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
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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. software di simulazione <ol><li> Utilizzare il software descritto in questa sezione. <ol><li> Scaricare e installare il multi-agente open-source linguaggio libero / modellazione e piattaforma di simulazione, NetLogo (Disponibile: <a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/,</a> versione 5.1 o successiva). Nota: Questo software è disponibile a costo zero e funziona su tutti i principali sistemi operativi (Windows / Mac / Linux). </li><li> Scaricare i due file specifici di script simulazione (mousedrop.nlogo e interface.nlogo) che accompagnano questa procedura di laboratorio. (Available: <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4259</a> and <a href="http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258">http://modelingcommons.org/browse/one_model/4258</a> ) Nota: Una volta che la piattaforma di simulazione è installato e questi file sono stati scaricati, facendo doppio clic su questi file si apre automaticamente tegli simulazioni fino, pronto per essere eseguito. </li></ol></li></ol> 2. Flume Dimostrazione <ol><li> Impostare il canale artificiale in laboratorio in modo che tutti i parametri (Tabella 1) rientrano nei limiti della gamma di parametri di simulazione mousedrop. Nota: I vincoli possono essere regolati in mousedrop, se richiesto per il sistema fisico modificando i cursori. <ol><li> Versare uno strato di circa 15-25 cm di sabbia nel canale artificiale. Misurare e registrare la conduttività idraulica e porosità della sabbia seguenti metodi standard 32,33. </li><li> Riempire il canale artificiale con circa 20-30 cm di acqua. </li><li> Avviare il canale e aumentare la portata ad un livello che è abbastanza veloce per spostare granelli di sabbia e quindi creare bedforms. Nota: La portata può essere ulteriormente regolata per raffinare caratteristiche bedform con la pratica. Dimensioni Bedform sono il risultato di portata, la profondità dell&#39;acqua e le proprietà di sabbia. </li><li> Consentire bedforms per sviluppare foR 12-24 ore per formare duna naturale / morfologia ondulazione. Per accelerare questo processo, manualmente forma dune regolari, e quindi consentire il trasporto di sedimenti per 4-12 ore. In alternativa, formare manualmente regolari dune triangolari. Nota: Dune triangolari regolari produrranno schemi regolari di scambio iporreica, ma non mostrare la maggior complessità duna naturale / bedforms increspatura. </li><li> Una volta che i bedforms desiderati siano raggiunti, ridurre la portata d&#39;acqua fino a letto sedimenti rallenta di trasporto e le caratteristiche bedform smettere di cambiare. <ol><li> Osservare visivamente il movimento di granelli di sedimento che comprende il letto, e ridurre il flusso fino a quando il movimento cessa. Nota: Ciò manterrà la morfologia letto per la durata dell&#39;esperimento. </li><li> Per confermare che lento, movimento episodica non è in corso, posizioni dei contrassegni o fotografia bedform e poi osservare in un secondo momento. Nota: È importante solo che bedforms non si muovono in maniera significativa nell&#39;intervallo di tempo dell&#39;esperimento, in modo che fornisceun tempo di osservazione sufficiente per confermare che bedforms sono stabili. </li></ol></li><li> Regolare pista canale artificiale e / o la profondità d&#39;acqua per ottenere un flusso uniforme sotto la portata ridotta. <ol><li> Controllo pendenza del canale attraverso apparecchiature costruito nel canale artificiale, di solito uno spinotto di motore o una manovella. Regolare la profondità dell&#39;acqua aggiungendo o rimuovendo l&#39;acqua dal canale artificiale. Nota: Nella configurazione sperimentale usata qui, l&#39;intero canale artificiale è montato su un perno sulla estremità a valle, e la pendenza è impostato da un martinetto motorizzato all&#39;estremità a monte. </li><li> Mentre la pompa è in funzione, selezionare due sedi longitudinali segnati con linee perpendicolari al fondo della canaletta. A queste posizioni, usare un righello per misurare la distanza lungo queste linee perpendicolari, tra la superficie dell&#39;acqua e la parte inferiore del canale artificiale. Nota: A seconda della configurazione canala, il fondo della canaletta può servire come linea di riferimento più inclinato rispetto al fondo della