Name: visualizing hyporheic flow through bedforms using dye experiments and simulation
Uploaded: 2015-11-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation at JoVE.com

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. محاكاة البرمجيات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام البرامج الموضحة في هذا القسم. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل وتثبيت الحرة / مفتوحة المصدر متعدد وكيل لغة النمذجة والمحاكاة منصة، NetLogo (المتوفر <a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/،</a> الإصدار 5.1 أو في وقت لاحق). ملاحظة: يتوفر هذا البرنامج في أي تكلفة، ويعمل على جميع أنظمة التشغيل الرئيسية (ويندوز / ماك / لينكس). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل الملفين النصي محاكاة محددة (mousedrop.nlogo وinterface.nlogo) التي تصاحب هذا الإجراء المختبر. (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> ) ملاحظة: بمجرد تثبيت منصة محاكاة وتم تحميلها هذه الملفات، هذه الملفات النقر المزدوج يفتح تلقائيا رانه المحاكاه تصل، جاهزة للتشغيل. </li></ol></li></ol> 2. المسايل مظاهرة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد المسايل المختبر حتى يتسنى لجميع المعلمات (الجدول 1) تقع ضمن محاكاة mousedrop القيود مجموعة المعلمة. ملاحظة: يمكن تعديل القيود في mousedrop، إذا لزم الأمر لنظام فيزيائي عن طريق تحرير المتزلجون. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> صب طبقة من حوالي 15-25 سم من الرمل في المسايل. قياس وتسجيل التوصيل الهيدروليكي ومسامية الرمل التالية الأساليب القياسية 32،33. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ملء المسايل مع ما يقرب من 20-30 سم من الماء. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدء المسايل وزيادة معدل تدفق إلى المستوى الذي هو سريع بما فيه الكفاية لنقل حبيبات الرمل، وبالتالي إلى خلق bedforms. ملاحظة: يمكن تعديل معدل التدفق لمواصلة تهذيب خصائص bedform مع الممارسة. أحجام Bedform هي نتيجة لمعدل التدفق، وعمق المياه وخصائص الرمال. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> السماح bedforms لتطوير FOص 12-24 ساعة لتشكيل الكثبان الرملية الطبيعية / مورفولوجيا مضاعف. لتسريع هذه العملية يدويا تشكيل الكثبان العادية، ومن ثم السماح نقل الرواسب ل12/04 ساعة. بدلا من ذلك، تشكل الكثبان الثلاثي العادية يدويا. ملاحظة: سوف الكثبان الثلاثي منتظم تسفر عن أنماط منتظمة الصرف hyporheic، ولكن لن تظهر الكثير من التعقيد كما الكثبان الرملية الطبيعية / bedforms تموج. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مرة واحدة يتم تحقيق bedforms المطلوب، والحد من معدل تدفق المياه إلى أن يتباطأ نقل الرواسب السرير وخصائص bedform تتوقف المتغيرة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نلاحظ بصريا الحركة من الحبوب الرواسب التي تضم السرير، والحد من تدفق حتى توقف الحركة. ملاحظة: هذا الحفاظ على التشكل السرير لمدة التجربة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> للتأكد من أن بطيئة، والحركة العرضية لا يحدث، أو علامة bedform صورة المواقف ومن ثم مراقبة في وقت لاحق. ملاحظة: من المهم فقط أن bedforms لا تتحرك بشكل كبير خلال الإطار الزمني للتجربة، بحيث يوفرفترة الملاحظة كافية لتأكيد أن bedforms مستقرة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط المنحدر المسايل و / أو عمق المياه لتحقيق تدفق موحد تحت معدل تدفق منخفض. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قناة التحكم المنحدر من خلال المعدات التي شيدت في المسايل، وعادة إما جاك بمحركات أو من ناحية كرنك. ضبط عمق المياه عن طريق إضافة أو إزالة المياه من المسايل. ملاحظة: في الإعداد التجريبية المستخدمة هنا، هي التي شنت على المسايل كامل على المحور في نهاية المصب، ويتم تعيين المنحدر من قبل جاك بمحركات في نهاية المنبع. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> أثناء تشغيل المضخة، تحديد موقعين طولية ملحوظ مع خطوط عمودية إلى الجزء السفلي من المسايل. في هذه المواقع، استخدام مسطرة لقياس المسافة على طول هذه الخطوط المتعامدة، وبين سطح الماء والجزء السفلي من المسايل. ملاحظة: اعتمادا على الإعداد المسايل، والجزء السفلي من المسايل قد يكون بمثابة خط المرجعية أفضل منحدر من الجزء السفلي من المسايل. اختيار لارسوف الالماني مسافة طولية تسفر عن مزيد من الدقة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط المنحدر من المسايل و / أو عمق المياه وإعادة قياس حتى قياسات المسافة العمودية هي نفسها لتحقيق تدفق منتظم. قياس المسافة الأفقية منحدر على طول الجزء السفلي من المسايل بين هذه المواقع طولية اثنين. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وقف ضخ وانتظر المياه لوقف التحرك. هذا سيوفر سطح مستو. إعادة قياس المسافة بين الجزء العلوي من المسايل وسطح المياه في كل موقع الطولي. ملاحظة: منحدر قناة يساوي الفرق بين هذه القياسات، مقسوما على المسافة الأفقية منحدر بينهما. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعادة تشغيل المضخة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> حدد قسم الاختبار، الذي يجب أن يكون موقعا قرب نهاية المتوسطة أو المصب من المسايل حيث شكلت الكثبان نمط منتظم. تأكد من أن هذا القسم يشمل bedform كامل واحد على الأقل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياس وتسجيل متوسط ​​عمق الرواسب (D) في اله اختبار القسم مع أي ابتكار قياس اليد (الحكام شفافة مثالية). لالبساطة، استخدم متوسط ​​المسافة من قمة والحوض الصغير إلى أسفل المسايل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياس وتسجيل ارتفاع متوسط ​​bedform في قسم الاختبار، الذي يعرف بأنه الفرق بين عمق الرواسب في قمة وعمق الرواسب في القاع مع الحاكم. قياس عدة bedforms للحصول على تقدير جيد من المتوسط. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مرة أخرى باستخدام المسطرة، وقياس وتسجيل متوسط ​​عمق المياه (د) في قسم الاختبار، الذي يعرف بأنه متوسط ​​المسافة من سطح الماء إلى سرير الرمل. مرة أخرى، استخدم عمق المياه متوسط ​​في القمم الكثبان الرملية وأحواض للبساطة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تسجيل معدل التدفق قناة (س) من مقياس الجريان، وحساب متوسط ​​السرعة كما Q / (د * ث)، حيث ث هو عرض من المسايل ود هو عمق المياه. ملاحظة: يتم إدخال لدينا مقياس الجريان في حلقة إعادة تدوير المسايل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياسوسجل متوسط ​​الطول الموجي bedform في قسم الاختبار. عادة، وقياس الطول الموجي والمسافة بين قمم الكثبان الرملية المتعاقبة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فتح محاكاة Mousedrop (في منصة NetLogo) وتأكد من أن جميع القياسات تقع ضمن نطاقات متغير المحددة في واجهة المستخدم المحاكاة. إذا سقطت المعلمة المقاسة خارج نطاق القيد، وضبط مجموعة المعلمة محاكاة بالنقر بزر الماوس الأيمن على المعلمة &quot;المنزلق&quot;، واختيار &quot;تحرير&quot;، وضبط دقيقة / القيم كحد أقصى. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تصور الصرف hyporheic. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط الكاميرا في مكان ثابت (يفضل أن يكون على ترايبود) أشار متعامد على الجدار المسايل مع bedform واحد في قسم اختبار تركز في الصورة. ملاحظة: هذا سوف تجنب مشاكل منظور مائل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> التقاط صورة اختبار للتحقق من الظروف. ضبط الإضاءة إذا التأملات هي المشكلة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام المحاقن والإبر، وجعل 2-3 الصغيرة ط صبغnjections بالقرب من الجدار المسايل. تأكد من أن هذه الحقن شكل بقع ~ الجولة 2 سم من porewater الملونة في مجموعة متنوعة من المواقع الرأسي والأفقي. استخدام الرعاية للحد من التأثير السلبي على السرير الرمال خلال الحقن. ملاحظة: حقن كميات صغيرة من الصبغة تسمح للمستخدم معرفة المزيد من التفاصيل وعرض مسارات تدفق الفردية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تسجيل وقت بدء حقن صبغة وتأخذ الصورة الأولية. اختياري: يمكن أن يكون التعليمي لتتبع الجبهات الصبغة الأولية مع علامات على ورقة الشفافية، بحيث تكون حركة صبغ ملاحظتها بسهولة في المختبر، ولكن هذه الخطوط أيضا عرقلة أجزاء صغيرة من الجبهات الصبغة في الصور، حتى لا يكون هناك بالتجارة إيقاف. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> القبض على مواقف صبغ الجبهة في فترات زمنية مناسبة. للمرة الفاصل بين التصوير الفوتوغرافي، استخدم 30 فترات ثانية لإعطاء النتائج على نحو سلس. </li></ol></li></ol> 3. محاكاة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشغيل المحاكاة 1: Mousedrop ومقارنتها مع نقل صبغ الملحوظ.<ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فتح البرنامج النصي محاكاة اسمه Mousedrop.nlogo. <img alt="الشكل (3)" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig2.jpg" width="600" /> الشكل 2. Mousedrop. وهذا يدل على استشفاف حيث هي في 7 حالات مختلفة في الوقت المناسب. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53285/53285fig2large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط معلمات النظام البدنية هو مبين في الجدول رقم 1 لتتناسب مع الظروف التجريبية المسايل (على وجه التحديد: لامبدا، BedformHeight، BedDepth، HydrCond، المسامية، ChannelVelocity، العمق، والمنحدر). ومن المؤكد أن تولي اهتماما كبيرا لوحدات عند دخول معلمات الإدخال. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط المتزلجون TIME1، Time2، وما إلى ذلك لتشير إلى الأوقات التي ستغير محاكاة تتبع اللون. تعيين هذه التغييرات اللون لتتناسب مرات المراقبة من أجل تسهيل المقارنة بين نتائج المحاكاة مع الملاحظات. ملاحظة: إذا تم تعيين كافة المعلمات الوقت إلى 0، فإن محاكاة عرض لون واحد طوال الوقت. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد أن يتم تعيين كافة المعلمات، انقر فوق الزر الإعداد. ملاحظة: يجب أن تظهر bedform في عرض المحاكاة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> انقر على زر الفأرة الإفلات تشير إلى المواقع بدءا من استشفاف الافتراضية. لاحظ أن مواقع متعددة في السرير يمكن النقر عليها. عقد الماوس لأسفل لاطلاق سراح التتبع أكثر الظاهري. عندما محاكاة حركة صبغ، واستخدام الماوس إلى أي تتبع الجبهات صبغ (الحدود حول صبغ) أو ملء كامل مساحة المنطقة المصبوغة. ملاحظة: سوف تقديم مزيد من التتبع الظاهري يتسبب في محاكاة لتشغيل أكثر ببطء. سوف تختلف على أفضل النتائج البصرية مع أداء جهاز الكمبيوتر. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مرة واحدة وضعت كل من استشفاف الافتراضية، يمكنك إما النقر فوق زر المسبق لفي المرة القادمة، والتي سوف تبدأ المحاكاة ثم إيقافه في المرة الأولى أو يمكنك النقر على زر العودة / إيقاف لبدء simulأوجه إلى أجل غير مسمى. لا إعادة انقر على زر الإعداد، أو سوف استشفاف أن توضع مرة أخرى. ملاحظة: بمجرد أن تبدأ المحاكاة تشغيل، يتم حساب سرعة لموقع كل التتبع على أساس المعلمات المحاكاة في المعادلات 4 و 5. والتحركات التتبع وفقا لمجال سرعة لمدة 100 ثانية محاكاة ومن ثم يتم حساب سرعة في الموقع الجديد ويتكرر هذا الإجراء حتى يترك التتبع النظام. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اختياريا، انقر فوق زر التنقل / توقف مرارا وتكرارا إلى وقفة / تواصل المحاكاة. مقارنة التوزيعات صبغ محاكاة وقياس في نقاط مختلفة في الوقت المناسب. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشغيل المحاكاة 2: واجهة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> فتح البرنامج النصي بعنوان اجهة. <img alt="الشكل (3)" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig3.jpg" width="600" /> الرقم 3. واجهة. وهذا يدل على 370 استشفاف التي تتدفق من خلال باطن الأرض باستخدام المحاكاة واجهة. السلطة الفلسطينية التتبعوتشير تي إتش إس حيث كان كل التتبع منذ بدء تشغيله في واجهة سطح المياه تحت السطحية. في نهاية المطاف كل مسارات التدفق يجب أن تعود إلى المياه السطحية. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53285/53285fig3large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> ملاحظة: هذا البرنامج النصي يقدم استشفاف الظاهرية على سطح مجرى النهر بطريقة التمويه المرجحة على أساس سرعات تحت السطحية المحسوبة. وهذا يوفر التمثيل المرئي للكميات النسبية من المياه المتدفقة إلى (وخارج) في مجرى النهر في مواقع مختلفة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تبدأ بالضغط الإعداد تليها دفعة و/ إيقاف. ملاحظة: سيتم تشغيل هذا محاكاة مع الإعدادات الافتراضية. ضبط مفتاح إعادة الإفلات؟ في البداية إلى الخروج، لذلك سيتم تآمر على توزيع الوقت الإقامة التراكمي مع مرور الوقت. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد مراقبة محاكاة مع المعلمات الافتراضية، انقر فوق ذهاب / إيقاف لوقف المحاكاة. </li><li&gt; تغيير معلمة واحدة أو أكثر ثم انقر فوق الإعداد تليها دفعة و/ إيقاف. ملاحظة: هذا إعادة تشغيل المحاكاة مع المعلمات التي تم اختيارها. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<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.

