td><td></td><td colspan="3"> Inclinação da superfície da água e bedforms </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td&gt; <img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> NumParticles </td><td></td><td colspan="3"> O número de partículas libertadas para o sistema. </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> Timex (Time1, Time2 ..) </td><td> min </td><td colspan="3"> Hora em que cada mudança de cor ocorre </td><td></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Simulação Botões </td><td></td><td colspan="3"> Definição </td><td> Interface </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Estabelecer </td><td></td><td colspan="3"> Defina-se a simulação de uso de parâmetros mostrados </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ir / parar </td><td></td><td colspan="3"> Inicia e pára a simulação </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Passo </td><td></td><td colspan="3"> Clicando etapa faz com que um passo de tempo para passar. Isso permite que usuários para abrandar o código e ver exatamente o que acontece em 100 segundos. </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> caminhos claros </td><td></td><td colspan="3"> Limpa todos os caminhos ele partículas azuis da tela </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Avançar para a próxima época </td><td></td><td colspan="3"> Isso faz com que o programa seja executado até a próxima mudança de cor (Timex)</td><td></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> rato-drop </td><td></td><td colspan="3"> Este botão deve ser clicado antes de partículas podem ser colocados no subsolo clicando em locais em subsuperfície. </td><td></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> show-caminhos? </td><td></td><td colspan="3"> Se show-caminhos? é &quot;on&quot; as partículas de água deixam um rastro de exibição azul onde eles foram (ver Figura 1). </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> re-largar? </td><td></td><td colspan="3"> Se re-drop? é &quot;ligado&quot; as partículas são substituídos de um modo ponderado para cada fluxo de partículas, que sai do sistema, e a trama cumulativo não funciona. Quando um partiCLE sai da zona hyporheic o número de partículas no sistema diminui, se re-gota? é &quot;off&quot; (veja a Figura 1). </td><td><img alt="marca de seleção" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr></tbody></table> Tabela 1. Parâmetros Hyporheic e Simulação controles. Cada parâmetro, botão e controle deslizante que pode ser ajustado pelo usuário é dado nesta tabela, juntamente com uma definição. Nesta simulação, dois processos induzir velocidade do fluido no leito de areia. O primeiro é devido às interações do fluxo de córrego com bedforms. A cabeça de velocidade na interface água / sedimento induzida por bedforms também é de aproximadamente sinusoidal, e trocou por um comprimento de onda trimestre do próprio bedform 22. A amplitude da função cabeça de velocidade na interface de superfície-subsuperficial foi aproximada a partir de medições 16: ge = &quot;always&quot;&gt; Equação 2: <img alt="Equação 2" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq2.jpg" /> onde U é a velocidade média de superfície de água, g é a constante gravitacional, e d é a profundidade da água (mostrado na Figura 1). A função de cabeça de velocidade é então dado por: Equação 3: <img alt="Equação 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq3.jpg" /> Esta função de cabeça pode então ser usado para calcular a componente-base de bedform as funções de velocidade subsuperficial, resolvendo a equação de Laplace, com uma profundidade de leito de areia constante 20. O segundo componente da velocidade água intersticial é determinada pela inclinação do sistema, S, o que corresponde a um gradiente gravitacional cabeça que os rendimentos de fluxo na direcção a jusante proporcionals / ftp_upload / 53285 / 53285eq_S_inline.jpg &quot;/&gt; As funções finais para velocidade água intersticial são.: Equação 4: <img alt="Equação 4" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq4.jpg" /> Equação 5: <img alt="Equação 5" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq5.jpg" /> onde L é o componente de velocidade longitudinal, v é a componente de velocidade vertical, K é a condutividade hidráulica média diária do sedimento, é a porosidade média dos sedimentos, Y é a coordenada vertical, e D é a profundidade dos sedimentos. Simulações de rastreamento de partículas foram criadas, que utilizam a linguagem de modelagem NetLogo e plataforma de simulação 23. As duas implementações (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usam estas equações para modelar hyporheic fluxo com o mesmo núcleo de simulação. A principal diferença é nos locais iniciais das partículas marcadoras. Mousedrop permite que o utilizador coloque traçador simulado em qualquer lugar dentro do subsolo. Equações de velocidade Subsurface 4 e 5 são usados ​​para mover o marcador para simular experimentos de injeção de corante. Em Interface, tracer é sempre colocada ao longo do limite de superfície / subsuperfície de uma maneira fluxo ponderada. Este imita a entrega de material dissolvido e suspenso da água de superfície na água intersticial, o que é crucial para a compreensão de câmbio hyporheic. O marcador, em