Diese Arbeit wurde von der Exekutivagentur für Forschung durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union, die Förderung der Aus- und Weiterbildung von Forschern (Marie Curie - FP7-PEOPLE-2012-ITN) unterstützt, die das Initial Training Network (ITN) HYTECH &quot;Hydrodynamischer Transport in ökologisch kritischen heterogenen Grenzflächen&quot; (Nummer 316546). Es wurde auch vom Polo Territoriale di Lecco des Politecnico di Milano unterstützt. Die Experimente wurden bei einem Besuch der SS zum Politecnico di Milano als Gastwissenschaftler durchgeführt. Die Autoren danken Tarcisio Fazzini, Stefania Gherbi, Francesco Mottini (B.Sc. Studenten am Politecnico di Milano) und Seyed Abbas Hosseini-Sadabadi (Fellow des HYTECH-Projekts und Doktorand am Politecnico di Milano) für die Unterstützung der Experimentelle Aktivität und die Datenanalyse. Die Autoren danken Prof. Roger Nokes (Universität Canterbury, Christchurch, Neuseeland) für die Bereitstellung der STreams software und ständige beratung Schließlich danken die Autoren dem JoVE-Redakteur und drei anonymen Rezensenten für ihre nachdenkenden Kommentare und Anregungen, dank derer das Manuskript deutlich verbessert werden konnte.

