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

Bu çalışma, Başlangıç ​​Eğitim Ağı&#39;nı (ITN) finanse eden Avrupa Birliği 7. Çerçeve Programı, Araştırma Görevlilerinin Eğitimi ve Kariyer Geliştirme Desteği (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN) aracılığıyla Araştırma Yürütme Ajansı tarafından desteklendi. HYTECH &quot;Ekolojik Kritik Heterojen Ara Yüzlerde Hidrodinamik Taşımacılık&quot; (sayı 316546). Milano Politecnico&#39;nun Polo Territoriale di Lecco tarafından da desteklendi. Deneyler, SS tarafından ziyaret edilen bir bilim adamı olarak Politecnico di Milano&#39;ya gerçekleştirildi. Yazarlar, Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini&#39;ye (Politecnico di Milano&#39;daki B.Sc. öğrencileri) ve Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi&#39;ye (HYTECH projesinin arkadaşı ve Politecnico di Milano&#39;daki doktora öğrencisine) destek verdikleri için teşekkür etti. Deneysel etkinlik ve veri analizi. Yazarlar, Prof. Dr. Roger Nokes&#39;a (Canterbury Üniversitesi, Christchurch, Yeni Zelanda) teşekkür ederek teşekkür etti.Yazılım ve sürekli danışmanlık sunar. Son olarak, yazarlar, JoVE yönetici editörüne ve yazarın önemli ölçüde iyileştirilebileceği düşünülen yorumları ve önerileri için üç anonim gözden geçirenine teşekkür ederler.

