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

Ce travail a été soutenu par l&#39;Agence exécutive de recherche, par le biais du 7ème programme-cadre de l&#39;Union européenne, du soutien à la formation et au perfectionnement professionnel des chercheurs (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN), qui a financé le réseau de formation initiale (ITN) HYTECH «Transport hydrodynamique dans des interfaces hétérogènes écologiquement critiques» (numéro 316546). Il a également été soutenu par le Polo Territoriale di Lecco du Politecnico di Milano. Les expériences ont été effectuées lors d&#39;une visite de SS au Politecnico di Milano en tant que scientifique invité. Les auteurs remercient Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (étudiants du B.Sc. au Politecnico di Milano) et Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (membre du projet HYTECH et doctorant au Politecnico di Milano) pour soutenir le L&#39;activité expérimentale et l&#39;analyse des données. Les auteurs remercient gracieusement le Professeur Roger Nokes (Université de Canterbury, Christchurch, Nouvelle-Zélande) pour avoir fourni le STreams software and constant advice. Enfin, les auteurs remercient le rédacteur en chef de JoVE et trois examinateurs anonymes pour leurs commentaires et leurs suggestions, grâce auxquels le manuscrit pourrait être considérablement amélioré.

<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>

Les auteurs déclarent qu&#39;ils n&#39;ont pas d&#39;intérêts financiers concurrents.