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Das Entwerfen eines Bed-Load-Transport-Experiments mit Partikel-Visualisierung umfasst mehrere Schritte, einschließlich der Auswahl einer experimentellen Konfiguration und Hardware-Tools, Durchflussmessung, Partikel-Seeding und Visualisierung und Bildanalyse. Variationen bei jedem Schritt haben Vor- und Nachteile. Die Schlüsselmerkmale des in diesem Manuskript dargestellten Protokolls sind: (i) Verwenden eines Druckflusses und eines festen rauhen Betts, (ii) Aussäen einer geringen Anzahl von Bettbelastungspartikeln mit einer kontrastierenden Farbe auf die Festbettfarbe, (iii) Mit natürlichem Licht und (iv) mit mehreren Kameras, um unabhängige Track-Sets zu erhalten, um miteinander verbunden zu werden. Die experimentelle Methode und die Datenverarbeitung ermöglichen es, die Bettlastpartikel für die Endmessung zuverlässig zu verfolgen. Die überdachte Strömung garantiert eine optimale Sicht der bewegten Teilchen. Das Festbett verhindert jedoch die Beobachtung einiger Prozesse ( zB die mit vertica verbundenen<html> L Verschiebungen von Sedimentteilchen innerhalb der aktiven Bettbelastungsschicht) und begrenzt somit die Anwendbarkeit der Technik auf schwache Bettbelastungen. Die Größe der Datenproben, die mit nur 100 s Film erhalten wurden, war relativ klein. Jedoch kann die Probengröße leicht erhöht werden, indem die experimentelle Dauer der Bilderfassung und -verarbeitung verlängert wird. Das Füttern einer begrenzten Anzahl von Teilchen erfordert eine längere experimentelle Zeit als die Fütterung mit einer wesentlich höheren Rate; Aber es lohnt sich die Mühe wegen einer relativ einfachen Partikelverfolgung aufgrund der geringen Konzentration von Partikeln in Bewegung und der Verwendung von verschiedenen Farben, die beide die Wahrscheinlichkeit der Verfolgung von Fehlern reduzieren. Die Verwendung von natürlichem Licht im Experiment vermeidet die Notwendigkeit von Beleuchtungseinrichtungen; Allerdings ist ein Nachteil, dass eine gute Beleuchtung von den Wetterbedingungen abhängt. Die CFDs der Partikel-Hop-Länge und Dauer, die inG &quot;&gt; Abbildung 4 zeigt die niedrigsten Werte als die häufigsten Die größten Messwerte der Hop-Länge und Dauer waren etwa 600 mm bzw. 7 s. Dies war im Vergleich zu analogen Werten aus der Literatur 4 , 16 , 30 deutlich größer , Da die Messung längerer Spuren das Risiko eines langen Partikel-Hops ausmacht, ist der Vorteil der Verwendung von zwei Kameras offensichtlich, wenn man bedenkt, dass eine einzelne Kamera eine Fokusbereichslänge von etwa 850 mm hatte, was nicht viel größer wäre als die zu messenden Hop-Längenwerte. Das Messprotokoll mit zwei Kameras stellte stattdessen eine zufriedenstellende Trennung zwischen den Längenskalen des Prozesses und denen des Messfeldes sicher und verringerte so das Risiko, die phänomenologischen Ergebnisse durch experimentelle Einschränkungen vorzuspannen. Außerdem kann der Fokusbereich zusätzlich verlängert werden Erhöhung der Anzahl der Kameras, die entlang der Rinne platziert werden. Ein alternatives Verfahren gegenüber dem hier beschriebenen Protokoll besteht darin, überlappende Bilder vor der Partikelidentifizierung und -verfolgung zu erzeugen. Unser Protokoll (zweimaliges Durchführen der Spurverfolgung und Verknüpfen von Partikelspuren) wurde bevorzugt, da die Bildmischungsmethode die Größe der Datendateien verdoppelt hätte, was einen Speicherverbrauch erforderte, der nicht erschwinglich war. Bei den hier beschriebenen Verarbeitungsalgorithmen wurden mehrere Partikelspuren, die kürzer waren als die Länge des Überlappungsbereichs, verworfen, weil sie eine vollständige Rekonstruktion der Sedimentspuren verhinderten. Jedoch war die Schwellenlänge von 120 mm um eine Größenordnung kürzer als die Spurlängen, die erhalten werden konnten, und der Verlust dieser Daten war daher akzeptabel. Darüber hinaus würde die Spurverbindung, die in den unteren 8 Fällen von Fig. 1 gesehen wird , nicht eine signifikante Erhöhung der Spurlänge ermöglichen, die erhalten werden soll. Auf der anderen Seite könnten diese Situationen helfenBei der Abfrage von langen Spuren, wie die Situation in Abbildung 5 , die aufgrund von Unterbrechungen auftreten könnte. In einem ähnlichen Fall konnte eine lange Spur durch iterative Fügevorgänge rekonstruiert werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Spurunterbrechungen wie die in Abbildung 5 eindeutig mit dem Tracking-Prozess und nicht mit dem Fügeprozess zusammenhängen. Dieses Manuskript präsentierte Proof-of-Concept-Ergebnisse für ein einziges Experiment, um die Fähigkeiten des angenommenen Protokolls zu demonstrieren. In zukünftigen Experimenten wird das Protokoll auf eine Reihe unterschiedlicher hydrodynamischer Bedingungen angewendet, um eine detaillierte Analyse des Bettlade-Sediment-Transportprozesses zu erreichen. <img alt="Abbildung 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig5.jpg" /> Abbildung 5: Eine Situation der Spur in Gegenwart von Unterbrechungen. </Stark&gt; Die Verknüpfung dieser Spuren in eine einzelne Spur ist mit dem hier beschriebenen Protokoll nicht möglich. Wie in der Beschriftung von Fig. 1 und in Schritt 8.4 des Protokolls erwähnt, sind die Spuren, die kürzer als die Länge des überlappenden Bereichs sind, ausgeschlossen. Dadurch werden die kurzen roten und grünen Spuren eliminiert. Daher können die verbleibenden langen nicht verbunden werden, weil sie keinen gemeinsamen Punkt haben. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Seit Pionierarbeiten vor einigen Jahrzehnten 1 , 2 wurde die Nutzung der Bildanalyse für das Studium des Fluss-Sedimenttransports stetig erhöht. Diese Technik bewies in der Tat ihre Fähigkeit, relativ hochauflösende und kostengünstige Daten für detaillierte Analysen der physikalischen Phänomene 3 , 4 , 5 zur Verfügung zu stellen . Mit der Zeit wurden signifikante Verbesserungen für Hardware- und Software-Tools erzielt. Die Messung des Sedimenttransports kann unter Verwendung eines Eulerian-Ansatzes durchgeführt werden, der auf die Messung von Sedimentflüssen abzielt, oder ein Lagranger, der darauf abzielt, Trajektorien einzelner Körner zu messen, während sie sich bewegen. Die Bildverarbeitung bietet im Vergleich zu anderen Eulerian Methoden 6 , 7 einzigartige Möglichkeiten zur Partikelverfolgung. Aber dasDiese Potenziale, die Anwendung der Bildanalyse auf den Bettbelastungs-Sedimenttransport, leidet unter einigen kritischen experimentellen Einschränkungen, in Bezug auf räumliche / zeitliche Unterstützungsskalen für die Messung und Größe der Datenproben. Beispielsweise ist es schwierig, gleichzeitig eine geeignete Kombination aus einem großen räumlichen Bereich, einer langen Dauer eines Experiments und einer hohen Messfrequenz 3 , 4 , 8 zu erreichen , ohne die Qualität und Datenmenge zu beeinträchtigen. Darüber hinaus kann die Partikelverfolgung manuell 2 , 4 durchgeführt werden , was eine große menschliche Anstrengung erfordert, oder automatisch 3 , 8 mit der Möglichkeit, Fehler zu verfolgen, die durch die Software für die Analyse verwendet werden. Dieses Papier stellt ein Protokoll für die experimentelle Untersuchung von Bett-Last-Sediment trAnsport, wo lange Dauer durch die verwendete kamera erreicht wurde, wurde durch die gleichzeitige anwendung von zwei kameras an verschiedenen standorten ein hohes sichtfeld erreicht und eine zuverlässige automatische verarbeitung wurde durch ad hoc experimentelle bedingungen ermöglicht. Die experimentelle Operation wurde entworfen und die Bearbeitungswerkzeuge wurden auf der Grundlage der von den Autoren erworbenen Erfahrungen in mehreren Forschungsarbeiten ausgewählt, die sich mit der detaillierten Untersuchung des Sedimenttransports nach den Bildmethoden 3 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 befassten , 17 , 18 Es wurde ein Sedimenttransport-Experiment beschrieben, das durchgeführt wurdeEs über ein festes, raues Bett. Die Partikelzuführung war viel geringer als die Transportkapazität der Strömung, um eine geringe Konzentration an bewegten Körnern aufrechtzuerhalten, wodurch die Überlastung der Partikel nachverfolgt wurde. Weiterhin bewegten sich die transportierten Teilchen nicht kontinuierlich, sondern es wurde eine intermittierende Bewegung beobachtet. Die Verwendung eines Festbettes anstatt eines beweglichen ist ein Verlust der Ähnlichkeit mit den natürlichen Bedingungen. Allerdings wurde ein Festbett häufig in Sedimenttransportexperimenten 19 , 20 , 21 unter der Annahme verwendet, dass die Ergebnisse einfacher und erläuternder sind als diejenigen aus komplizierten Szenarien mit einer Vielzahl von handelnden Prozessen. Die Verwendung eines Festbettes verhindert offensichtlich, dass Prozesse der Sedimentbeerdigung und des Wiederauftretens beobachtet werden. Andererseits findet in Gegenwart einer schwachen Bettbelastung der Sedimenttransport in einer oberflächlichen Schicht eines losen Betts statt, und in diesem Fall,Die Verwendung eines Festbettes kann ausreichend sein. Tatsächlich zeigten spezifische Vergleiche zwischen den Eigenschaften der Teilchenbewegung in Versuchen mit den beiden Bedingungen keine signifikanten Unterschiede 3 , 14 . Schließlich wurde das hier vorgestellte Experiment mit einer Druckströmung durchgeführt, um eine optimale Voraussetzung für die Partikelvisualisierung durch eine transparente Abdeckung zu gewährleisten. Der Sedimenttransport mit einer unter Druck stehenden Strömung wurde experimentell in Forschungsprototypen von eisbedeckten Flüssen untersucht, was zeigt, dass die Wechselwirkung zwischen der Nahbett-Grenzschicht und dem Sediment analog zu der der offenen Kanalströmung 22 , 23 ist . In den folgenden Abschnitten werden alle Methoden skizziert und einige repräsentative Ergebnisse bereitgestellt.