بالتزامن، تقدم المظاهرة وتتبع الجسيمات المحاكاة المسايل مقدمة شاملة إلى تدفق hyporheic لمجموعة من الجماهير. وقدم المشاركون من جميع المستويات أدلة بصرية لحدوث تبادل hyporheic الناجمة عن bedforms، وتباين قوي في مسارات التدفق تحت سطح الأرض تحت bedforms. ويمكن استخدام هذه الإجراءات كم?...

<table><tbody><tr><td>Flume</td><td>Engineering Laboratory Design</td><td>Custom</td><td>Laboratory flume with clear sides for 24-48 hours. Alternatively a small teaching flume can be constructed for under 300 dollars following the guidelines provided in our supplementary materials.</td></tr><tr><td>Flowmeter</td><td>Rosemount&amp;nbsp;</td><td>8800 vortex&amp;nbsp;</td><td>This is located inside the recirculation loop of the flume</td></tr><tr><td>Sand</td><td>US. Silica</td><td>F30</td><td>Research-grade sand to form a layer 10-20 cm deep throughout the flume</td></tr><tr><td>Dye</td><td>Samples from food companies</td><td></td><td>Water-soluble food grade dye made into an aqueous solution. Dark colors like red, blue and green work best. (Avoid food dyes in propylene glycol.)</td></tr><tr><td>Syringe</td><td>HSW</td><td>4100.000V0</td><td>5-10 ml, &lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt; HSW Norm-Ject 2-part disposable syringe</td></tr><tr><td>Pipetting Needle</td><td>Cadence Science</td><td>7942</td><td>14-gage, 6-in blunt end,&amp;nbsp; to inject the dye deep into the sand.</td></tr><tr><td>Digital Camera</td><td>Any</td><td></td><td>Digital camera with steady tripod. (Time lapse cameras can be used to collect rapid evenly spaced data.) We used a Nikon D7000.</td></tr><tr><td>Ruler</td><td>Any</td><td></td><td>Transparent is best.</td></tr><tr><td>Measuring Tape</td><td>Any</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Netlogo Software</td><td>CCL</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://ccl.northwestern.edu/netlogo/&quot;&gt;http://ccl.northwestern.edu/netlogo/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Mousedrop.nlogo</td><td>Netlogo Commons</td><td>4259</td><td>&lt;a href=&quot;http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259&quot;&gt;http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Interface.nlogo</td><td>Netlogo Commons</td><td>4258</td><td>&lt;a href=&quot;http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258&quot;&gt;http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258&lt;/a&gt;</td></tr></tbody></table>