<ol>
	<li>Francis, J. R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+motion+of+solitary+grains+along+the+bed+of+a+water-stream.">Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream.</a> Proc Royal Soc London, A. 332, 443-471 (1973).</li><li>Drake, T. G., Shreve, R. L., Dietrich, W. E., Whiting, P. J., Leopold, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+of+fine+gravel+observed+by+motion-picture+photography.">Bedload transport of fine gravel observed by motion-picture photography.</a> J Fluid Mech. 192, 193-217 (1988).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+motion+and+diffusion+at+weak+bed+load:+accounting+for+unsteadiness+effects+of+entrainment+and+disentrainment.">Particle motion and diffusion at weak bed load: accounting for unsteadiness effects of entrainment and disentrainment.</a> J Hydraul Res. 53 (5), 633-648 (2015).</li><li>Fathel, S. L., Furbish, D. J., Schmeeckle, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+evidence+of+statistical+ensemble+behavior+in+bed+load+sediment+transport.">Experimental evidence of statistical ensemble behavior in bed load sediment transport.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 120 (11), 2298-2317 (2015).</li><li>Lajeunesse, E., Malverti, L., Charru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bedload+transport+in+turbulent+flow+at+the+grain+scale:+experiments+and+modeling.">Bedload transport in turbulent flow at the grain scale: experiments and modeling.</a> J Geophys Res: Earth Surf. 115, F04001 (2010).</li><li>Tsakiris, A. G., Papanicolaou, A. N., Lauth, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signature+of+bedload+particle+transport+mode+in+the+acoustic+signal+of+a+geophone.">Signature of bedload particle transport mode in the acoustic signal of a geophone.</a> J Hydraul Res. 52 (2), 185-204 (2014).</li><li>Mendes, L., Antico, F., Sanches, P., Alegria, F., Aleixo, R., Ferreira, R. M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+particle+counting+system+for+calculation+of+bedload+fluxes.">A particle counting system for calculation of bedload fluxes.</a> Meas Sci Technol. 27 (12), 125305 (2016).</li><li>Heays, K. G., Friedrich, H., Melville, B. W., Nokes, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+the+dynamic+evolution+of+graded+gravel+beds+using+Particle+Tracking+Velocimetry.">Quantifying the dynamic evolution of graded gravel beds using Particle Tracking Velocimetry.</a> J Hydraul Eng. 140 (7), 04014027 (2014).</li><li>Radice, A., Malavasi, S., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid+transport+measurements+through+image+processing.">Solid transport measurements through image processing.</a> Exp Fluids. 41 (5), 721-734 (2006).</li><li>Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-average+characteristics+of+sediment+motion+in+one-dimensional+bed+load.">Double-average characteristics of sediment motion in one-dimensional bed load.</a> Acta Geophys. 56 (3), 654-668 (2008).</li><li>Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+the+Lorenz+curve+to+quantify+statistical+nonuniformity+of+sediment+transport+rate.">Use of the Lorenz curve to quantify statistical nonuniformity of sediment transport rate.</a> J Hydraul Eng. 135 (4), 320-326 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+statistical+properties+of+bed+load+sediment+concentration.">On statistical properties of bed load sediment concentration.</a> Water Resou. Res. 45 (6), W06501 (2009).</li><li>Radice, A., Ballio, F., Nikora, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistics+and+characteristic+scales+for+bed+load+in+a+channel+flow+with+sidewall+effects.">Statistics and characteristic scales for bed load in a channel flow with sidewall effects.</a> Acta Geophys. 58 (6), 1072-1093 (2010).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scale-based+statistical+analysis+of+sediment+fluxes.">Scale-based statistical analysis of sediment fluxes.</a> Acta Geophys. 60 (6), 1744-1777 (2012).</li><li>Radice, A., Nikora, V., Campagnol, J., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+interactions+between+turbulence+and+bed+load:+Conceptual+picture+and+experimental+evidence.">Active interactions between turbulence and bed load: Conceptual picture and experimental evidence.</a> Water Resour Res. 49 (1), 90-99 (2013).</li><li>Campagnol, J., Radice, A., Nokes, R., Bulankina, V., Lescova, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lagrangian+analysis+of+bed-load+sediment+motion:+database+contribution.">Lagrangian analysis of bed-load sediment motion: database contribution.</a> J Hydraul Res. 51 (5), 589-596 (2013).</li><li>Ballio, F., Radice, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluctuations+and+time+scales+for+bed-load+sediment+motion+over+a+smooth+bed.">Fluctuations and time scales for bed-load sediment motion over a smooth bed.</a> Int J Sediment Res. 30 (4), 321-327 (2015).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F., Rowi&#324;ski, P. M., Marion, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+analysis+of+entrainment+and+deposition+rate+fluctuations+in+weak+bed+load+transport.">An analysis of entrainment and deposition rate fluctuations in weak bed load transport.</a> Hydrodynamic and mass transport at freshwater aquatic interfaces. , 333-342 (2016).</li><li>Papanicolaou, A. N., Diplas, P., Balakrishnan, M., Dancey, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+vision+technique+for+tracking+bed+load+movement.">Computer vision technique for tracking bed load movement.</a> J Comput Civil Eng. 13 (2), 71-79 (1999).</li><li>Ramesh, B., Kothyari, U. C., Murugesan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-bed+particle+motion+over+transitionally-rough+bed.">Near-bed particle motion over transitionally-rough bed.</a> J Hydraul Res. 49 (6), 757-765 (2011).</li><li>Amir, M., Nikora, V., Witz, 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+novel+experimental+technique+and+its+application+to+study+the+effects+of+particle+density+and+flow+submergence+on+bed+particle+saltation.">A novel experimental technique and its application to study the effects of particle density and flow submergence on bed particle saltation.</a> J Hydraul Res. 55 (1), 101-113 (2017).</li><li>Ettema, R., Garc&#236;a, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice+effects+on+sediment+transport+in+rivers.">Ice effects on sediment transport in rivers.</a> Sedimentation Engineering. , 613-648 (2008).</li><li>Knack, I., Shen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sediment+transport+in+ice-covered+channels.">Sediment transport in ice-covered channels.</a> Int J Sediment Res. 30 (1), 63-67 (2015).</li><li>Goring, D. G., Nikora, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Despiking+acoustic+Doppler+velocimeter+data.">Despiking acoustic Doppler velocimeter data.</a> J Hydraul Eng. 128 (1), 117-126 (2002).</li><li>Nowak, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+shear+stress+measurement+in+a+turbulent+pipe+flow+using+ultrasound+Doppler+velocimetry.">Wall shear stress measurement in a turbulent pipe flow using ultrasound Doppler velocimetry.</a> Exp Fluids. 33 (2), 249-255 (2002).</li><li>McCuen, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microcomputer applications in statistical hydrology. , (1993).</li><li>Lloyd, P. M., Ball, D. J., Stansby, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unsteady+surface-velocity+field+measurement+using+particle+tracking+velocimetry.">Unsteady surface-velocity field measurement using particle tracking velocimetry.</a> J. Hydraul. Res. 33 (4), 519-534 (1995).</li><li>Radice, A., Aleixo, R., Hosseini-Sadabadi, S. A., Sarkar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+image+grabbing+and+processing+for+measurement+of+geophysical+flows.">On image grabbing and processing for measurement of geophysical flows.</a> Proc. HydroSenSoft 2017, International Symposium and Exhibition on Hydro-Environment Sensors and Software. , (2017).</li><li>Hosseini-Sadabadi, S. A., Radice, A., Ballio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Post-processing+of+particle+tracking+data+for+phenomenological+depiction+of+weak+bed-load+sediment+transport.">Post-processing of particle tracking data for phenomenological depiction of weak bed-load sediment transport.</a> Proc. River Flow 2016. VIII Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, St. , 780-786 (2016).</li></ol>

