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. תוכנת סימולציה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתוכנה מתוארת בסעיף זה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוריד ולהתקין את השפה החופשית / קוד פתוח רב סוכן הדוגמנות ופלטפורמת הדמיה, NetLogo (זמין: <a href="http://ccl.northwestern.edu/netlogo/">http://ccl.northwestern.edu/netlogo/,</a> גרסה 5.1 או מאוחר יותר). הערה: תוכנה זו זמינה ללא עלות והוא פועל על כל מערכות ההפעלה העיקריות (Windows / Mac / לינוקס). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הורד את שני קבצים ספציפיים תסריט סימולציה (mousedrop.nlogo וinterface.nlogo) שמלווים את הליך מעבדה זו. (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> ) הערה: לאחר פלטפורמת ההדמיה מותקנת וקבצים אלה הורדו, קבצים אלה לחיצה כפולה פותח באופן אוטומטי tהוא הסימולציות עד, מוכן להפעלה. </li></ol></li></ol> 2. הפגנת מתעל <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרה מתעלת המעבדה, כך שכל הפרמטרים (הטבלה 1) נופלים במסגרת מגבלות טווח פרמטר הסימולציה mousedrop. הערה: ניתן להתאים האילוצים בmousedrop, אם נדרשו למערכת הפיסית על ידי עריכת המחוונים. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים שכבה של כ 15-25 סנטימטר של חול למתעל. מדוד ורשום את המוליכות הידראוליות והנקבובית של החול הבא שיטות סטנדרטי 32,33. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מלא את מתעל עם כ 20-30 סנטימטר של מים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל המתעל ולהגדיל את קצב הזרימה לרמה שהיא מהיר מספיק כדי להעביר גרגרי חול ובכך ליצור bedforms. הערה: קצב הזרימה יכול להיות מותאם נוסף כדי לחדד את מאפייני bedform עם תרגול. גדלי Bedform הם תוצאה של קצב זרימה, עומק מים ומאפייני חול. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאפשר bedforms לפתח FOr 12-24 שעות כדי ליצור דיונה טבעית / מורפולוגיה אדווה. כדי להאיץ את התהליך הזה, באופן ידני לעצב דיונות רגילות, ולאחר מכן לאפשר תחבורת משקעים ל4-12 שעות. לחלופין, ליצור באופן ידני דיונות משולשות רגילות. הערה: דיונות משולשות רגילות תניב דפוסים קבועים של חילופי hyporheic, אבל לא להראות כמה שיותר מורכבות כדיונה טבעית / bedforms אדווה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע שbedforms הרצוי הושג, להפחית את שיעור זרימת מים עד מאט תחבורת משקעי מיטה ומאפייני bedform לעצור שינוי. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מבחינה ויזואלית לצפות תנועה של גרגרי משקעים הכוללים המיטה, ולהפחית את זרימת תנועה עד מפסיקה. הערה: זה יהיה לשמר את מורפולוגיה המיטה לתקופת הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לוודא שההילוך איטי, אפיזודי אינו מתרחש, עמדות סימן או bedform תצלום ולאחר מכן לצפות במועד מאוחר יותר. שים לב: חשוב רק שbedforms לא זז באופן משמעותי על המסגרת של הניסוי הזמן, כך שמספקזמן תצפית מספיק כדי לאשר שbedforms יציב. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם מדרון מתעל ו / או עומק מים כדי להשיג זרימה אחידה תחת זרימת השיעור המופחת. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדרון ערוץ בקרה באמצעות ציוד שנבנה לתוך מתעל, בדרך כלל או שקע ממונע או יד-ארכובה. התאם עומק מים על ידי הוספה או הסר של מים מהמתעלים. הערה: בהגדרת הניסוי נעשה שימוש כאן, כל מתעל הוא רכוב על ציר בסופו של הדבר במורד הזרם, והמדרון מוגדר על ידי ג&#39;ק ממונע בסוף במעלה הזרם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בעוד המשאבה פועלת, בחר שני מקומות אורך מסומנים בקווים מאונכים לתחתית המתעלת. במקומות אלה, להשתמש בסרגל כדי למדוד את מרחק קווים מאונכים אלה, בין פני השטח של המים והתחתית המתעלת. הערה: בהתאם להגדרת המתעלת, החלק התחתון של מתעל עשוי לשמש כקו התייחסות משופע טוב יותר מהחלק התחתון של מתעל. בחירת Larמרחק אורך גר יניב דיוק רב יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את השיפוע של מתעל ו / או עומק המים ומחדש מדד עד מדידות המרחק האנכיים הן אותם כדי להשיג זרימה אחידה. מדוד את המרחק האופקי המשופע בחלק התחתון של מתעל בין שני המקומות האלה אורך. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עצור את המשאבה ולחכות למים להפסיק לנוע; זה יספק משטח ישר. מחדש למדוד את המרחק בין החלק העליון של המתעל ופני המים במיקום כל אורך. הערה: מדרון הערוץ שווה את ההבדל בין מדידות אלה, מחולק במרחק האופקי המשופע ביניהם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתחיל מחדש-המשאבה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר קטע בדיקה, שאמורה להיות מיקום קרוב לסוף האמצע או במורד הזרם של המתעל בי דיונות יצרו דפוס קבוע. ודא כי סעיף זה כולל bedform לפחות אחת מלא. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד ורשום את העומק הממוצע משקעים (ד &#39;) בהסעיף בדיקת דואר עם כל להמציא יד מדידה (שליטים שקופים הם אידיאליים). לשם פשטות, להשתמש במרחק הממוצע של רכס ושוקת לתחתית המתעלת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד ורשום את הגובה הממוצע bedform בסעיף הבדיקה, מוגדר כהפרש בין עומק המשקעים בפסגה ועומק המשקעים בשוקת עם שליט. למדוד כמה bedforms לקבל הערכה טובה מהממוצע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שוב באמצעות שליט, המדוד ורשום את עומק מים הממוצע (ד) בסעיף הבדיקה, מוגדר כמרחק ממשטח המים הממוצע למיטת החול. שוב, להשתמש בעומק המים הממוצע בפסגות דיונה ושקתות לפשטות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשום את flowrate הערוץ (Q) ממד הזרימה, ולחשב את המהירות הממוצעת כQ / (* w ד), שבו W הוא הרוחב של המתעל וד הוא עומק המים. הערה: מד הזרימה שלנו מוכנסת לתוך לולאת מחזור של מתעל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לִמְדוֹדולהקליט את אורך גל bedform הממוצע בסעיף המבחן. בדרך כלל, למדוד את אורך הגל כמרחק בין פסגות דיונה רצופות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את הסימולציה Mousedrop (בפלטפורמת NetLogo) ולבדוק שכל המדידות הן בתוך הטווחים משתנים צוינו בממשק משתמש סימולציה. אם פרמטר נמדד נופל מחוץ לטווח האילוץ, להתאים את טווח פרמטר סימולציה על ידי לחיצה ימנית על &quot;המחוון&quot; הפרמטר, בחירה באפשרות &quot;עריכה&quot;, והתאמה / ערכי המקסימום דק &#39;. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דמיינו חילופי hyporheic. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את המצלמה במיקום קבוע (רצוי על חצובה) הצביע orthogonally לקיר המתעל עם bedform יחיד בסעיף המבחן מרוכז בתמונה. הערה: זה ימנע בעיות של פרספקטיבה מלוכסנת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח תמונת ניסיון כדי לאמת את התנאים. להתאים את התאורה אם השתקפויות הן בעיה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש במזרק והמחט, לעשות 2-3 אני צובע קטןnjections ליד הקיר המתעל. ודא שזריקות אלה יוצרות טלאים עגולים 2 סנטימטר ~ של porewater צבעוני במגוון רחב של מקומות אנכיים ואופקיים. השתמש טיפול כדי למזער את ההפרעה למיטת החול במהלך ההזרקה. הערה: הזריקות של כמויות קטנות יותר של צבע מאפשרות למשתמש לראות פרטים נוספים ולהציג נתיבי זרם בודדים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשום את שעת ההתחלה של זריקות הצבע ולקחת תמונה ראשונית. אופציונאלי: זה יכול להיות חינוכי לאתר את חזיתות צבע הראשוניות עם סמנים על נייר שקיפות, כדי שהתנועה היא לצבוע בקלות לצפייה במעבדה, אבל קווי המתאר אלה גם יחסמו מנות קטנות של חזיתות צבע בתמונות, ולכן יש טרייד כבוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ללכוד את העמדות קדמי צבע במרווחי זמן מתאים. לצילום זמן לשגות, להשתמש 30 מרווחי שניות לתת תוצאות חלקות. </li></ol></li></ol> 3. סימולציה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל סימולציה 1: Mousedrop ולהשוות עם תחבורת צבע שנצפתה.<ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את תסריט הסימולציה שם Mousedrop.nlogo. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig2.jpg" width="600" /> איור 2. Mousedrop. זה מראה היכן קליעים נותבים הם ב 7 מקרים שונים בזמן. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53285/53285fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את הפרמטרים של מערכת הפיזיות שמוצגים בטבלה 1 כדי להתאים תנאי ניסוי מתעלים (במיוחד: למבדה, BedformHeight, BedDepth, HydrCond, נקבוביות, ChannelVelocity, עומק, ושיפוע). הקפד לשים לב זהיר ליחידות בעת הזנת פרמטרים קלט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם מחווני TIME1, TIME2, וכו &#39;כדי לציין פעמים כאשר צבע הסימולציה מעקב ישתנה. הגדר שינויי צבע אלה כדי להתאים פעמים תצפית כדי להקל על השוואה של תוצאות סימולציה עם תצפיות. הערה: אם הפרמטרים זמן כולם מוגדרים 0, הסימולציה תציג צבע אחד לאורך כל דרך. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר נקבעים כל הפרמטרים, לחץ על כפתור ההתקנה. הערה: bedform אמורה להופיע בתצוגת הסימולציה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על לחצן העכבר שחרר כדי לציין את המקומות החל מקליעים נותבים וירטואליים. שים לב שמקומות רבים במיטה ניתן ללחוץ. החזק את העכבר למטה כדי לשחרר נותב וירטואלי יותר. כאשר המדמה תנועת צבע, להשתמש בעכבר או להתחקות חזיתות צבע (הגבול סביב הצבע) או למלא את האזור מלא באזור הצבוע. הערה: היכרות נותב וירטואליים יותר תגרום לסימולציה לרוץ יותר לאט. התוצאות חזותיות הטובות ביותר ישתנו עם ביצועי מחשב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע שכל קליעים נותבים הווירטואליים הוצבו, באפשרותך ללחוץ על לחצן מראש לפעם הבאה, שתתחיל סימולציה ולאחר מכן לעצור את זה בפעם הראשונה, או שאתה יכול ללחוץ על כפתור Go / התחנה להתחיל simulATION ללא הגבלת זמן. לחץ מחדש אל התקנת לחצן, או קליעים נותבים יצטרכו להיות ממוקמים שוב. הערה: לאחר הסימולציה מתחילה לרוץ, המהירות מחושבת למיקום של כל נותב מבוסס על פרמטרים סימולציה במשוואות 4 ו -5 המהלכים נותב לפי תחום המהירות 100 שניות מדומה ולאחר מכן המהירות במיקום החדש מחושבת וההליך חוזר על עצמו עד שנותב עוזב את המערכת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחלופין, לחץ על לחצן / להפסיק ללכת שוב ושוב כדי להשהות / להמשיך את הסימולציה. השווה את הפצות צבע מדומה ונמדדו בנקודות שונות בזמן. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סימולציה לרוץ 2: ממשק. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פתח את התסריט שכותרתו ממשק. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig3.jpg" width="600" /> איור 3. ממשק. זה מראה 370 קליעים נותבים זורמים דרך תת הקרקע באמצעות הסימולציה הממשק. הרשות נותבths להראות שבו כל נותב כבר מאז שהתחיל בממשק מים מתחת לפני הקרקע משטח. סופו של דבר את כל נתיבי הזרימה צריכים לחזור למים עיליים. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53285/53285fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> הערה: תסריט זה מציג קליעים נותבים וירטואליים על פני השטח הנחל באופן משוקלל שטף מבוסס על מהירויות מתחת לפני הקרקע מחושבות. זה מספק ייצוג חזותי של הכמויות היחסית של מים זורמים לתוך (ומתוך) הנחל במקומות שונים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין על ידי לחיצה על התקנה ואחריו ללכת / תחנה. הערה: זה יפעל סימולציה עם הגדרות ברירת המחדל. מחדש ירידה? המתג להגדיר תחילה לחופש, אז חלוקת זמן מגורים המצטברת תהיה להתוות ככל שחולף זמן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר התבוננות הסימולציה עם הפרמטרים של ברירת המחדל, לחץ על ללכת / להפסיק לעצור את הסימולציה. </li><li&gt; שינוי פרמטר אחד או יותר ולאחר מכן לחץ על התקנה ואחריו ללכת / תחנה. הערה: זה יהיה להפעיל מחדש את הסימולציה עם הפרמטרים שנבחרו. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Huettel, M., Webster, I. T., Bordeau, B. P., J&#248;rgensen, B. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Porewater flow in permeable sediments. In: The benthic boundary layer: Transport processes and biogeochemistry. , 144-179 (2001).</li><li>Bencala, K. E., Walters, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulation+of+Solute+Transport+in+a+Mountain+Pool-and-Riffle+Stream+-+a+Transient+Storage+Model.">Simulation of Solute Transport in a Mountain Pool-and-Riffle Stream - a Transient Storage Model.</a> Water Resour Res. 19, 718-724 (1983).</li><li>Williams, D. D., Hynes, H. B. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Occurrence+of+Benthos+Deep+in+Substratum+of+a+Stream.">Occurrence of Benthos Deep in Substratum of a Stream.</a> Freshwater Biol. 4, 233-255 (1974).</li><li>Benner, S. G., Smart, E. W., Moore, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal+Behavior+during+Surface+Groundwater+Interaction,+Silver-Bow+Creek,+Montana.">Metal Behavior during Surface Groundwater Interaction, Silver-Bow Creek, Montana.