canaletta. Selezione di un lardistanza longitudinale ger produrrà una maggiore precisione. </li><li> Regolare la pendenza del canale e / o la profondità dell&#39;acqua e rimisurare finché le misure di distanza verticali sono uguali per ottenere un flusso uniforme. Misurare la distanza orizzontale inclinato lungo il fondo della canaletta tra queste due posizioni longitudinali. </li></ol></li><li> Fermare la pompa e aspettare che l&#39;acqua di smettere di muoversi; questo fornirà una superficie piana. Re-misurare la distanza tra la parte superiore del canale e la superficie dell&#39;acqua in ogni posizione longitudinale. Nota: La pendenza canale è uguale alla differenza tra queste misurazioni, divisa per la distanza orizzontale tra loro inclinate. </li><li> Riavviare la pompa. </li><li> Selezionare una sezione di prova, che dovrebbe essere un luogo vicino alla fine metà o a valle del canale artificiale dove le dune hanno formato uno schema regolare. Assicurarsi che questa sezione comprende almeno una bedform pieno. </li><li> Misurare e registrare la profondità dei sedimenti media (D) in thsezione di prova e con qualsiasi escogitare misura mano (trasparenti righelli sono l&#39;ideale). Per semplicità, utilizzare la distanza media di una cresta e di valle in fondo canale artificiale. </li><li> Misurare e registrare l&#39;altezza bedform media nella sezione di prova, definito come la differenza tra la profondità sedimento una cresta e la profondità sedimenti in un trogolo con un righello. Misura diversi bedforms per ottenere una buona stima della media. </li><li> Anche in questo caso utilizzando il righello, misura e registra la profondità media d&#39;acqua (d) nella sezione di prova, definito come la distanza media dalla superficie dell&#39;acqua al letto di sabbia. Anche in questo caso, utilizzare la profondità media acqua a creste dunali e bassi per la semplicità. </li><li> Registrare la portata del canale (Q) dal flussometro, e calcolare la velocità media come Q / (d * w), dove w è la larghezza del canale e d è la profondità dell&#39;acqua. Nota: La nostra flussometro viene inserito nel circuito di ricircolo della canaletta. </li><li> Misurae registrare la lunghezza d&#39;onda media bedform nella sezione di prova. Tipicamente, misurare la lunghezza d&#39;onda come la distanza tra le creste dunali successive. </li><li> Aprire la simulazione Mousedrop (nella piattaforma NetLogo) e controllare che tutte le misurazioni sono entro gli intervalli variabili specificate nell&#39;interfaccia utente simulazione. Se un parametro misurato non rientra nel campo di vincolo, regolare la gamma di parametri di simulazione facendo clic destro sul parametro &quot;slider&quot;, selezionando &quot;Modifica&quot;, e regolando i valori min / max. </li></ol></li><li> Visualizza scambio iporreico. <ol><li> Impostare la fotocamera in una posizione fissa (preferibilmente su un treppiede) indicate ortogonalmente alla parete canale artificiale con un unico bedform nella sezione di prova al centro del quadro. Nota: Questo permetterà di evitare problemi di prospettiva obliqua. </li><li> Scattare una foto di prova per verificare le condizioni. Regolare l&#39;illuminazione se i riflessi sono un problema. </li><li> Usando la siringa e l&#39;ago, fare 2-3 piccolo colorante injections vicino alla parete canale artificiale. Assicurarsi che queste iniezioni formano ~ bollini circolari 2 cm di porewater colorate in una varietà di posizioni verticali e orizzontali. Fare attenzione per ridurre al minimo il disturbo per il letto di sabbia durante l&#39;iniezione. Nota: Iniezioni di piccoli volumi di tintura permettono all&#39;utente vedere più dettagli e visualizzare i percorsi del flusso individuali. </li><li> Registrare l&#39;ora di inizio delle iniezioni di colorante e prendere una immagine iniziale. Opzionale: Può essere educativo rintracciare i fronti tintura iniziali con i marcatori su carta trasparente, in modo che il movimento colorante è facilmente osservabile in laboratorio, ma questi contorni anche bloccare piccole porzioni di fronti colorante in immagini, per cui vi è un trade- off. </li><li> Cattura le posizioni colorante anteriori a intervalli di tempo adeguati. Per lasso di tempo fotografia, utilizzare intervalli di 30 secondi per dare i risultati regolari. </li></ol></li></ol> 3. Simulazione <ol><li> Esegui Simulazione 1: Mousedrop e confrontarlo con il trasporto tintura osservato.