Yazarlar, rekabet eden mali çıkarlarının olmadığını beyan ettiler.

Parçacık görüntüleme ile bir yatak yükü taşıma deneyinin tasarlanması, deneysel konfigürasyon ve donanım araçlarının seçimi, akış ölçümü, parçacık tohum ekleme ve görselleştirme ve görüntü analizi de dahil olmak üzere birkaç adım içerir. Her adımda varyasyonların avantajları ve dezavantajları vardır. Bu yazıda sunulan protokolün temel özellikleri şunlardır: (i) basınçlı bir akış ve sabit pürüzlü bir yatak kullanarak, (ii) sabit yatak rengine karşıt renk gösteren düşük sayıda yatak yükü parçacıklarının tohumlanması, (iii) (Iv) birbirine birleştirilecek bağımsız iz kümeleri elde etmek için birden çok kamera kullanmak. Deneysel yöntem ve veri işleme, yatak yükü parçacıklarının son ölçüm için güvenilir bir şekilde izlenmesini sağlar. Kapalı akış hareketli parçacıkların optimum bir görüntüsünü garanti eder. Bununla birlikte, sabit yatak, bazı işlemlerin gözlenmesini engeller ( örneğin vertika ile bağlantılı olanları<html> L yatağın aktif katı içindeki tortu parçacıklarının yer değiştirmeleri) ve böylece tekniğin zayıf yatak yüklerine uygulanabilirliğini sınırlar. Sadece 100 s&#39;lik film kullanılarak elde edilen veri örneklerinin boyutu nispeten azdı. Bununla birlikte, görüntü toplama ve işleme deney süresini uzatmak suretiyle numune boyutu kolayca arttırılabilir. Sınırlı sayıda parçacık vermek, esas olarak daha yüksek bir oranda beslenmekten daha uzun bir deney süresi gerektirir; Fakat hareket halindeki parçacıkların küçük konsantrasyonu ve farklı renklerin kullanılması nedeniyle, her ikisi de izleme hatalarının olasılığını azalttığı için nispeten açık bir parçacık izleme nedeniyle çabaya değer. Deneyde doğal ışığın kullanılması aydınlatma cihazlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır; Bununla birlikte, iyi bir aydınlatmanın hava koşullarına bağlı olduğu yönündeki dezavantaj da var. Parçacık hop uzunluğunun ve süresinin CFD&#39;leriG &quot;&gt; Şekil 4 en düşük değerleri en sık olanları göstermektedir.Hop uzunluğu ve süresinin ölçülen en büyük değerleri sırasıyla 600 mm ve 7 s civarındadır Bu literatürdeki benzer değerlere kıyasla 4 , 16 , 30 , Çünkü uzun parçaların ölçümü uzun parçacık şerbet alma riski taşıyor.İki kamera kullanmanın yararı, tek bir kameranın yaklaşık 850 mm&#39;lik bir odak alanı uzunluğuna sahip olduğu göz önüne alındığında belirgindir; bu, ölçülecek hop uzunluğu değerlerinden çok daha büyük olmayacaktır. Bunun yerine, iki kamera kullanan ölçüm protokolü, sürecin uzunluk ölçekleri ile ölçüm alanının uzunluk ölçekleri arasında tatmin edici bir ayrım sağladı ve böylece deneysel kısıtlamalardan ötürü fenomenolojik sonuçları hafifletme riski azaltıldı. Kanal boyunca yerleştirilen kameraların sayısını artırmak. Burada açıklanan protokole kıyasla alternatif bir prosedür, partikül tanımlama ve izleme öncesinde çakışan görüntüler oluşturmaktır. Görüntü birleştirme yöntemi, veri dosyalarının boyutunu iki katına çıkardığı için uygun olmayan bir bellek tüketimi gerektirdiğinden protokolümüz (izleme işlemini iki kez gerçekleştirdikten ve parçacık parçalarını birbirine bağlarken) tercih edildi. Burada açıklanan işleme algoritmaları ile çakışan alanın uzunluğundan daha kısa olan birkaç parçacık izi sediment parçalarının tam olarak yeniden yapılandırılmasını engellediği için atılmıştır. Bununla birlikte, eşik uzunluğu 120 mm, elde edilebilen pist uzunluklarından daha kısa bir büyüklüktedir ve bu nedenle bu verilerin kaybı kabul edilebilir olmuştur. Üstelik, Şekil l&#39; deki alttaki 8 olayda görülen parça birleşimi, elde edilecek parça uzunluğunda belirgin bir artış sağlamayacaktır. Öte yandan, bu durumlar yardımcı olabilirŞekil 5&#39;deki durum gibi uzun parçaların alınmasında, kesintilerden kaynaklanıyor olabilir. Benzer bir durumda, iteratif birleştirme işlemleri ile uzun bir parkur yeniden oluşturulabilir. Bununla birlikte, Şekil 5&#39;deki gibi iz kesintilerinin katılım sürecinden ziyade izleme işlemi ile açıkça ilişkili olduğunu akılda tutmak önemlidir. Bu el yazması, benimsenen protokolün yeteneklerini göstermek için tek bir deney için kavramsal kanıt-sonuçlarını sundu. Gelecekteki deneylerde protokol, yatak yükü tortusu nakil sürecinin ayrıntılı bir analizini yapmak için bir dizi farklı hidro-dinamik koşula uygulanacaktır. <img alt="Şekil 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Şekil 5: Kesintilerin bulunduğu yerde Parça Birleşiminin Bir Durumu. </Strong&gt; Burada açıklanan protokolle bu parçaların tek bir parçaya birleştirilmesi mümkün değildir. Şekil 1&#39;in başlığında ve Protokolün 8.4. Adımında belirtildiği gibi, çakışan bölgenin uzunluğundan daha kısa parçalar ekarte edilmiştir. Bu, kısa kırmızı ve yeşil izleri ortadan kaldırır; Bu nedenle, kalan uzun olanlar ortak bir noktaya sahip olmadığı için katılamazlar. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.</a>