visualizing hyporheic flow through bedforms using dye experiments and simulation

التبادل عبر الهوائي الأفقي بين الفضاء المسام من الرواسب وعمود الماء المغطي، ودعا الصرف hyporheic في البيئات النهرية، يدفع النقل المذاب في الأنهار والعديد من العمليات البيولوجية الكيميائية الهامة. لتحسين فهم هذه العمليات من خلال مظاهرة البصرية، أنشأنا محاكاة تدفق hyporheic في متعدد وكيل النمذجة الحاسوبية منصة NetLogo. وتبين المحاكاة الافتراضية التتبع التي تتدفق من خلال مجرى النهر مغطاة bedforms ثنائي الأبعاد. وتستخدم الرواسب، والتدفق، وbedform الخصائص كما المتغيرات الإدخال للنموذج. نحن لتوضيح كيف تطابق هذه المحاكاة الملاحظات التجريبية من التجارب المسايل المختبر، استنادا للمعلمات الإدخال قياسها. يتم حقن صبغة في الرواسب المسايل لتصور تدفق porewater. وعلى سبيل المقارنة توضع الجسيمات التتبع الافتراضية في نفس المواقع في المحاكاة. وقد استخدمت هذه المحاكاة ومختبر التجربة يقترن بنجاح في المرحلة الجامعية وgraduaمختبرات الشركة المصرية للاتصالات لتصور مباشرة التفاعلات النهر porewater وتظهر كيف محاكاة التدفق على جسديا يمكن أن تتكاثر الظواهر البيئية. استغرق الطلاب صورا للسرير من خلال الجدران المسايل شفافة وقارنوها الأشكال من الصبغة في الأوقات نفسها في المحاكاة. وأدى ذلك إلى اتجاهات متشابهة جدا، والذي يسمح للطلاب لفهم أفضل لكل من أنماط تدفق والنموذج الرياضي. المحاكاة كما تسمح للمستخدم لتصور بسرعة تأثير كل معلمة الإدخال عن طريق تشغيل المحاكاة متعددة. ويمكن أيضا أن تستخدم هذه العملية في تطبيقات البحوث لتوضيح العمليات الأساسية، تتصل تدفقات بينية والنقل porewater، ودعم النماذج القائمة على عملية الكمي.

استخدام المحاكاة بالتزامن مع التجارب يتيح للطلاب لمراقبة أوجه التشابه والاختلاف بين النماذج الرياضية المثالية والنظم الحقيقية أكثر تعقيدا. يبين الشكل 4 مثالا مقارنة الصور حقن الصبغة مع المحاكاة Mousedrop. يتم استخدام صورة أولية لتحديد وضع الصبغة الكاشفة ?...

Watch this Scientific Journal Video about Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation at JoVE.com

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.

تصور Hyporheic تدفق من خلال Bedforms عن طريق التجارب صبغ والمحاكاة

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

Universidad San Sebastian

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Engineering

Unit 1

Dimensional Analysis, Similitude, and Modeling

SCIENTISTS IN ACTION

12.1K Views.  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. 