La conception d&#39;une expérience de transport de la charge de lit avec la visualisation des particules implique plusieurs étapes, y compris le choix d&#39;une configuration expérimentale et des outils matériels, la mesure du débit, l&#39;ensemencement et la visualisation des particules et l&#39;analyse d&#39;image. Les variations à chaque étape présentent des avantages et des inconvénients. Les caractéristiques clés du protocole présenté dans ce manuscrit sont: (i) l&#39;utilisation d&#39;un écoulement sous pression et d&#39;un lit rugueux fixe, (ii) l&#39;ensemencement d&#39;un faible nombre de particules de charge de lit ayant une couleur contrastante avec la couleur du lit fixe, (iii) En utilisant de la lumière naturelle et, (iv) en utilisant plusieurs caméras pour obtenir des ensembles de pistes indépendants à joindre les uns aux autres. La méthode expérimentale et le traitement des données permettent de surveiller de manière fiable les particules de charge du lit pour la mesure finale. Le flux couvert garantit une vision optimale des particules en mouvement. Le lit fixe, cependant, empêche l&#39;observation de certains processus ( par exemple , ceux liés à la vertica<html> L des déplacements de particules de sédiments dans la couche active de charge de lit), et limite ainsi l&#39;applicabilité de la technique aux faibles charges de lits. La taille des échantillons de données obtenus en utilisant seulement 100 s de film était relativement faible. Cependant, la taille de l&#39;échantillon peut facilement être augmentée en allongeant la durée expérimentale de l&#39;acquisition et du traitement de l&#39;image. L&#39;alimentation d&#39;un nombre limité de particules nécessite un temps expérimental plus long que l&#39;alimentation à un taux sensiblement plus élevé; Mais il vaut bien l&#39;effort en raison d&#39;un suivi de particule relativement direct en raison de la faible concentration de particules en mouvement et de l&#39;utilisation de différentes couleurs, ce qui réduit la probabilité de rattraper les erreurs. L&#39;utilisation de la lumière naturelle dans l&#39;expérience évite le besoin d&#39;appareils d&#39;éclairage; Cependant, un inconvénient est que le bon éclairage dépend des conditions météorologiques. Les CFD de la longueur et de la durée des sauts de particules représentés dansG &quot;&gt; La figure 4 montre les valeurs les plus faibles comme les plus fréquentes. Les valeurs mesurées les plus importantes de la longueur et de la durée du saut étaient d&#39;environ 600 mm et 7 s, ce qui était significativement plus important par rapport aux valeurs analogues de la littérature 4 , 16 , 30 , Étant donné que la mesure de longues pistes couvre le risque de longs sauts de particules. Le bénéfice de l&#39;utilisation de deux caméras est évident étant donné qu&#39;une caméra unique avait une longueur de zone de focalisation d&#39;environ 850 mm, ce qui ne serait pas beaucoup plus grand que les valeurs de longueur de saut à mesurer. Le protocole de mesure utilisant deux caméras à la place, a permis une séparation satisfaisante entre les échelles de longueur du processus et celles du champ de mesure, réduisant ainsi le risque de polarisation des résultats phénoménologiques en raison de limites expérimentales. De plus, la zone de mise au point peut en outre être allongée par Augmentant le nombre de caméras placées le long du canal. Une procédure alternative par rapport au protocole décrit ici est de créer des images superposées avant l&#39;identification et le suivi des particules. Notre protocole (d&#39;effectuer le suivi deux fois et de lier des pistes de particules) a été préféré car la méthode de fusion d&#39;image aurait doublé la taille des fichiers de données, ce qui nécessitait une consommation de mémoire pas abordable. Avec les algorithmes de traitement décrits ici, plusieurs pistes de particules qui étaient plus courtes que la longueur de la zone de chevauchement ont été rejetées car elles ont empêché une reconstruction complète des pistes de sédiments. Cependant, la longueur de seuil de 120 mm était d&#39;un ordre de grandeur plus courte que les longueurs de piste qui pourraient être obtenues, et la perte de ces données était donc acceptable. En outre, la liaison de piste observée dans les 8 cas inférieurs de la Figure 1 n&#39;autoriserait pas une augmentation significative de la longueur de piste à obtenir. D&#39;autre part, ces situations pourraient aiderDans la récupération de longues pistes, comme la situation de la figure 5 qui pourrait être due à des interruptions de suivi. Dans un cas similaire, une longue piste pourrait être reconstruite par des opérations d&#39;assemblage itératives. Il est néanmoins important de garder à l&#39;esprit que les interruptions de piste comme celles de la figure 5 sont clairement liées au processus de suivi plutôt qu&#39;au processus de jointure. Ce manuscrit a présenté des résultats de preuve de concept pour une seule expérience afin de démontrer les capacités du protocole adopté. Dans les expériences futures, le protocole sera appliqué à une série de conditions hydro-dynamiques différentes pour réaliser une analyse détaillée du processus de transport des sédiments de lit-charge. <img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Figure 5: Situation de l&#39;intégration de la piste en présence d&#39;interruptions. </Strong&gt; La jointure de ces pistes dans une seule piste n&#39;est pas possible avec le protocole décrit ici. Comme mentionné dans la légende de la figure 1 et à l&#39;étape 8.4 du protocole, les pistes plus courtes que la longueur de la région de chevauchement sont exclues. Ceci élimine les courtes pistes rouges et vertes; Par conséquent, les autres restants ne peuvent pas être joints parce qu&#39;ils n&#39;ont aucun point commun. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