<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

Die Bildanalyse wurde zunehmend für die Messung der Flussströme genutzt, da es in der Lage ist, detaillierte quantitative Darstellungen zu relativ geringen Kosten zu liefern. Dieses Manuskript beschreibt eine Anwendung der Partikel-Tracking-Velocimetrie (PTV) auf ein Bett-Load-Experiment mit leichtem Sediment. Die Hauptmerkmale der untersuchten Sedimenttransportbedingungen waren das Vorhandensein einer abgedeckten Strömung und eines festen rauhen Betts, über dem Partikel in begrenzter Anzahl am Rinneneinlass freigesetzt wurden. Unter den angewandten Strömungsverhältnissen war die Bewegung der einzelnen Bettlastpartikel intermittierend, mit wechselnden Bewegungs- und Stillebedingungen. Das Strömungsmuster wurde vorläufig durch akustische Messungen von senkrechten Profilen der stromweisen Geschwindigkeit charakterisiert. Während der Prozessvisualisierung wurde ein großes Sichtfeld mit zwei Aktionskameras, die an verschiedenen Stellen entlang der Rinne platziert wurden, erhalten. Das experimentelle Protokoll wird in Form von Chan beschriebenNel-Kalibrierung, Experiment-Realisierung, Bildvorverarbeitung, automatische Partikel-Tracking und Nachbearbeitung von Partikel-Track-Daten aus den beiden Kameras. Die dargestellten Proof-of-Concept-Ergebnisse beinhalten Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Partikel-Hop-Länge und -Dauer. Die Errungenschaften dieser Arbeit werden mit denen der vorhandenen Literatur verglichen, um die Gültigkeit des Protokolls zu demonstrieren.