seguida, move-se dentro da subsuperfície até que novamente atinge a água corrente. Traçando os caminhos de corante na caleira e simulando os caminhos usando NetLogo produz as linhas de corrente do flowfield, contanto que as condições de fluxo e morfologia bedform permanecer estável durante o período de observação. Interface.nlogo cria uma distribuição de tempo de residência cumulativa, que mostra o razão entre o número departículas marcadoras restantes nos sedimentos para o número inicial de partículas marcadoras colocados no tempo 0 como uma função do tempo. Como discutido em uma recente pesquisa da literatura 24, continua a haver considerável debate dentro da comunidade da pesquisa educacional sobre os méritos relativos de hands-on experimentos de laboratório contra laboratórios simulados e modelos de computador. Por um lado, alguns acham que &quot;hands-on experiência está no cerne da aprendizagem&quot; 25, e cuidado que os argumentos de redução de custos pode ser alimentando a substituição de atividades práticas de laboratório por simulações baseadas em computador, em detrimento de estudante entendimento 26. Por outro lado, alguns pesquisadores em ensino de ciências / engenharia argumentam que as simulações são pelo menos tão eficaz quanto a tradicional hands-on labs 27, ou discutir os benefícios do computador-simulação na promoção centrado no aluno &quot;aprendizagem pela descoberta&quot; 28. Enquanto consenso não foi redoía, muitos pesquisadores concluíram que, idealmente, simulações de computador deve complementar, e não substituir, hands-on experimentos de laboratório 29,30. Também houve iniciativas no âmbito da ciência e da educação em engenharia para a experimentação física e do mundo real sentindo com simulações de computador dos fenômenos simultaneamente casal; ver, por exemplo, &quot;modelagem bifocal&quot; 31. Os estudantes podem obter um conhecimento mais profundo conceptual e uma melhor compreensão do processo de investigação científica, interagindo com tanto um sistema físico, e uma simulação por computador desse sistema. Este procedimento implica ter os alunos realizam um experimento de transporte de solutos que demonstra fluxo cambial hyporheic gravitacional e induzida por bedform, e combinar a sua própria configuração experimental e os resultados com uma simulação de computador dos mesmos fenômenos. Esta comparação facilita os resultados da aprendizagem no aluno importantes e uma discussão mais profunda de tele método científico, e interacção entre a modelo / construção de teoria e validação empírica através da recolha de dados. Depois de realizar esta comparação, os estudantes também podem aproveitar os benefícios da simulação baseada em computador para explorar rapidamente uma infinidade de cenários alternativos, alterando os parâmetros do modelo.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1244">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:117px;">Flume</td>
			<td style="width:199px;">Engineering Laboratory Design</td>
			<td style="width:125px;">Custom</td>
			<td style="width:804px;">Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Flowmeter</td>
			<td>Rosemount&#160;</td>
			<td>8800 vortex&#160;</td>
			<td style="width:804px;">This is located inside the recirculation loop of the flume</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sand</td>
			<td>US. Silica</td>
			<td>F30</td>
			<td style="width:804px;">Research-grade sand to form a layer 10-20 cm deep throughout the flume</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Dye</td>
			<td>Samples from food companies</td>
			<td></td>
			<td style="width:804px;">Water-soluble food grade dye made into an aqueous solution.&#160; Dark colors like red, blue and green work best. (Avoid food dyes in propylene glycol)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe</td>
			<td>HSW</td>
			<td>4100.000V0</td>
			<td style="width:804px;">5-10 mL, e.g. HSW Norm-Ject 2-part disposable syringe</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Pipetting Needle</td>
			<td>Cadence Science</td>
			<td>7942</td>
			<td>14-gage, 6-in blunt end,&#160; to inject the dye deep into the sand.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Digital Camera</td>
			<td>Any</td>
			<td></td>
			<td style="width:804px;">Digital camera with steady tripod (Time lapse cameras can be used to collect rapid evenly spaced data.)&#160; We used a Nikon D7000.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ruler</td>
			<td>Any</td>
			<td></td>
			<td style="width:804px;">Transparent is best.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Measuring Tape</td>
			<td>Any</td>
			<td></td>
			<td style="width:804px;"></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Netlogo Software</td>
			<td>CCL</td>
			<td></td>
			<td><a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/</a></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Mousedrop.nlogo</td>
			<td>Netlogo Commons</td>
			<td align="right">4259</td>
			<td><a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259</a></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Interface.nlogo</td>
			<td>Netlogo Commons</td>
			<td align="right">4258</td>
			<td><a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258</a></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