Öncülük çalışmaları birkaç yıl önce ortaya çıktı 1 , 2 , nehir tortusu nakliye çalışması için görüntü analizi kullanımı sürekli olarak artmaktadır. Bu teknik gerçekten fiziksel fenomen 3 , 4 , 5&#39;in ayrıntılı analizleri için nispeten yüksek çözünürlüklü ve düşük maliyetli veri sunma kabiliyetini kanıtladı. Zamanla donanım ve yazılım araçları için önemli gelişmeler sağlandı. Tortu taşımacılığının ölçümü, tortul akı ölçümünü hedefleyen bir Eulerian yaklaşımı ya da hareket ederken münferit tahılların yörüngelerini ölçmeyi amaçlayan bir Lagrangian yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilebilir. Görüntü işleme, diğer Euleri metodları 6 , 7 ile karşılaştırıldığında parçacık takibi için benzersiz olanaklar sunar. Ancak, desBu potansiyelleri küçümsemekle birlikte, görüntü analizinin yatak yükü tortusu nakline uygulanması, veri örneklerinin ölçümü ve boyutu için uzamsal / zamansal destek ölçekleri bakımından bazı kritik deneysel kısıtlamalardan etkilenmektedir. Örneğin, verilerin kalitesinden ve miktarından ödün vermeksizin aynı anda büyük bir uzaysal alanın, uzun bir deney süresinin ve yüksek ölçüm frekansı 3 , 4 , 8&#39;in uygun kombinasyonunu elde etmek zordur. Buna ek olarak parçacık takibi, analiz için kullanılan yazılım tarafından yapılan hataları izleme imkânı ile büyük bir insan çabası gerektiren 2 , 4 manuel olarak veya otomatik olarak 3 , 8 gerçekleştirilebilir. Bu yazıda, yatak yüklü sediment tr&#39;nin deneysel incelenmesi için bir protokol sunulmuştur.Ansport, kullanılan kamera türüne göre uzun sürenin sağlandığı yerlerde, farklı mekanlarda iki kameranın eşzamanlı kullanılmasıyla geniş görüş alanı sağlandı ve geçici otomatik deneme koşulları ile güvenilir otomatik işlem yapıldı. Deneysel işlem tasarlanmış ve işlem araçları, görüntü yöntemleri 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16&#39;ya göre sediment taşınımının detaylı incelenmesi ile uğraşan çeşitli araştırmalarda yazarların edindikleri tecrübelere dayanarak seçilmiştir , 17 , 18 . Partikülün serbest bırakılmasıyla gerçekleştirilen bir tortu nakil deneyi tarif edilmiştirEs sabit, kaba bir yatak üzerinde. Parçacık besleme, hareketli tanelerin düşük bir konsantrasyonunu korumak için akışın taşıma kapasitesinden çok daha azdı, böylece parçacıkların izlenecek tıkanıklığını önledi. Ayrıca, taşınan parçacıklar sürekli hareket etmiyordu, ancak aralıklı hareket gözlendi. Hareketli yerine sabit bir yatak kullanılması doğal koşullara benzerlik kaybını temsil eder. Bununla birlikte, sabit yatak, tortu taşımacılığı deneylerinde 19 , 20 ve 21 sıklıkla , çeşitli işlem yöntemleri ile karmaşık senaryolardan daha basit ve açıklayıcı varsayım altında kullanılmıştır. Sabit bir yatak kullanılması tabii ki tortu ölüme ve yeniden oluşum süreçlerine engel olur. Öte yandan, zayıf bir yatak yükü varlığında, sediment taşınması gevşek bir yatağın yüzeysel bir tabakasında gerçekleşir ve bu durumda,Sabit bir yatak kullanılması yeterli olabilir. Aslında, iki şartlara çalıştırmak deneylerde parçacık hareketi özellikleri arasında belirli karşılaştırmalar belirgin farklar 3, 14 mevcut değildi. Son olarak, burada sunulan deney, şeffaf bir kapaktan parçacık görüntüleme için en uygun koşulun sağlanması için basınçlı bir akışla gerçekleştirildi. Basınçlı bir akışı ile tortu taşıma deneysel yakın yataklı sınır tabakası ve tortu arasındaki etkileşim açık kanal akışı 22, 23 &#39;dekine benzer olduğunu gösteren, araştırma prototip buzla kaplı nehirlerde çalışılmıştır. Aşağıdaki bölümlerde, tüm yöntemler özetlenmekte ve bazı temsili sonuçlar verilmektedir.