Die in diesem Abschnitt dargestellten Ergebnisse sind für ein Experiment, bei dem die Rinnensteigung auf Null gesetzt wurde (Steigungswerte wurden mit ± 0,05% Genauigkeit berechnet). Das verwendete Sediment wurde aus PBT-Partikeln hergestellt, die quasi-sphärisch waren, mit einer Größe d = 3 mm und einer Dichte ρ p = 1,270 kg / m 3 . Das Experiment wurde mit einer Durchflussrate Q = 9,7 × 10 -3 m 3 / s durchgeführt, was zu einer Schüttgeschwindigkeit U = 0,31 m / s führte. Für die Geschwindigkeitsmessungen mit dem UVP wurde eine 2 MHz Sonde bei 81 ° Neigung verwendet. Die Geschwindigkeitsdaten wurden bei 20 Hz für 250 s erfasst. Ein repräsentatives Geschwindigkeitsprofil ist in Fig. 2 dargestellt . Es wurde an der Kanalachse und bei 4,5 m vom Rinneneinlauf genommen, wo die Strömung vollständig entwickelt war. Einige Werte im Zusammenhang mit ungültigen Höhenmessungen wurden entfernt. Ein asymmetrischC-Profil resultiert aus der unterschiedlichen Rauheit des Kunststoffdeckels und des Sedimentbettes. Die Diagramme zeigen auch den Teil des Profils, der für die Schätzung der Schergeschwindigkeit verwendet wird, wobei u s = 25,9 ± 1,3 mm / s erhalten wird. Die Teilchen-Reynolds-Zahl ( Re p = u s × d / ν , mit ν als kinematische Viskosität von Wasser) war daher gleich 78, was auf ein Übergangs-Grob-Regime hinweist. Die Visualisierung des Sedimenttransports wurde mit zwei Kameras durchgeführt, die auf 3,5 m und 4,3 m vom Rinneneinlass platziert wurden. Die Kameras arbeiteten mit einer Frequenz von 30 fps und einer Auflösung von 1.920 x 1.080 Pixeln. Der Faktor für die Korrektur der Bildverzerrung betrug k = 0,6. Nach dem Entfernen der Verzerrung betrug die Bildkalibrierung 1 Pixel = 0,5 mm. Die Länge der Überlappung betrug von 760,15 bis 880,11 mm (wobei letzteres die Länge des Fokusbereichs der Tanne warEine Kamera von der vorgeschalteten Kante). Die Schwellenintensität für die Partikelidentifizierung wurde auf 80 eingestellt, und die erwartete Blobgröße reichte von 0,5 bis 8 mm. Das Suchfenster für die Partikelverfolgung war wie folgt: 1 mm stromaufwärts und 7 mm stromabwärts, 4 mm seitlich. Das Suchfenster zur Wiederverbindung der unterbrochenen Schienen war wie folgt: 1 mm stromaufwärts und 31 mm stromabwärts, 16 mm seitlich entlang 4 folgenden Rahmen. Der Schwellenwert der Quadratwurzel der mittleren quadrierten Differenz von x- und y- Werten zwischen zwei zu verbindenden Spuren wurde auf 10 mm eingestellt. Die Teilchenspuren, die unter Verwendung einer Untermenge von 3.000 Bildern von jeder Kamera (entsprechend 100 s Dauer) gemessen wurden, sind in 3 dargestellt . Die Datenbank verzeichnete 37 und 34 Tracks von der Upstream- und Downstream-Kamera. Eine Überlappung der von den beiden Kameras erhaltenen Spuren wird zuerst vorgeschlagen und dann der resultierende volle Satz von tRacks angezeigt wird. Es ist offensichtlich, dass die Überlappung im mittleren Teil des Messbereichs zufriedenstellend war. 12 Links wurden am Ende 59 Spuren erhalten. Die längste Strecke überspannte das gesamte Beobachtungsfenster mit einer Gesamtlänge von ca. 1,6 m (mehr als 530 Teilchengrößen, 15,2 Fließtiefen oder 5,3 Flammenbreiten), was im Vergleich zu anderen Literaturstudien sehr groß ist, wo ähnliche Analysen durchgeführt wurden 3 , 4 , 5 , 8 Mit einem Lagrange-Rahmen werden hier die Schlüsselindikatoren der Partikelkinematik in Form von Partikel-Hopfen angewendet. Unter einem intermittierenden Bettlader-Transport wie der in diesem Experiment sind diese Hopfen Bewegungen, die durch Ruhezeiten getrennt sind. Um Hopfen innerhalb einer vollen Spur für ein einzelnes Teilchen zu erkennen, ist die Identifizierung der Teilchenbewegung und der StilleEin notwendiger vorbereitender Schritt In dieser Arbeit haben wir ein Kriterium 30 angewendet, das ein Teilchen in Bewegung zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachtet, wenn seine x- Position zu diesem Zeitpunkt größer ist als alle vorherigen und niedriger als alle folgenden. Eine Gesamtzahl von 98 Hops wurde aus den 59 gemessenen Partikelspuren erhalten. Fig. 4 zeigt die erhaltene kumulative Frequenzverteilung (CFD) für die Hop-Länge und Dauer. <img alt="Figur 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig2.jpg" /> Abbildung 2: Messgeschwindigkeitsprofil. (Top) Das zeitlich gemittelte vertikale Profil der stromlinienförmigen Geschwindigkeitskomponente. (Unten) Die Schätzung der Schergeschwindigkeit durch Anpassen einer logarithmischen Gleichung an den unteren Teil des Profils. Beachten Sie, dass eine vertikale Achse, die von der Oberseite des Kanals ausgeht und nach unten gerichtet ist, in der ersten Handlung verwendet wird<html> Das Ergebnis aus der Messung mit dem UVP. Eine Achse von dem Kanalboden und nach oben gerichtet wird stattdessen in der zweiten Kurve verwendet, wie es erforderlich ist, um die Schergeschwindigkeit durch Gleichungsanpassung zu schätzen. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55874/55874fig3.jpg" /> Abbildung 3: Planansicht der gemessenen Partikelspuren. (Top) Die Tracks von den beiden Kameras (Upstream-Kamera in Rot und Downstream in Schwarz). (Unten) Die Probe der verbundenen Spuren (Farbe ändern für Klarheit und einige Spuren, die durch eine dickere Linie hervorgehoben werden). <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 4 &quot;class =&quot; xfigimg &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 55874 / 55874fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4: Kumulative Frequenzverteilung (CFD) der Hop-Länge (Top) und Duration (Bottom). Innerhalb jeder Spur von Fig. 3 wurde das Teilchen zu jedem Zeitpunkt markiert, um zu repräsentieren, ob das Teilchen in Bewegung war oder in diesem Augenblick in Ruhe war. Partikel-Hopfen wurden dann aus den Spuren als Portionen zwischen Partikel-Mitnahme (Übergang von Stille zu Bewegung) und Disentrainment (Übergang von Bewegung zu Stille) extrahiert. Die für Hop-Längen und -Dauern erhaltenen Proben wurden verwendet, um die hier dargestellten Verteilungen zu erstellen. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/55874fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Ergänzende Code-Dateien: join_cameras.m <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55874/join_cameras.m">Bitte</a>Klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Das Manuskript stellt ein Protokoll für die Leitung von Bett-Last-Sediment-Transport-Experimenten dar, bei denen die bewegten Partikel durch Bildanalyse verfolgt werden. Die experimentelle Einrichtung, die Vorgehensweisen für die Durchführung der Realisierung und die Datenverarbeitung und schließlich werden hier einige Proof-of-Concept-Ergebnisse vorgestellt.