<ol><li> Aprire lo script di simulazione denominato Mousedrop.nlogo. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig2.jpg" width="600" /> Figura 2. Mousedrop. Questo mostra dove traccianti sono a 7 diverse istanze nel tempo. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53285/53285fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> </li><li> Regolare i parametri di sistema fisiche indicate nella Tabella 1 in base alle condizioni sperimentali flume (in particolare: Lambda, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, di porosità, ChannelVelocity, profondità, e Slope). Assicurati di prestare particolare attenzione alle unità per i parametri di input. </li><li> Regolare i cursori time1, TIME2, ecc per indicare tempi in cui il colore di simulazione di monitoraggio cambierà. Impostare questi cambiamenti di colore per abbinare tempi di osservazione, al fine di facilitare il confronto dei risultati della simulazione con le osservazioni. Nota: Se i parametri di tempo sono tutti impostati a 0, la simulazione mostrerà un singolo colore in tutto. </li><li> Dopo che tutti i parametri sono impostati, fare clic sul pulsante di impostazione. Nota: Il bedform dovrebbe apparire nella visualizzazione simulazione. </li><li> Fare clic sul pulsante del mouse-drop per indicare la posizione di partenza di traccianti virtuali. Si noti che più posizioni nel letto può essere cliccato. Tenere il mouse verso il basso per rilasciare tracciante più virtuale. Durante la simulazione movimento tintura, utilizzare il mouse per tracciare o fronti colorante (il confine intorno il colorante) o compilate il pieno area della regione tinto. Nota: L&#39;introduzione di più tracciante virtuale farà sì che la simulazione di eseguire più lentamente. I migliori risultati visivi varieranno con le prestazioni del computer. </li><li> Una volta che tutti i traccianti virtuali sono state collocate, è possibile fare clic sul pulsante di avanzamento per la prossima volta, che inizierà la simulazione e poi fermarlo a la prima volta oppure è possibile fare clic sul pulsante Vai / stop per iniziare la simulzione a tempo indeterminato. Non riutilizzare fare clic sul pulsante di impostazione, o dei rivelatori dovranno essere immessi di nuovo. Nota: Una volta che la simulazione inizia a funzionare, la velocità viene calcolata per la posizione di ciascun tracciante basato su parametri di simulazione nelle equazioni 4 e 5. I traccianti si muove secondo il campo di velocità per 100 secondi simulate e poi la velocità nella nuova posizione viene calcolata e la procedura viene ripetuta finché il tracciante lascia il sistema. </li><li> Facoltativamente, fare clic sul pulsante / stop andare più volte per mettere in pausa / continuare la simulazione. Confrontare le distribuzioni tintura simulati e misurati in diversi punti nel tempo. </li></ol></li><li> Simulazione Run 2: Interfaccia. <ol><li> Aprire lo script dal titolo Interface. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig3.jpg" width="600" /> Figura 3. Interfaccia. Questo dimostra 370 traccianti che attraversano il sottosuolo tramite la simulazione di interfaccia. Il pa traccianteTHS mostrano dove ogni tracciante è stato da quando è stato avviato a livello di interfaccia superficie dell&#39;acqua-sottosuolo. Alla fine tutti i percorsi di flusso dovrebbero tornare in acque di superficie. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53285/53285fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Nota: Questo script introduce traccianti virtuali sulla superficie alveo in modo flusso ponderato in base a velocità sottosuolo calcolati. Ciò fornisce una rappresentazione visiva delle relative quantità di acqua che scorre in (e fuori) alveo in luoghi diversi. </li><li> Iniziate cliccando impostazione seguita da go / stop. Nota: Questo farà eseguire la simulazione con le impostazioni predefinite. Lo switch re-goccia? È inizialmente impostato su off, quindi la distribuzione cumulativa tempo di permanenza verrà tracciata col passare del tempo. </li><li> Dopo aver osservato la simulazione con i parametri di default, fare clic su go / stop per interrompere la simulazione. </li><li&gt; Modifica uno o più parametri e quindi fare clic su configurazione seguita da go / stop. Nota: Questa operazione riavvierà la simulazione con i parametri che sono stati selezionati. </li></ol></li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