Puisque les travaux pionniers sont apparus il y a quelques décennies 1 , 2 , l&#39;utilisation de l&#39;analyse d&#39;image pour l&#39;étude du transport des sédiments fluviaux a augmenté constamment. Cette technique a effectivement prouvé sa capacité à fournir des données relativement à haute résolution et peu coûteuses pour des analyses détaillées des phénomènes physiques 3 , 4 , 5 . Avec le temps, des améliorations importantes ont été obtenues pour les outils matériels et logiciels. La mesure du transport des sédiments peut être effectuée à l&#39;aide d&#39;une approche eulérienne qui cible la mesure des flux de sédiments ou une lagrangienne qui vise à mesurer les trajectoires des grains individuels à mesure qu&#39;ils se déplacent. Le traitement de l&#39;image offre des possibilités uniques pour le suivi des particules par rapport aux autres méthodes eulériennes 6 , 7 . Cependant, desPitez ces potentialités, l&#39;application de l&#39;analyse d&#39;image au transport de sédiments à chargement par couche souffre de certaines limitations expérimentales critiques, en termes d&#39;échelles de support spatial / temporel pour la mesure et la taille des échantillons de données. Par exemple, il est difficile de réaliser simultanément une combinaison appropriée d&#39;une grande zone spatiale, d&#39;une durée prolongée d&#39;une expérience et d&#39;une grande fréquence de mesure 3 , 4 , 8 sans compromettre la qualité et la quantité de données. En outre, le suivi des particules peut être effectué manuellement 2 , 4 , ce qui nécessite un effort humain important, ou automatiquement 3 , 8 , avec la possibilité de suivre les erreurs faites par le logiciel utilisé pour l&#39;analyse. Cet article présente un protocole pour l&#39;étude expérimentale du sédiment de lit-chargeAnsport, où une longue durée a été atteinte par le type de caméra utilisé, un grand champ de vision a été assuré par l&#39;utilisation simultanée de deux caméras à différents endroits, et un traitement automatique fiable a été rendu possible par des conditions expérimentales ponctuelles . L&#39;opération expérimentale a été conçue et les outils de traitement ont été sélectionnés en fonction de l&#39;expérience acquise par les auteurs dans plusieurs travaux de recherche traitant de l&#39;étude détaillée du transport des sédiments par les méthodes d&#39;image 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Une expérience de transport de sédiments est décrite, qui a été réalisée en libérant une particlSur un lit fixe et rugueux. L&#39;alimentation en particules était beaucoup moins que la capacité de transport du flux pour maintenir une faible concentration de grains en mouvement, évitant ainsi la congestion des particules à suivre. En outre, les particules transportées ne bougeaient pas continuellement, mais un mouvement intermittent était observé. L&#39;utilisation d&#39;un lit fixe plutôt que d&#39;un mobile représente une perte de similitude avec les conditions naturelles. Cependant, un lit fixe a été fréquemment utilisé dans les expériences de transport de sédiments 19 , 20 , 21, en supposant que les résultats sont plus simples et explicatifs que ceux de scénarios compliqués avec une variété de processus d&#39;action. L&#39;utilisation d&#39;un lit fixe évite évidemment d&#39;observer les processus d&#39;inhumation et de réapparition des sédiments. D&#39;autre part, en présence d&#39;une faible charge de lit, le transport de sédiments a lieu dans une couche superficielle d&#39;un lit lâche et, dans ce cas,L&#39;utilisation d&#39;un lit fixe peut être adéquate. En fait, des comparaisons spécifiques entre les propriétés du mouvement des particules dans les expériences menées avec les deux conditions n&#39;ont pas présenté de différences significatives 3 , 14 . Enfin, l&#39;expérience présentée ici a été effectuée avec un flux sous pression pour assurer une condition optimale pour la visualisation des particules à travers un couvercle transparent. Le transport de sédiments avec un écoulement sous pression a été expérimentalement étudié dans la recherche de prototypage de rivières recouvertes de glace, ce qui montre que l&#39;interaction entre la couche limite du lit et le sédiment est analogue à celle des écoulements ouverts 22 , 23 . Dans les sections suivantes, toutes les méthodes sont décrites et des résultats représentatifs sont fournis.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="635">
	<tbody>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Laser distance sensor</td>
			<td style="width:111px;">METRICA</td>
			<td style="width:119px;">PREXISOX2</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the flume slope</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Two-component polyester resin</td>
			<td style="width:111px;">Gelson</td>
			<td style="width:119px;">MS 65213</td>
			<td style="width:191px;">Used to glue sediment particles onto steel plates</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Water-resistant spray paint</td>
			<td style="width:111px;">Any</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Used to paint the fixed bed</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Ultrasonic Velocity Profiler</td>
			<td style="width:111px;">Signal Processing</td>
			<td style="width:119px;">DOP 2000</td>
			<td style="width:191px;">Used to measure the water velocity profiles</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Camera</td>
			<td style="width:111px;">Go-Pro</td>
			<td style="width:119px;">Hero 4 Black</td>
			<td style="width:191px;">Used to acquire movies of bed-load particle motion</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">Streams</td>
			<td style="width:111px;">University of Canterbury</td>
			<td style="width:119px;">2.01</td>
			<td style="width:191px;">Used for particle identification and tracking</td>
		</tr>
		<tr height="46">
			<td height="46" style="height:47px;width:216px;">MatLab</td>
			<td style="width:111px;">MathWorks</td>
			<td style="width:119px;">R14</td>
			<td style="width:191px;">Used to develop ad hoc codes for a variety of operations</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Plexiglas</td>
			<td style="width:111px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:191px;">Transparent acrylic material</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