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

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a relatively low cost. This manuscript describes an application of particle tracking velocimetry (PTV) to a bed-load experiment with lightweight sediment. The key characteristics of the investigated sediment transport conditions were the presence of a covered flow and of a fixed rough bed above which particles were released in limited number at the flume inlet. Under the applied flow conditions, the motion of the individual bed-load particles was intermittent, with alternating movement and stillness terms. The flow pattern was preliminarily characterized by acoustic measurements of vertical profiles of the stream-wise velocity. During process visualization, a large field of view was obtained using two action-cameras placed at different locations along the flume. The experimental protocol is described in terms of channel calibration, experiment realization, image pre-processing, automatic particle tracking, and post-processing of particle track data from the two cameras. The presented proof-of-concept results include probability distributions of the particle hop length and duration. The achievements of this work are compared to those of existing literature to demonstrate the validity of the protocol.

The manuscript presents a protocol for the conduction of bed-load sediment transport experiments where the moving particles are tracked by image analysis. The experimental facility, the procedures for run realization and data processing, and finally some proof-of-concept results are presented here.

تتبع الجسيمات لاغرانجي القائم على الصورة في التجارب السرير تحميل

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

Environment

Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline. This method involves the implementation of a pipeline vibration system in a straight flume, a time-resolved particle image velocimetry (PIV) system for pipeline displacement tracking and flow fields measurements. The displacement time-series of the vibrating pipeline are obtained by using the cross-correlation algorithms. The steps for processing raw particle laden images obtained by using the time-resolved PIV are described. The detailed instantaneous flow fields around the vibrating pipeline at different vibrating phases are calculated by using a multiple-time-interval cross-correlation algorithm to avoid displacement bias error in the flow regions with a large velocity gradient. By applying the wavelet transform technique, the captured images that have the same vibrating phase are accurately cataloged before the phase-averaged velocity fields are obtained. The key advantages of the flow measurement technique described in this paper are that it has a very high temporal and spatial resolution and can be simultaneously used to obtain the pipeline dynamics, flow fields, and near-boundary flow stresses. By using this technique, more in-depth studies of the 2-dimensional flow field in a complex environment, such as that around a vibrating pipeline, can be conducted to better understand the associated sophisticated scour mechanism.

The goal of the protocol is to enable visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline.

تصور حقل التدفق حول خط أنابيب تهتز داخل ثقب التوازن

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and ...

Combining Fluidic Devices with Microscopy and Flow Cytometry to Study Microbial Transport in Porous Media Across Spatial Scales

Understanding the transport, dispersion and deposition of microorganisms in porous media is a complex scientific task comprising topics as diverse as hydrodynamics, ecology and environmental engineering. Modeling bacterial transport in porous environments at different spatial scales is critical to better predict the consequences of bacterial transport, yet current models often fail to up-scale from laboratory to field conditions. Here, we introduce experimental tools to study bacterial transport in porous media at two spatial scales. The aim of these tools is to obtain macroscopic observables (such as breakthrough curves or deposition profiles) of bacteria injected into transparent porous matrices. At the small scale (10-1000 &#181;m), microfluidic devices are combined with optical video-microscopy and image processing to obtain breakthrough curves and, at the same time, to track individual bacterial cells at the pore scale. At larger scale, flow cytometry is combined with a self-made robotic dispenser to obtain breakthrough curves. We illustrate the utility of these tools to better understand how bacteria are transported in complex porous media such as the hyporheic zone of streams. As these tools provide simultaneous measurements across scales, they pave the way for mechanism-based models, critically important for upscaling. Application of these tools may not only contribute to the development of novel bioremediation applications but also shed new light on the ecological strategies of microorganisms colonizing porous substrates.

Breakthrough curves (BTCs) are efficient tools to study the transport of bacteria in porous media. Here we introduce tools based on fluidic devices in combination with microscopy and flow cytometric counting to obtain BTCs.

الجمع بين الأجهزة Fluidic مع المجهر والتدفق cytometry لدراسة النقل الميكروبي في وسائل الإعلام المسامية عبر المقاييس المكانية

Understanding the transport, dispersion and deposition of microorganisms in porous media is a complex scientific task comprising topics as diverse as ...