<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

Görüntü analizi, nispeten düşük bir maliyetle detaylı niceliksel tasvirler sunabilme yeteneklerinden ötürü nehir akışlarının ölçümü için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu el yazması, hafif tortu ile bir yatak yükü deneyi için parçacık izleme hız ölçümünün (PTV) bir uygulamasını tanımlamaktadır. İncelenen sediman taşıma koşullarının başlıca özellikleri, üstü kapalı bir akışın ve sabit bir pürüzlü yatağın bulunmasıydı; bu parçacıkların üstünde, kanal girişinde sınırlı sayıdaki parçacıklar salındı. Uygulanan akış koşulları altında, bireysel yatak yükü parçacıklarının hareketi, aralıklı hareket ve durgunluk terimleri ile kesintili olmuştur. Akış paterni, akış yönündeki hızın düşey profillerinin akustik ölçümleri ile önceden belirlenmiştir. İşlem görselleştirmesi sırasında, kanal boyunca farklı konumlara yerleştirilen iki eylem kamerası kullanılarak geniş bir görüş alanı elde edildi. Deneysel protokol chan olarak tanımlanmıştırNel kalibrasyonu, deney gerçekleştirme, görüntü ön işleme, otomatik parçacık izleme ve parçacık izi verilerinin iki kameradan post-processing. Sunulan konsept kanıtı sonuçları, parçacık atlama uzunluğunun ve süresinin olasılık dağılımlarını içerir. Bu çalışmanın başarıları, protokolün geçerliliğini göstermek için mevcut literatür ile karşılaştırılmıştır.