In concomitanza, le simulazioni di dimostrazione e di monitoraggio delle particelle flume forniscono una completa introduzione al flusso iporreico per una gamma di pubblico. I partecipanti di tutti i livelli sono previste prove visive per il verificarsi di scambio iporreico indotta da bedforms, e la forte variabilità dei percorsi di flusso sotterraneo sotto bedforms. Queste procedure possono essere utilizzate come una semplice dimostrazione del flusso porewater per laureandi o K-12 studenti, oppure può essere utilizza...

Come acque superficiali si muove in un torrente, fiume o zona di marea crea sfumature di testa che guidano l&#39;acqua dentro e fuori dei sedimenti 1. Nei sistemi fluviali porzione dei sedimenti alveo in cui si verifica questo scambio è nota come zona di 2,3 iporreico. Questa zona è importante perché molte sostanze nutritive e inquinanti sono memorizzati, depositati, o trasformati all&#39;interno della zona iporreico 4-9. La quantità di tempo trascorre un tracciante nel sedimento è chiamato un tempo di permanenza. Entrambi i tempi di permanenza e le posizioni dei percorsi di flusso influenzano i processi di trasformazione. È necessaria una migliore comprensione dei processi che interessano il flusso attraverso il sedimento di prevedere il trasporto soluto in fiumi e affrontare grandi problemi ambientali derivanti dalla propagazione di materiali come nutrienti (ad esempio, ipossia costiera 10,11). Nonostante l&#39;importanza dello scambio iporreico, spesso non è descritta nei corsi di laurea in idrologia,meccanica dei fluidi, idraulica, ecc educatori che desiderano aggiungere scambio iporreico ai loro corsi potrebbero trovare utile avere visualizzazioni sperimentali e numerici che mostrano chiaramente questo processo. Sinuosità flusso di canale, livelli delle acque sotterranee circostanti, e la topografia alveo (cioè, bar, bedforms e tumuli biogene) tutti influenzano scambio iporreico a vari livelli 12-17. Questo studio si è concentrato su bedforms, come le dune e increspature, che di solito sono le caratteristiche geomorfologiche chiave che influenzano il flusso iporreico 14,15. Abbiamo creato un esperimento di simulazione numerica e di laboratorio di visualizzare il flusso attraverso una serie regolare di bedforms. Questa simulazione si basa su un corpo di precedenti ricerche relative percorsi di flusso iporreico caratteristiche del sistema per facilmente osservabili 15,18-21. Dato che questa ricerca costituisce la base scientifica per la simulazione, un breve riassunto degli aspetti fondamentali della teoria segue. Bedform topografia, T (x),è dato da: Equazione 1: <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq1.jpg" /> dove H è due volte l&#39;ampiezza del bedform, k è il numero d&#39;onda, ed x è la dimensione longitudinale parallelo alla superficie media alveo. Un esempio di questo bedform topografia è mostrato in Figura 1. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig1.jpg" /> Figura 1. definizioni e le impostazioni dei parametri controllati dall&#39;utente. In interfaccia, particelle traccianti vengono rilasciati in modo flusso ponderato al / all&#39;interfaccia sedimento acqua e monitorati attraverso il sedimento. Se show-sentieri? È &quot;On&quot; il marchio traccianti d&#39;acqua dove sono stati, mostrando i loro percorsi. Quando un tracciante torna in acque di superficie, questo cambia tegli numero totale dei traccianti nel sistema, quando ri-drop? è impostata su &quot;off&quot;. La trama distribuzione del tempo di residenza progressivo registra questa modifica tracciando il rapporto del numero di rivelatori rimanenti nel letto sedimenti al numero iniziale in funzione del tempo. Se ri-drop? È &quot;on&quot; allora traccianti che lasciano il sistema vengono sostituiti nello stesso modo di flusso ponderato particelle originali, e la trama cumulativo non è attivato. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53285/53285fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Nome Parametro </td><td> Unità </td><td colspan="3"> Definizione </td><td> Interfaccia </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Lambda (λ) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Lunghezza d&#39;onda di bedform (vedi Figura 1) &lt;/ td&gt; <td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedformHeight (H) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Due volte l&#39;ampiezza bedform (vedi Figura 1) </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedDepth (D) </td><td> cm </td><td colspan="3"> Profondità dei sedimenti (vedi Figura 1) </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> HydrCond (K) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Conducibilità idraulica </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Porosità (θ) </td><td></td><td colspan="3"> Porosità </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ChannelVelocity (U) </td><td> cm / s </td><td colspan="3"> Velocità media in acque di superficie o il canale </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Profondità (d) </td><td> cm </td><td colspan="3"> La profondità dell&#39;acqua (vedi Figura 1) </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Pendenza (S) </td><td></td><td colspan="3"> Pendenza dei bedforms e la superficie dell&#39;acqua </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td&gt; <img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> NumParticles </td><td></td><td colspan="3"> Il numero di particelle rilasciate nel sistema. </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> Timex (Tempo1, Time2 ..) </td><td> min </td><td colspan="3"> Momento in cui si verifica ogni cambio di colore </td><td></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Pulsanti di simulazione </td><td></td><td colspan="3"> Definizione </td><td> Interfaccia </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> Impostare </td><td></td><td colspan="3"> Impostare di la simulazione con parametri che figurano </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> go / stop </td><td></td><td colspan="3"> Avvia e arresta la simulazione </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Passo </td><td></td><td colspan="3"> Cliccando passaggio causa unico passaggio per passare. Questo permette agli utenti di rallentare il codice e vedere esattamente ciò che accade in 100 sec. </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> percorsi chiari </td><td></td><td colspan="3"> Cancella tutti lui i percorsi di particelle blu dallo schermo </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Anticipo per la prossima volta </td><td></td><td colspan="3"> Questo fa sì che il programma da eseguire fino al successivo cambio di colore (Timex)</td><td></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> Mouse-drop </td><td></td><td colspan="3"> Questo tasto deve essere cliccato prima le particelle possono essere immessi nel sottosuolo cliccando su posizioni nel sottosuolo. </td><td></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> show-percorsi? </td><td></td><td colspan="3"> Se show-percorsi? è &quot;on&quot; le particelle di acqua lasciano una scia di blu mostrando dove sono stati (vedi Figura 1). </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ri-goccia? </td><td></td><td colspan="3"> Se ri-drop? è &quot;on&quot; le particelle sono sostituite in modo ponderato di flusso per ogni particella, che esce il sistema, e la trama cumulativo non funziona. Quando un particle esce dalla zona iporreica il numero di particelle nel sistema diminuisce se re-goccia? è &quot;off&quot; (vedi Figura 1). </td><td><img alt="segno di spunta" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr></tbody></table> Tabella 1. Parametri iporreica e Simulazione controlli. Ogni parametro, pulsante, e di scorrimento che possono essere regolate dall&#39;utente è dato in questa tabella con una definizione. In questa simulazione, due processi inducono velocità del fluido nel letto di sabbia. Il primo è dovuto alle interazioni del flusso di corrente con bedforms. La testa di velocità all&#39;interfaccia acqua / sedimenti indotta dal bedforms è anche approssimativamente sinusoidale, e spostata di un quarto d&#39;onda dal bedform sé 22. L&#39;ampiezza della funzione testa velocità all&#39;interfaccia superficie sottosuolo è approssimata alle misurazioni di 16: ge = &quot;always&quot;&gt; Equazione 2: <img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq2.jpg" /> dove U è la velocità dell&#39;acqua superficiale media, g è la costante gravitazionale, e d è la profondità dell&#39;acqua (Figura 1). La funzione di testa di velocità è quindi dato da: Equazione 3: <img alt="Equazione 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq3.jpg" /> Questa funzione testa può quindi essere utilizzato per calcolare la componente basato bedform-delle funzioni di velocità sottosuolo risolvendo l&#39;equazione di Laplace con un letto di sabbia profondità costante 20. Il secondo componente della velocità