visualizing hyporheic flow through bedforms using dye experiments and simulation

Advective troca entre o espaço dos poros dos sedimentos e da coluna de água que cobre, chamado de troca hyporheic em ambientes fluviais, impulsiona transporte de soluto em rios e muitos processos biogeoquímicos importantes. Para melhorar a compreensão desses processos através de manifestação visual, criamos uma simulação de fluxo hyporheic no multi-agente plataforma de modelagem de computador NetLogo. A simulação mostra marcador virtual fluindo através de um leito coberto com bedforms bidimensionais. Sedimento, de fluxo, e bedform características são usadas como variáveis ​​de entrada para o modelo. Nós ilustramos como estas simulações combinar observações experimentais obtidos em experiências flume laboratório com base em parâmetros de entrada medidos. Corante é injetado nos sedimentos flume para visualizar o fluxo água intersticial. Para efeito de comparação partículas tracer virtuais são colocados nos mesmos locais na simulação. Esta simulação e laboratório de experimentação, casada tem sido usado com sucesso em cursos de graduação e gradualaboratórios te de visualizar diretamente as interações rio-água intersticial e mostrar como simulações de fluxo baseado em física pode reproduzir fenômenos ambientais. Os alunos tiraram fotos do leito através das paredes transparentes flume e comparou-os a formas do corante no mesmo horário na simulação. Isto resultou em tendências muito semelhantes, o que permitiu aos alunos a compreender melhor tanto os padrões de fluxo e do modelo matemático. As simulações também permitem ao usuário visualizar rapidamente o impacto de cada parâmetro de entrada, executando várias simulações. Este processo também pode ser usado em aplicações de pesquisa para ilustrar os processos básicos, referem fluxos interfacial e transporte água intersticial, e apoiar modelação baseada no processo quantitativo.

O uso de uma simulação em conjunto com experimentos permite que os alunos a observar as semelhanças e diferenças entre modelos matemáticos idealizadas e sistemas reais mais complexos. A Figura 4 mostra um exemplo comparando fotografias de injeção de corantes com simulações Mousedrop. A fotografia inicial é usado para determinar a colocação do traçador corante simulado no tempo zero, e, em seguida, a simulação é executado por 34,2 min e em comparação com uma fotografia tirada n...

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Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

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.

Visualizando Hyporheic Fluxo Através bedforms Usando Experimentos corante e Simulação

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

visualizing-hyporheic-flow-through-bedforms-using-dye-experiments

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Dimensional Analysis, Similitude, and Modeling

SCIENTISTS IN ACTION

12.1K visualizações.  St. Ambrose University. 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. 

Vídeo: Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Metamaterials (MM), artificial materials engineered to have properties that may not be found in nature, have been widely explored since the first theoretical1 and experimental demonstration2 of their unique properties. MMs can provide a highly controllable electromagnetic response, and to date have been demonstrated in every technologically relevant spectral range including the optical3, near IR4, mid IR5 , THz6 , mm-wave7 , microwave8 and radio9 bands. Applications include perfect lenses10, sensors11, telecommunications12, invisibility cloaks13 and filters14,15. We have recently developed single band16, dual band17 and broadband18 THz metamaterial absorber devices capable of greater than 80% absorption at the resonance peak. The concept of a MM absorber is especially important at THz frequencies where it is difficult to find strong frequency selective THz absorbers19. In our MM absorber the THz radiation is absorbed in a thickness of ~ &lambda;/20, overcoming the thickness limitation of traditional quarter wavelength absorbers. MM absorbers naturally lend themselves to THz detection applications, such as thermal sensors, and if integrated with suitable THz sources (e.g. QCLs), could lead to compact, highly sensitive, low cost, real time THz imaging systems.

This protocol outlines the simulation, fabrication and characterization of THz metamaterial absorbers. Such absorbers, when coupled with an appropriate sensor, have applications in THz imaging and spectroscopy.