Bu bölümde sunulan sonuçlar, çukur eğiminin sıfıra ayarlandığı bir deney içindir (eğim değerleri% ± 0.05 doğrulukla hesaplanmıştır). Kullanılan tortu, d = 3 mm boyutunda ve yoğunluk ρ p = 1,270 kg / m 3 olan, yarı küresel olan PBT parçacıklarından yapılmıştır. Deney, bir akış hızı Q = 9.7 x 10 -3 m 3 / s ile gerçekleştirildi, sonuçta bir hacim hızı U = 0.31 m / s elde edildi. UVP ile hız ölçümleri için 81 ° eğimde 2 MHz prob kullanıldı. Hız verileri 250 Hz için 20 Hz&#39;de elde edildi. Temsili bir hız profili Şekil 2&#39;de gösterilmektedir. Kanal ekseninde ve akışın tamamen geliştiği kanal girişinden 4,5 m&#39;de alındı. Geçersiz yükseklik ölçümleri ile ilgili bazı değerler kaldırılmıştır. AsimmetriC profili, plastik kapak ve tortu yatağının farklı pürüzlülüğünden kaynaklanmıştır. Çizimler, kesme hızının tahmini için kullanılan profilin bölümünü de gösterir ve u s = 25.9 ± 1.3 mm / s elde edilir. Bu nedenle, parçacık Reynolds sayısı ( Re p = u s × d / ν , ν suyun kinematik viskozitesi olarak) 78&#39;e eşittir, bu da ara geçiş rejimine işaret eder. Çökeltinin taşınmasının görselleştirilmesi, ağız girişinden 3,5 m ve 4,3 m mesafeye yerleştirilen iki kamera ile gerçekleştirildi. Kameralar, 30 fps frekansında ve 1,920 x 1,080 piksel çözünürlükte çalışıyordu. Görüntü bozulmasını düzeltme faktörü k = 0.6 idi. Bozulmanın giderilmesinden sonra görüntü kalibrasyonu 1 piksel = 0.5 mm idi. Çakışmanın uzunluğu 760.15 ila 880.11 mm arasındaydı (ikincisi, köknarın odak alanının uzunluğuydu)St kamera). Parçacık tanımlaması için eşik yoğunluğu 80&#39;e ayarlandı ve beklenen blob boyutu 0.5 ila 8 mm arasında değişti. Parçacık izleme için arama penceresi şu şekildeydi: 1 mm yukarıya ve 7 mm aşağıya, 4 mm yanal olarak. Kesilen parçaların yeniden bağlanması için arama penceresi aşağıdaki gibidir: 1 mm akış yukarı ve 31 mm aşağı, 16 mm yanal olarak 4 takip çerçevesi boyunca. Birleştirilecek iki yol arasındaki x ve y değerlerinin ortalama karesel farkının karekök değeri eşik değeri 10 mm&#39;ye ayarlandı. Her kameradan 3.000 resimden oluşan bir alt kümeyle ölçülen parçacık izleri (100 saniyeye karşılık gelir) Şekil 3&#39;te gösterilmektedir. Veritabanı sırasıyla upstream ve downstream kameralardan 37 ve 34 parçayı kavradı. İki kamera tarafından elde edilen izlerin üst üste bindirilmesi ilk önce önerilir ve sonuç olarak elde edilen tam setRaflar görüntülenir. Ölçüm alanının orta bölümündeki çakışmanın tatmin edici olduğu açıktır. 59 parçanın sonunda 12 bağlantı elde edildi. En uzun parça, benzer analizlerin yapıldığı diğer literatür çalışmalarına kıyasla çok büyük yaklaşık 1.6 m (530 parçacık boyutundan, 15.2 akış derinliğinden veya 5.3 kanal genişliğinden) toplam uzunluğa sahip gözlem penceresinin tamamına yayılmıştır. 3 , 4 , 5 , 8 . Bir Lagrangian çerçevesi alarak, parçacık kinematiklerinin anahtar göstergeleri burada parçacık şerbetçiotu özellikleri bakımından uygulanmaktadır. Bu deneydeki gibi bir aralıklı yatak yükü taşımacılığı altında, bu şerbetçikler dinlenme süreleri ile ayrılmış hareketlerdir. Tek bir parçacık için şerbetçiotu tam bir yol içinde saptamak için, parçacık hareketi ve durağanlığın tanımlanmasıGerekli bir ön adım. Bu çalışmada, bir parçacığın belirli bir andaki anındaki x parçasının tüm önceki parçalardan daha büyük olması ve aşağıdaki tüm parçalardan daha düşük olması durumunda bir parçacığın hareket halinde olduğunu düşünen bir kriter 30 uyguladık. 59 adet ölçülen parçacık izinden toplam 98 atlama teli alındı. Şekil 4 , elde edilen kümülatif frekans dağılımını (CFD) hop uzunluğu ve süresi için tasvir etmektedir. <img alt="şekil 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Şekil 2: Ölçülen Hız Profilleri. (Üstte) Akış yönündeki hız bileşeninin zaman ortalamalı dikey profili. (Alt) Bir logaritmik denklemin profilin alt kısmına uymasıyla kesilme hızının kestirimi. Birinci planda, kanalın üstünden başlayıp aşağıya doğru yönlendirilmiş dikey bir eksen gösterilir.<html> Ölçüm sonucunu UVP ile tekrarlayın. Eşitlik uydurma ile kayma hızını hesaplamak için gerektiği gibi ikinci kanalda kanalın altından gelen ve yukarı doğru yönlendirilmiş bir eksen kullanılır. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Şekil 3: Ölçülen Parçacık Parçalarının Plan Görüntüsü. (Üstte) İki kameradan alınan parçalar (kırmızı ve siyahın altındaki kamera). (Alt) Birleştirilen parçaların örneği (netlik için renk değiştirme ve daha kalın bir çizgi ile vurgulanan bazı parçalar). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.</a> 4 &quot;sınıf =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / dosyalar / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Şekil 4: Hop Uzunluğunun (Üstte) ve Sürenin (Altında) Kümülatif Frekans Dağılımı (CFD). Şekil 3&#39;teki her pozisyondaki parçacık, parçacıkların o anda hareket halindeyken veya istirahat halindeyken temsil etmek için her an zamanda etiketlendi. Partikül şerbetçiotu parçacıkların sürüklenmesiyle (hareketsizlikten harekete geçiş) ve ayrışma (hareketten durgunluğa geçiş) arasında porsiyonlardan parçalar çıkarıldı. Hop uzunlukları ve süreleri için elde edilen örnekler burada gösterilen dağılımları oluşturmak için kullanılmıştır. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.</a> Ek Kod Dosyaları: join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Lütfen</a>Bu dosyayı indirmek için buraya tıklayın.