image-based lagrangian particle tracking in bed-load experiments

L&#39;analyse de l&#39;image a été de plus en plus utilisée pour la mesure des débits des rivières en raison de ses capacités à fournir des représentations quantitatives détaillées à un coût relativement faible. Ce manuscrit décrit une application de la velocimétrie de suivi des particules (PTV) à une expérience de charge de lit avec des sédiments légers. Les caractéristiques clés des conditions de transport des sédiments étudiés étaient la présence d&#39;un écoulement couvert et d&#39;un lit rugueux fixe au-dessus duquel des particules ont été relâchées en nombre limité à l&#39;entrée du canal. Dans les conditions d&#39;écoulement appliquées, le mouvement des particules de charge de lit individuelles était intermittent, avec des mouvements alternés et des termes d&#39;immobilisation. Le diagramme d&#39;écoulement a été préalablement caractérisé par des mesures acoustiques des profils verticaux de la vitesse du courant. Au cours de la visualisation des processus, un grand champ de vision a été obtenu en utilisant deux caméras d&#39;action placées à différents endroits le long du canal. Le protocole expérimental est décrit en termes de chanL&#39;étalonnage nel, la réalisation de l&#39;expérience, le prétraitement de l&#39;image, le suivi automatique des particules et le post-traitement des données des pistes de particules des deux caméras. Les résultats de la preuve de concept présentés incluent les distributions de probabilité de la longueur et de la durée du saut de particules. Les réalisations de ce travail sont comparées à celles de la littérature existante pour démontrer la validité du protocole.