Fabricação de simulação, e Caracterização de THz Absorvedores de metamateriais

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

Engenharia

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

Medição de materiais Microstructure Sob fluxo Usando 1-2 Plane Fluxo-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at a frequency above the acoustic range (20 kHz). As a solid-state technology, ultrasonic lubrication can be used where conventional lubricants are unfeasible or undesirable. Further, ultrasonic lubrication allows for electrical modulation of the effective friction coefficient between two sliding surfaces. This property enables adaptive systems that modify their frictional state and associated dynamic response as the operating conditions change. Surface wear can also be reduced through ultrasonic lubrication. We developed a protocol to investigate the dependence of friction force reduction and wear reduction on the linear sliding velocity between ultrasonically lubricated surfaces. A pin-on-disc tribometer was built which differs from commercial units in that a piezoelectric stack is used to vibrate the pin at 22 kHz normal to the rotating disc surface. Friction and wear metrics including effective friction force, volume loss, and surface roughness are measured without and with ultrasonic vibrations at a constant pressure of 1 to 4 MPa and three different sliding velocities: 20.3, 40.6, and 87 mm/sec. An optical profilometer is utilized to characterize the wear surfaces. The effective friction force is reduced by 62% at 20.3 mm/sec. Consistently with existing theories for ultrasonic lubrication, the percent reduction in friction force diminishes with increasing speed, down to 29% friction force reduction at 87 mm/sec. Wear reduction remains essentially constant (49%) at the three speeds considered.

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

Experimentos em Ultrasonic Lubrificação Usando um tribômetro piezoelectricamente-assistida e Profilometer Optical

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Knowledge Based Cloud FE Simulation of Sheet Metal Forming Processes

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the efficiency and lowering the development time of such processes, whilst reducing costs involved in trial-and-error prototyping. Recent focus on the substitution of steel components with aluminum alloy alternatives in the automotive and aerospace sectors has increased the need to simulate the forming behavior of such alloys for ever more complex component geometries. However these alloys, and in particular their high strength variants, exhibit limited formability at room temperature, and high temperature manufacturing technologies have been developed to form them. Consequently, advanced constitutive models are required to reflect the associated temperature and strain rate effects. Simulating such behavior is computationally very expensive using conventional FE simulation techniques.
This paper presents a novel Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE) simulation technique that combines advanced material and friction models with conventional FE simulations in an efficient manner thus enhancing the capability of commercial simulation software packages. The application of these methods is demonstrated through two example case studies, namely: the prediction of a material's forming limit under hot stamping conditions, and the tool life prediction under multi-cycle loading conditions.

The following paper presents a novel FE simulation technique (KBC-FE), which reduces computational cost by performing simulations on a cloud computing environment, through the application of individual modules. Moreover, it establishes a seamless collaborative network between world leading scientists, enabling the integration of cutting edge knowledge modules into FE simulations.

Conhecimento Baseado Simulação Nuvem FE dos Processos de formação de folha de metal

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent this outflow, a control device is required. A siphon breaker is a type of safety device that can be utilized to control the loss of coolant water effectively.
To analyze the characteristics of siphon breaking, a real-scale experiment was conducted. From the results of the experiment, it was found that there are several design factors that affect the siphon breaking phenomenon. Therefore, there is a need to develop a theoretical model capable of predicting and analyzing the siphon breaking phenomenon under various design conditions. Using the experimental data, it was possible to formulate a theoretical model that accurately predicts the progress and the result of the siphon breaking phenomenon. The established theoretical model is based on fluid mechanics and incorporates the Chisholm model to analyze two-phase flow. From Bernoulli&#39;s equation, the velocity, quantity, undershooting height, water level, pressure, friction coefficient, and factors related to the two-phase flow could be obtained or calculated. Moreover, to utilize the model established in this study, a siphon breaker analysis and design program was developed. The simulation program operates on the theoretical model basis and returns the result as a graph. The user can confirm the possibility of the siphon breaking by checking the shape of the graph. Furthermore, saving the entire simulation result is possible and it can be used as a resource for analyzing the real siphon breaking system.
In conclusion, the user can confirm the status of the siphon breaking and design the siphon breaker system using the program developed in this study.

The siphon breaking phenomenon was investigated experimentally and a theoretical model was proposed. A simulation program based on the theoretical model was developed and the results of the simulation program were compared with experimental results. It was concluded that the results of the simulation program matched the experimental results well.

Estudo do experimento de quebra de sifão e simulação para um Reactor de investigação

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

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.

Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas

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

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate plasma to high speed; they have considerable potential for future space applications with the significant advantages of high specific impulse and thrust density. In this paper, we present a series of protocols for designing and manufacturing a 100 kW class of AF-MPD thruster with water-cooling structures, a 130 V maximum discharge voltage, a 800 A maximum discharge current, and a 0.25 T maximum strength of magnetic field. A hollow tantalum tungsten cathode acts as the only propellant inlet to inhibit the radial discharge, and it is positioned axially at the rear of the anode in order to relieve anode starvation. A cylindrical divergent copper anode is employed to decrease anode power deposition, where the length has been reduced to decrease the wall-plasma connecting area. Experiments utilized a vacuum system that can achieve a working vacuum of 0.01 Pa for a total propellant mass flow rate lower than 40 mg/s and a target thrust stand. The thruster tests were carried out to measure the effects of the working parameters such as propellant flow rates, the discharge current, and the strength of applied magnetic field on the performance and to allow appropriate analysis. The thruster could be operated continuously for significant periods of time with little erosion on the hollow cathode surface. The maximum power of the thruster is 100 kW, and the performance of this water-cooled configuration is comparable with that of thrusters reported in the literature.