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of first injecting fluorescent dye directly into a pipe filled with distilled water and allowing it to diffuse across the cross-section of the pipe to obtain a uniformly distributed initial condition. Following this period, the laminar flow is activated with a programmable syringe pump to observe the competition of advection and diffusion of the tracer through the pipe. Asymmetries in the tracer distribution are studied and correlations between the pipe cross-section and the shape of the distribution is shown: thin channels (aspect ratio &#60;&#60; 1) produce tracers arriving with sharp fronts and tapering tails (front-loaded distributions), while thick channels (aspect ratio ~1) present the opposite behavior (back-loaded distributions). The experimental procedure is applied to capillary tubes of various geometries and is particularly relevant to microfluidic applications by dynamical similarity.

A protocol for the study of the diffusion of passive tracers in laminar pressure-driven flow is presented. The procedure is applicable to various capillary pipe geometries.

نشر تتبع الكامن في التدفق الصفحي القص

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

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.

بصريا على أساس توصيف الحركة الجسيمات الأولية في ركائز العادية: من الصفحي الظروف المضطربة

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.

طرق للتميز الرئيسين تطوير بيوفيلم والموئل التجانس

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

Bioengineering

Window on a Microworld: Simple Microfluidic Systems for Studying Microbial Transport in Porous Media

Microbial growth and transport in porous media have important implications for the quality of groundwater and surface water, the recycling of nutrients in the environment, as well as directly for the transmission of pathogens to drinking water supplies. Natural porous media is composed of an intricate physical topology, varied surface chemistries, dynamic gradients of nutrients and electron acceptors, and a patchy distribution of microbes. These features vary substantially over a length scale of microns, making the results of macro-scale investigations of microbial transport difficult to interpret, and the validation of mechanistic models challenging. Here we demonstrate how simple microfluidic devices can be used to visualize microbial interactions with micro-structured habitats, to identify key processes influencing the observed phenomena, and to systematically validate predictive models. Simple, easy-to-use flow cells were constructed out of the transparent, biocompatible and oxygen-permeable material poly(dimethyl siloxane). Standard methods of photolithography were used to make micro-structured masters, and replica molding was used to cast micro-structured flow cells from the masters. The physical design of the flow cell chamber is adaptable to the experimental requirements: microchannels can vary from simple linear connections to complex topologies with feature sizes as small as 2 &mu;m. Our modular EcoChip flow cell array features dozens of identical chambers and flow control by a gravity-driven flow module. We demonstrate that through use of EcoChip devices, physical structures and pressure heads can be held constant or varied systematically while the influence of surface chemistry, fluid properties, or the characteristics of the microbial population is investigated. Through transport experiments using a non-pathogenic, green fluorescent protein-expressing Vibrio bacterial strain, we illustrate the importance of habitat structure, flow conditions, and inoculums size on fundamental transport phenomena, and with real-time particle-scale observations, demonstrate that microfluidics offer a compelling view of a hidden world.

Microfluidic devices can be used to visualize complex natural processes in real time and at the appropriate physical scales. We have developed a simple microfluidic device that mimics key features of natural porous media for studying growth and transport of bacteria in the subsurface.

نافذة على المجهري : نظم ميكروفلويديك بسيطة لدراسة النقل في وسائل الإعلام الميكروبية المسامية

Microbial growth and transport in porous media have important implications for the quality of groundwater and surface water, the recycling of nutrients in ...