Watch this Scientific Journal Video about Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments at JoVE.com

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

El yazması, hareketli parçacıkların görüntü analizi ile izlendiği yatay yüklü tortu nakil deneylerinin iletimi için bir protokol sunmaktadır. Deney tesisi, çalıştırma gerçekleştirme ve veri işleme prosedürleri ve nihayet bazı kavramsal kanıt-proof sonuçları burada sunulmuştur.

Yatak Yüklü Deneylerde Görüntü Tabanlı Lagrangian Parçacık İzleme

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

image-based-lagrangian-particle-tracking-in-bed-load-experiments

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Environment

Unit 1

Leveling

SCIENTISTS IN ACTION

8.9K Görüntüleme.  Politecnico di Milano.  El yazması, hareketli parçacıkların görüntü analizi ile izlendiği yatay yüklü tortu nakil deneylerinin iletimi için bir protokol sunmaktadır. Deney tesisi, çalıştırma gerçekleştirme ve veri işleme prosedürleri ve nihayet bazı kavramsal kanıt-proof sonuçları burada sunulmuştur. 

Video: Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

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.

Kuşatılmış Quiescent ve akan Koloidno polimer Karışımlarının Eşodaklı Görüntüleme

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

Kimya

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.

Boya Deneyler ve Simülasyonu kullanarak yatak oluşumları sayesinde Hyporheic Akışı görselleştirme

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

Mühendislik

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.

Türbülans Uygulamaları için üç boyutlu Parçacık Takip Akımları: Jet Akış Örneği

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.

Görsel olarak bağlı normal yüzeylerde yeni başlayan parçacık çekimde karakterizasyonu: çalkantılı koşullarına Laminer üzerinden

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.

Biyofilm ve Habitat Heterojen Eş-geliştirme karakterize Yöntemleri

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

Biyomühendislik

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.

Üretimi ve Electrohydrodynamic kontrolünü akar sulu elektrolit çözümlerinde

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.

Eş zamanlı ölçüm türbülans ve akış görüntüleme teknikleri kullanarak parçacık kinematik

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.

Parçacık izleme Microrheology tarafından Biyofilmler Mekanik Özelliklerinin Yerinde Haritalama

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.

Sıcaklık Kullanarak Mikrotübül Bazlı 3D Aktif Sıvıların Akış Hızlarını Kontrol Etme

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.

Gerçek zamanlı 3D tek parçacık izleme için bir iletişim kuralı

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