porewater è determinato dalla pendenza del sistema, S, che corrisponde ad un gradiente testa gravitazionale che rese scorrono verso valle proporzionales / ftp_upload / 53.285 / 53285eq_S_inline.jpg &quot;/&gt; Le funzioni finali per velocità porewater sono.: Equazione 4: <img alt="Equazione 4" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq4.jpg" /> Equazione 5: <img alt="Equazione 5" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq5.jpg" /> dove u è la componente della velocità longitudinale v è la componente di velocità verticale, K è la conducibilità idraulica media del sedimento, è la porosità media dei sedimenti, y è la coordinata verticale, e D è la profondità dei sedimenti. Simulazioni di monitoraggio di particelle sono state create, che utilizzano il linguaggio di modellazione NetLogo e piattaforma di simulazione 23. I due implementazioni (Mousedrop.nlogo e Interface.nlogo) usano queste equazioni per modellare hypflusso orheic con lo stesso nucleo simulazione. La differenza principale è le posizioni iniziali delle particelle traccianti. Mousedrop permette all&#39;utente di posizionare tracciante simulato ovunque all&#39;interno del sottosuolo. Equazioni di velocità Subsurface 4 e 5 sono utilizzati per spostare il tracciante per simulare esperimenti di iniezione di tintura. In Interface, tracciante viene sempre collocato lungo il contorno della superficie / sottosuolo in un modo flusso ponderato. Questo imita la consegna di materiale dissolto e in sospensione dalle acque di superficie nel porewater, che è cruciale per comprendere lo scambio iporreico. Il tracciante poi si sposta all&#39;interno del sottosuolo fino a raggiungere di nuovo l&#39;acqua corrente. Tracciare i percorsi colorante nel canale e simulazione dei percorsi utilizzando NetLogo produce le linee di corrente del campo di portata, purché le condizioni di flusso e bedform morfologia rimangono costanti durante il periodo di osservazione. Interface.nlogo crea una distribuzione cumulativa tempo di residenza, che mostra la rapporto tra il numero diparticelle traccianti rimanenti nei sedimenti al numero iniziale di particelle traccianti poste al tempo 0 in funzione del tempo. Come discusso in un recente sondaggio della letteratura 24, rimane considerevole dibattito all&#39;interno della comunità di ricerca educativa sui meriti relativi di hands-on esperimenti di laboratorio contro laboratori simulati e modelli di computer. Da un lato, alcuni ritengono che &quot;esperienza pratica è al centro di apprendimento&quot; 25, e la cautela che gli argomenti risparmi possono essere alimentando la sostituzione di hands-on attività di laboratorio di simulazioni basate su computer, a scapito di studente comprensione 26. D&#39;altra parte, alcuni ricercatori di didattica delle scienze / ingegneria sostengono che le simulazioni sono almeno altrettanto efficace quanto tradizionali laboratori pratici 27, o discutono i vantaggi della simulazione al computer nel favorire centrato sullo studente &quot;apprendimento per scoperta&quot; 28. Anche se il consenso non è stato ridoleva, molti ricercatori hanno concluso che, idealmente, simulazioni al computer dovrebbero integrare, piuttosto che sostituire, le mani su esperimenti di laboratorio 29,30. Ci sono state anche le iniziative nell&#39;ambito della scienza e istruzione tecnica simultaneamente paio sperimentazione fisica e del mondo reale di rilevamento con simulazioni al computer dei fenomeni; vedi, ad esempio, &quot;Modellazione bifocali&quot; 31. Studenti possono acquisire una conoscenza concettuale profonda e una migliore comprensione del processo di ricerca scientifica interagendo sia con un sistema fisico, e una simulazione computerizzata di tale sistema. Questa procedura implica avere studenti di eseguire un esperimento di trasporto dei soluti che dimostra il flusso di scambio iporreica gravitazionale ed bedform indotta, e abbinare la propria impostazione e risultati sperimentali con una simulazione al computer degli stessi fenomeni. Questo confronto facilita importanti risultati-apprendimento degli studenti, e una discussione più approfondita di tegli metodo scientifico, e l&#39;interazione tra il modello / la teoria-costruzione e validazione empirica attraverso la raccolta dei dati. Dopo l&#39;esecuzione di questo confronto, gli studenti possono inoltre usufruire dei vantaggi di simulazione su computer per esplorare rapidamente un gran numero di scenari alternativi, cambiando i parametri del modello.