Biology

Flow Visualization in a Water Tunnel: Observing the Leading-edge Vortex Over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The delta wing, shown in Figure 1D, is a popular design in high-speed airplanes due to its superb performance in transonic and supersonic flight regimes. This type of wing has a small aspect ratio and high sweep angle, which reduces drag at high subsonic, transonic and supersonic flight regimes. The aspect ratio is defined as the wing span divided by the average chord <img align="middle" src="/files/ftp_upload/10459/10459eq1a.jpg" />.
An important advantage of the delta wing is its high stall angle. The stall of a delta wing is delayed compared to the stall of a high aspect ratio wing. This is because the lift of a delta wing is enhanced by the leading-edge vortex over the wing.
An effective way to observe this vortex flow phenomenon and study the vortex breakdown in a delta wing is by visualizing the flow in a water tunnel. By injecting dye in the flow surrounding a model from dye ports on the leading-edge, the vortex development and breakdown can be observed and its position measured. The data can also be used to estimate the stall angle.
<img src="/files/ftp_upload/10459/10459fig1.jpg" />
Figure 1. Typical wing planform shapes: A) Rectangular, with constant chord along span, B) elliptical, C) tapered, with variable chord along the span, and D) delta wing, an aft-swept wing with zero taper ratio.

Flow in a Water Tunnel: Leading-edge Vortex over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The ...

JoVE Science Education

Aeronautical Engineering

Surface Dye Flow Visualization: A Qualitative Method to Observe Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow structure, and it also helps researchers theorize and verify fluid flow behavior. Flow visualization can be divided into two categories: off-the-surface visualization and surface flow visualization. Off-the-surface flow visualization techniques involve determining the flow characteristics around the body of interest. They include but are not restricted to particle image velocimetry (PIV), Schlieren imaging, and smoke flow visualization. These techniques can provide qualitative as well as quantitative data on the flow around a body. However, these techniques are generally expensive and difficult to set-up. Surface flow visualization techniques, on the other hand, involve coating the body of interest with a dye to study flow on the surface. These techniques, which are more invasive in practice, include dye flow visualization and, more recently, use pressure-sensitive paint, which gives a detailed image of the flow on the body&#39;s surface. This allows researchers to visualize different flow features, including laminar bubbles, boundary layer transitions, and flow separation. Dye flow visualization, the technique of interest in the current experiment, provides a qualitative picture of the surface flow and is one of the simplest and most cost-effective surface flow visualization methods, specifically for visualizing gaseous flows on a body.
In this experiment, the surface flow behavior on six bodies are studied in supersonic flow. The streakline patterns are obtained using the dye flow visualization technique, and the flow paths, degree of flow attachment and separation, and location and type of shocks are identified and studied from the flow images.

Surface Dye Flow: Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow ...

Visualization of Flow Past a Bluff Body

Source: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar and Mahmoud N. Abdullatif, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Owing to the non-linear nature of its governing laws, fluid motion induces complicated flow patterns. Understanding the nature of these patterns has been the subject of intense scrutiny for centuries. Although personal computers and supercomputers are extensively used to deduce fluid flow patterns, their capabilities are still insufficient to determine the exact flow behavior for complex geometries or highly inertial flows (e.g. when momentum dominates over viscous resistance). With this in mind, a multitude of experimental techniques to make flow patterns evident have been developed that can reach flow regimes and geometries inaccessible to theoretical and computational tools.
This demonstration will investigate fluid flow around a bluff body. A bluff body is an object that, due to its shape, causes separated flow over most of its surface. This is in contrast to a streamlined body, like an airfoil, which is aligned in the stream and causes less flow separation. The purpose of this study is to use hydrogen bubbles as a method of visualizing flow patterns. The hydrogen bubbles are produced via electrolysis using a DC power source by submerging its electrodes in the water. Hydrogen bubbles are formed in the negative electrode, which needs to be a very fine wire to ensure that the bubbles remain small and track fluid motion more effectively. This method is suitable for steady and unsteady laminar flows, and is based on the basic flow lines that describe the nature of the flow around objects. [1-3]
This paper focuses on describing the implementation of the technique, including details about the equipment and its installation. Then, the technique is used to demonstrate the use of two of the basics flow lines to characterize the flow around a circular cylinder. These flow lines are used to estimate some important flow parameters like flow velocity and the Reynolds number, and to determine flow patterns.

Flow Around a Bluff Body, Bubbles and Von Karman Vortex Street

Source: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar and Mahmoud N. Abdullatif, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East ...