The goal of this protocol is to introduce the design of a 100 kW class applied-field magnetoplasmadynamic thruster and relevant experimental methods.

Um propulsor Magnetoplasmadynamic aplicada-campo de 100 KW classe

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...

Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope

The quest to understand correlated electronic systems has pushed the frontiers of experimental measurements toward the development of new experimental techniques and methodologies. Here we use a novel home-built uniaxial-strain device integrated into our variable temperature scanning tunneling microscope that enables us to controllably manipulate in-plane uniaxial strain in samples and probe their electronic response at the atomic scale. Using scanning tunneling microscopy (STM) with spin-polarization techniques, we visualize antiferromagnetic (AFM) domains and their atomic structure in Fe1+yTe samples, the parent compound of iron-based superconductors, and demonstrate how these domains respond to applied uniaxial strain. We observe the bidirectional AFM domains in the unstrained sample, with an average domain size of ~50-150 nm, to transition into a single unidirectional domain under applied uniaxial strain. The findings presented here open a new direction to utilize a valuable tuning parameter in STM, as well as other spectroscopic techniques, both for tuning the electronic properties as for inducing symmetry breaking in quantum material systems.

Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope

Using uniaxial strain combined with spin-polarized scanning tunneling microscopy, we visualize and manipulate the antiferromagnetic domain structure of Fe1+yTe, the parent compound of iron-based superconductors.

Visualizando Uniaxial-tensão manipulação dos domínios antiferromagnéticas em Fe1 +YTe usando uma varredura de Spin-polarizado microscópio de tunelamento

The quest to understand correlated electronic systems has pushed the frontiers of experimental measurements toward the development of new experimental ...

Evaluation of an Exclusive Spur Dike U-Turn Design with Radar-Collected Data and Simulation

Traditional U-turn designs can improve operational features obviously, while U-turn diversions and merge segments still cause traffic congestion, conflicts, and delays. An exclusive spur dike U-turn lane design (ESUL) is proposed here to solve the disadvantages of traditional U-turn designs. To evaluate the operation performance of ESUL, a traffic simulation protocol is needed. The whole simulation process includes five steps: data collection, data analysis, simulation model build, simulation calibration, and sensitive analysis. Data collection and simulation model build are two critical steps and are described later in greater detail. Three indexes (travel time, delay, and number of stops) are commonly used in the evaluation, and other parameters can be measured from the simulation according to experimental needs. The results show that the ESUL significantly diminishes the disadvantages of traditional U-turn designs. The simulation can be applied to solve microscopic traffic problems, such as in single or several adjacent intersections or short segments. This method is not suitable for larger scale road networks or evaluations without data collection.

This protocol describes the process of solving a microscopic traffic problem with simulation. The whole process contains a detailed description of data collection, data analysis, simulation model build, simulation calibration, and sensitive analysis. Modifications and troubleshooting of the method are also discussed.

Avaliação de um design exclusivo de Giro de Dpur dike com dados coletados por radar e simulação

Traditional U-turn designs can improve operational features obviously, while U-turn diversions and merge segments still cause traffic congestion, ...

Automated Delivery of Microfabricated Targets for Intense Laser Irradiation Experiments

Described is an experimental procedure that enables high-power laser irradiation of microfabricated targets. Targets are brought to the laser focus by a closed feedback loop that operates between the target manipulator and a ranging sensor. The target fabrication process is explained in detail. Representative results of MeV-level proton beams generated by irradiation of 600 nm thick gold foils at a rate of 0.2 Hz are given. The method is compared with other replenishable target systems and the prospects of increasing the shot rates to above 10 Hz are discussed.

A protocol is presented for automated irradiation of thin gold foils with high intensity laser pulses. The protocol includes a step-by-step description of the micromachining target fabrication process and a detailed guide for how targets are brought to the laser&#39;s focus at a rate of 0.2 Hz.

Entrega automatizada de alvos microfabricados para experimentos intensos de irradiação a laser

Described is an experimental procedure that enables high-power laser irradiation of microfabricated targets. Targets are brought to the laser focus by a ...