<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

Scambio advective tra lo spazio dei pori dei sedimenti e la colonna d&#39;acqua sovrastante, denominato scambio iporreico in ambienti fluviali, guida trasporto dei soluti in fiumi e molti importanti processi biogeochimici. Per migliorare la comprensione di questi processi attraverso dimostrazione visiva, abbiamo creato una simulazione del flusso iporreico nel multi-agente piattaforma di modellazione informatica NetLogo. La simulazione mostra tracciante virtuale fluisce attraverso streambed coperto con bedforms bidimensionali. Sedimenti, di flusso, e bedform caratteristiche vengono utilizzate come variabili di input per il modello. Illustriamo come queste simulazioni corrispondono osservazioni sperimentali da esperimenti flume laboratorio sulla base di parametri di input misurati. Colorante viene iniettato nei sedimenti flume per visualizzare il flusso porewater. Per confronto particelle traccianti virtuali sono collocati nelle stesse posizioni nella simulazione. Questo esperimento di simulazione e di laboratorio accoppiato è stato utilizzato con successo in laurea e gradualaboratori te di visualizzare direttamente le interazioni fiume porewater e mostrano come le simulazioni di flusso basati fisicamente in grado di riprodurre fenomeni ambientali. Gli studenti hanno preso fotografie del letto attraverso le pareti a circolazione d&#39;acqua trasparenti e li hanno confrontati a forme del colorante alla stessa ora nella simulazione. Ciò ha provocato le tendenze molto simili, che ha permesso agli studenti di comprendere meglio sia i modelli di flusso e il modello matematico. Le simulazioni consentono anche all&#39;utente di visualizzare rapidamente l&#39;impatto di ogni parametro di ingresso eseguendo simulazioni multiple. Questo processo può essere utilizzato anche in applicazioni di ricerca per illustrare processi di base, in relazione flussi di interfaccia e di trasporto porewater, e supportare la modellazione basata su processo quantitativo.

L&#39;uso di una simulazione, in combinato disposto con gli esperimenti permette agli studenti di osservare le somiglianze e le differenze tra i modelli matematici idealizzati e sistemi reali complessi. Figura 4 mostra un esempio confrontando colorante fotografie di iniezione con simulazioni Mousedrop. La fotografia iniziale viene utilizzato per determinare la posizione del colorante tracciante simulato al tempo zero, e quindi la simulazione viene eseguita per 34,2 min e confrontato con una fot...

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Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

This manuscript describes how to create regular bedforms in a flume, visualize flow through the bedforms, and use computer simulations to simulate the hyporheic flow. The computer simulations compare well with the experimental observations. This coupled simulation and experiment is well-suited for both research and educational purposes.

Visualizzare iporreico flusso Attraverso Bedforms Utilizzando Esperimenti Dye e Simulazione

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.

Tracciamento delle particelle lagrangiche basate sull&#39;immagine in esperimenti di Bed-load

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

Ricerca

Ambiente

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.

Visualizzazione del campo di flusso intorno a una pipeline vibrante all'interno di un foro di equilibrio

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.

Combinazione di dispositivi fluidici con microscopia e citometria di flusso per studiare il trasporto microbico nei mezzi porosi attraverso le scale spaziali

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.

La diffusione dei rivelatori passivi nel flusso laminare Shear

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 ...

Ingegneria

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.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

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.

Metodi per caratterizzare il co-sviluppo di biofilm e Habitat Eterogeneità

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

Bioingegneria

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.

Finestra su un micromondo: Sistemi Microfluidic semplice per studiare il trasporto microbica in mezzi porosi

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

Biologia

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

Visualizzazione del flusso in un tunnel d'acqua: osservazione del vortice di estremità su un'ala delta

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

Didattica

JoVE Science Education

Ingegneria aeronautica

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

Visualizzazione del flusso di colorante superficiale: un metodo qualitativo per osservare le linee di flusso nel flusso supersonico

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

Visualizzazione del flusso oltre un corpo Bluff

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