Bildbasierte Lagrange-Partikel-Tracking in Bettlasten-Experimenten

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

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8.9K Aufrufe.  Politecnico di Milano.  Das Manuskript stellt ein Protokoll für die Leitung von Bett-Last-Sediment-Transport-Experimenten dar, bei denen die bewegten Partikel durch Bildanalyse verfolgt werden. Die experimentelle Einrichtung, die Vorgehensweisen für die Durchführung der Realisierung und die Datenverarbeitung und schließlich werden hier einige Proof-of-Concept-Ergebnisse vorgestellt. 

Serie: 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.

Die konfokale Bildgebung von Enge und Ruhe Fließende Kolloid-Polymer-Mischungen

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

Forschung

Chemie

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.

Visualisierung wortlich Übermittlung über bedforms Mit Dye Experimente und Simulation

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

Ingenieurwesen

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.

Dreidimensionale Particle Tracking Velocimetry für Turbulence Anwendungen: Fall eines Jet Fluss

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.

Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

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.

Methoden zur Charakterisierung des Co-Entwicklung von Biofilm und Habitat Heterogenität

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

Biotechnik

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.

Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen

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.

Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

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.

In-situ-Mapping der mechanischen Eigenschaften von Biofilmen durch Partikel-Tracking Mikrorheologie

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.

Steuerung der Durchflussgeschwindigkeiten von Mikrotubuli-basierten 3D-Aktivflüssigkeiten mithilfe der Temperatur

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.

Ein Protokoll für Echtzeit-3D Einzelkorn-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 ...