Les résultats présentés dans cette section sont destinés à une expérience où la pente du flume a été mise à zéro (les valeurs de pente ont été calculées avec une précision de ± 0,05%). Le sédiment utilisé était constitué de particules de PBT quasi sphériques, d&#39;une taille d = 3 mm et d&#39;une densité ρ p = 1,270 kg / m 3 . L&#39;expérience a été effectuée avec un débit Q = 9.7 × 10 -3 m 3 / s résultant en une vitesse de masse U = 0,31 m / s. Pour les mesures de vitesse avec l&#39;UVP, une sonde de 2 MHz a été utilisée à une inclinaison de 81 °. Les données de vitesse ont été acquises à 20 Hz pendant 250 s. Un profil de vitesse représentatif est représenté sur la figure 2 . Il a été pris à l&#39;axe du canal et à 4,5 m de l&#39;entrée du canal, où le débit a été entièrement développé. Certaines valeurs liées aux mesures d&#39;élévation invalides ont été supprimées. AsymétrieLe profil c a résulté de la rugosité différente du couvercle en plastique et du lit de sédiments. Les parcelles montrent également la partie du profil utilisé pour l&#39;estimation de la vitesse de cisaillement, obtenant s = 25,9 ± 1,3 mm / s. Le nombre de particules Reynolds ( Re p = u s × d / ν , avec ν comme viscosité cinématique de l&#39;eau) était donc égal à 78, ce qui indique un régime de transition brut. La visualisation du transport des sédiments a été effectuée avec deux caméras placées à 3,5 m et à 4,3 m de l&#39;entrée du canal. Les caméras fonctionnent à une fréquence de 30 images par seconde et avec une résolution de 1 920 x 1 080 pixels. Le facteur de correction de la distorsion de l&#39;image était k = 0,6. Après élimination de la distorsion, l&#39;étalonnage de l&#39;image était de 1 pixel = 0,5 mm. La longueur de chevauchement était de 760,15 à 880,11 mm (où cette dernière était la longueur de la zone de foyer du sapinSt camera depuis son bord amont). L&#39;intensité de seuil pour l&#39;identification des particules a été fixée à 80 et la taille de blobée attendue variait de 0,5 à 8 mm. La fenêtre de recherche pour le suivi des particules était la suivante: 1 mm en amont et 7 mm en aval, 4 mm latéralement. La fenêtre de recherche pour la reconnexion des pistes interrompues était la suivante: 1 mm en amont et 31 mm en aval, 16 mm latéralement le long de 4 cadres suivants. La valeur de seuil de la racine carrée de la différence quadratique moyenne des valeurs x et y entre deux pistes à joindre a été fixée à 10 mm. Les pistes de particules mesurées en utilisant un sous-ensemble de 3 000 images de chaque caméra (correspondant à une durée de 100 s) sont représentées sur la figure 3 . La base de données comprenait respectivement 37 et 34 pistes depuis la caméra en amont et en aval. Un chevauchement des pistes obtenues par les deux caméras est d&#39;abord proposé, puis l&#39;ensemble complet résultant de tLes racks sont affichés. Il est évident que le chevauchement dans la partie centrale de la zone de mesure était satisfaisant. 12 liens ont été obtenus à la fin de 59 pistes. La piste la plus longue a parcouru toute la fenêtre d&#39;observation avec une longueur totale d&#39;environ 1,6 m (plus de 530 granulométries, 15,2 profondeurs de débit ou 5,3 largeurs de canal), ce qui est très important par rapport à d&#39;autres études de la littérature où des analyses similaires ont été effectuées 3 , 4 , 5 , 8 . En adoptant un cadre lagrangien, les indicateurs clés de la cinématique des particules sont ici appliqués en termes de propriétés du houblon des particules. Sous un transport intermittent de charge de lit comme celui de cette expérience, ces sauts sont séparés par des périodes de repos. Pour détecter le houblon dans une piste complète pour une seule particule, l&#39;identification du mouvement des particules et de l&#39;immobilité estUne étape préliminaire nécessaire. Dans ce travail, nous avons appliqué un critère 30 qui considère une particule en mouvement à un certain instant si sa position x à cet instant est plus grande que toutes les précédentes et inférieure à toutes les suivantes. Un total de 98 sauts a été obtenu à partir des 59 pistes de particules mesurées. La figure 4 représente la distribution de fréquence cumulée (CFD) obtenue pour la longueur et la durée du saut. <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Figure 2: profil de vitesse mesuré. (Top) Le profil vertical en moyenne temporelle du composant de vitesse en continu. (Bas) L&#39;estimation de la vitesse de cisaillement en ajustant une équation logarithmique à la partie inférieure du profil. Notez qu&#39;un axe vertical partant du haut du canal et orienté vers le bas est utilisé dans la première parcelle, represe<html> Le résultat de la mesure avec l&#39;UVP. Un axe du fond du canal et dirigé vers le haut est utilisé à la place dans le second graphique, selon les besoins pour estimer la vitesse de cisaillement par l&#39;équation. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a> <img alt="figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Figure 3: Vue en plan des pistes de particules mesurées. (Haut) Les pistes des deux caméras (caméra en amont en rouge et en aval en noir). (En bas) L&#39;échantillon de pistes jointes (changement de couleur pour la clarté et certaines pistes soulignées par une ligne plus épaisse). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Figure 4: Répartition cumulative des fréquences (CFD) de la longueur des Hop (Top) et de la Durée (Bottom). Dans chaque piste de la figure 3 , la particule a été marquée à chaque instant instantané pour représenter si la particule était en mouvement ou en repos à cet instant. Les houblons de particules ont ensuite été extraits des pistes en tant que parties entre l&#39;entrainement des particules (passage de l&#39;immobilité au mouvement) et désentrainement (passage du mouvement à l&#39;immobilité). Les échantillons obtenus pour les longueurs de houblon et les durées ont été utilisés pour créer les distributions présentées ici. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a> Fichiers de code supplémentaire: join_cameras.m <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">S&#39;il vous plaît</a>Cliquez ici pour télécharger ce fichier.

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Le manuscrit présente un protocole pour la conduction des expériences de transport de sédiments de lit-charge où les particules en mouvement sont suivies par une analyse d&#39;image. L&#39;installation expérimentale, les procédures de réalisation de l&#39;exécution et le traitement des données, et enfin certains résultats de preuve de concept sont présentés ici.

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