</a> Environ Sci Technol. 29, 1789-1795 (1995).</li><li>Fuller, C. C., Harvey, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactive+uptake+of+trace+metals+in+the+hyporheic+zone+of+a+mining-contaminated+stream,+Pinal+Creek,+Arizona.">Reactive uptake of trace metals in the hyporheic zone of a mining-contaminated stream, Pinal Creek, Arizona.</a> Environ Sci Technol. 34, 1150-1155 (2000).</li><li>Jones, J. B., Mulholland, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Streams and Ground Waters. , (1999).</li><li>McKnight, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectrofluorometric+characterization+of+dissolved+organic+matter+for+indication+of+precursor+organic+material+and+aromaticity.">Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity.</a> Limnol Oceanogr. 46, 38-48 (2001).</li><li>Mulholland, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inter-biome+comparison+of+factors+controlling+stream+metabolism.">Inter-biome comparison of factors controlling stream metabolism.</a> Freshwater Biol. 46, 1503-1517 (2001).</li><li>Peterson, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+nitrogen+export+from+watersheds+by+headwater+streams.">Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams.</a> Science. 292, 86-90 (2001).</li><li>Goolsby, D. A., Battaglin, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+changes+in+concentrations+and+flux+of+nitrogen+in+the+Mississippi+River+Basin,+USA.">Long-term changes in concentrations and flux of nitrogen in the Mississippi River Basin, USA.</a> Hydrol Process. 15, 1209-1226 (2001).</li><li>Rabalais, N. N., Smith, L. E., Harper, D. E., Justic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+seasonal+hypoxia+on+continental+shelf+benthos.">Effects of seasonal hypoxia on continental shelf benthos.</a> Coast Est S. 58, 211-240 (2001).</li><li>Huettel, M., Gust, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+bioroughness+on+interfacial+solute+exchange+in+permeable+sediments.">Impact of bioroughness on interfacial solute exchange in permeable sediments.</a> Mar Ecol Prog Ser. 89, 253-267 (1992).</li><li>Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Haggerty, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Residence+time+of+bedform-driven+hyporheic+exchange.">Residence time of bedform-driven hyporheic exchange.</a> Adv Water Resour. 31, 1382-1386 (2008).</li><li>Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., Detty, J., Aubeneau, A., Packman, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+controls+and+predictability+of+stream+hyporheic+flow+evaluated+with+a+multiscale+model.">Physical controls and predictability of stream hyporheic flow evaluated with a multiscale model.</a> Water Resour Res. 48, (2012).</li><li>Stonedahl, S. H., Harvey, J. W., W&#246;rman, A., Salehin, M., Packman, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+multiscale+model+for+integrating+hyporheic+exchange+from+ripples+to+meanders.">A multiscale model for integrating hyporheic exchange from ripples to meanders.</a> Water Resour Res. 46, (2010).</li><li>W&#246;rman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fractal+topography+and+subsurface+water+flows+from+fluvial+bedforms+to+the+continental+shield.">Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield.</a> Geophys Res Lett. 34, (2007).</li><li>Tonina, D., Buffington, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+three-dimensional+model+for+analyzing+the+effects+of+salmon+redds+on+hyporheic+exchange+and+egg+pocket+habitat.">A three-dimensional model for analyzing the effects of salmon redds on hyporheic exchange and egg pocket habitat.</a> Can J Fish Aquat Sci. 66, 2157-2173 (2009).</li><li>Elliott, A. H., Brooks, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+of+nonsorbing+solutes+to+a+streambed+with+bed+forms:+Theory.">Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory.</a> Water Resour Res. 33, 123-136 (1997).</li><li>Elliott, A. H., Brooks, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+of+nonsorbing+solutes+to+a+streambed+with+bed+forms:+Laboratory+experiments.">Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments.</a> Water Resour Res. 33, 137-151 (1997).</li><li>W&#246;rman, A., Packman, A. I., Marklund, L., Harvey, J. W., Stone, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exact+three-dimensional+spectral+solution+to+surface-groundwater+interactions+with+arbitrary+surface+topography.">Exact three-dimensional spectral solution to surface-groundwater interactions with arbitrary surface topography.</a> Geophys Res Lett. 33, (2006).</li><li>Janssen, F., Cardenas, M. B., Sawyer, A. H., Dammrich, T., Krietsch, J., de Beer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparative+experimental+and+multiphysics+computational+fluid+dynamics+study+of+coupled+surface-subsurface+flow+in+bed+forms.">A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface-subsurface flow in bed forms.</a> Wat Resour Res. 48, (2012).</li><li>Shen, H. W., Fehlman, H. M., Mendoza, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bed+Form+Resistances+in+Open+Channel+Flows.">Bed Form Resistances in Open Channel Flows.</a> J Hydraul Eng-Asce. 116, 799-815 (1990).</li><li>Ma, J., Nickerson, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hands-on+simulated,+and+remote+laboratories:+A+comparative+literature+review.">Hands-on simulated, and remote laboratories: A comparative literature review.</a> Acm Comput Surv. 38, (2006).</li><li>Nersessian, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conceptual+change+in+science+and+in+science+education.">Conceptual change in science and in science education.</a> Synthese. 80, 163-183 (1989).</li><li>Magin, D., Kanapathipillai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+students'+understanding+of+the+role+of+experimentation.">Engineering students' understanding of the role of experimentation.</a> European Journal of Engineering Education. 25, 351-358 (2000).</li><li>Shin, D., Yoon, E. S., Lee, K. Y., Lee, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+web-based,+interactive+virtual+laboratory+system+for+unit+operations+and+process+systems+engineering+education:+issues,+design+and+implementation.">A web-based, interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education: issues, design and implementation.</a> Comput Chem Eng. 26, 319-330 (2002).</li><li>Smith, P. R., Pollard, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Role+of+Computer-Simulations+in+Engineering-Education.">The Role of Computer-Simulations in Engineering-Education.</a> Comput Educ. 10, 335-340 (1986).</li><li>Gillet, D., Ngoc, A. V. N., Rekik, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Collaborative+web-based+experimentation+in+flexible+engineering+education.">Collaborative web-based experimentation in flexible engineering education.</a> Ieee T Educ. 48, 696-704 (2005).</li><li>Subramanian, R., Marsic, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ViBE:+Virtual+biology+experiments.">ViBE: Virtual biology experiments.</a> Proceedings of the 10th international conference on World Wide Web. , 316-325 (2001).</li><li>Blikstein, P., Fuhrmann, T., Greene, D., Salehi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bifocal+Modeling:+Mixing+Real+and+Virtual+Labs+for+Advanced+Science+Learning.">Bifocal Modeling: Mixing Real and Virtual Labs for Advanced Science Learning.</a> Proceedings of Idc 2012: The 11th International Conference on Interaction Design and Children. , 296-299 (2012).</li><li>Freeze, R. A., Cherry, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Groundwater. , (1979).</li><li>Todd, D. K., Mays, L. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Groundwater Hydrology. , (2005).</li><li>Box, G. E., Draper, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Empirical Model-Building and Response Surfaces. , (1987).</li><li>Flavell, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metacognition+and+cognitive+monitoring:+A+new+area+of+cognitive&#8211;developmental+inquiry.">Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive&#8211;developmental inquiry.</a> American Psychologist. 34, 906 (1979).</li><li>Bransford, J. D., Brown, A. L., Cocking, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> How People Learn. , (2000).</li><li>Pintrich, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+metacognitive+knowledge+in+learning,+teaching,+and+assessing.">The role of metacognitive knowledge in learning, teaching, and assessing.</a> Theor Pract. 41 (4), 219-225 (2002).</li><li>Zohar, A., Ben David, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paving+a+clear+path+in+a+thick+forest:+a+conceptual+analysis+of+a+metacognitive+component.">Paving a clear path in a thick forest: a conceptual analysis of a metacognitive component.</a> Metacogn Learn. 4, 177-195 (2009).</li><li>Fox, A., Boano, F., Arnon, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+losing+and+gaining+streamflow+conditions+on+hyporheic+exchange+fluxes+induced+by+dune-shaped+bed+forms.">Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms.</a> Water Resour Res. 50, 1895-1907 (2014).</li><li>Norman, F. A., Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+in+hyporheic+zones+due+to+bedforms:+An+experimental+study.">Heat transport in hyporheic zones due to bedforms: An experimental study.</a> Water Resour Res. 50, 3568-3582 (2014).</li><li>Precht, E., Huettel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+wave-driven+advective+pore+water+exchange+in+a+permeable+coastal+sediment.">Rapid wave-driven advective pore water exchange in a permeable coastal sediment.</a> J Sea Res. 51, 93-107 (2004).</li><li>Salehin, M., Packman, A. I., Paradis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyporheic+exchange+with+heterogeneous+streambeds:+Laboratory+experiments+and+modeling.">Hyporheic exchange with heterogeneous streambeds: Laboratory experiments and modeling.</a> Water Resour Res. 40, (2004).</li><li>Cardenas, M. B., Wilson, J. L., Zlotnik, V. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+heterogeneity,+bed+forms,+and+stream+curvature+on+subchannel+hyporheic+exchange.">Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange.</a> Water Resour Res. 40, (2004).</li><li>Sawyer, A. H., Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyporheic+flow+and+residence+time+distributions+in+heterogeneous+cross-bedded+sediment.">Hyporheic flow and residence time distributions in heterogeneous cross-bedded sediment.</a> Water Resour Res. 45, (2009).</li><li>Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R., Ridolfi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sinuosity-driven+hyporheic+exchange+in+meandering+rivers.">Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers.</a> Geophys Res Lett. 33, (2006).</li><li>Cardenas, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+model+for+lateral+hyporheic+flow+based+on+valley+slope+and+channel+sinuosity.">A model for lateral hyporheic flow based on valley slope and channel sinuosity.</a> Water Resour Res. 45, (2009).</li><li>Tonina, D., Buffington, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyporheic+exchange+in+gravel+bed+rivers+with+pool-riffle+morphology:+Laboratory+experiments+and+three-dimensional+modeling.">Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling.</a> Water Resour Res. 43, (2007).</li><li>Harbaugh, A. W., Banta, E. R., Hill, M. C., McDonald, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular ground-water model: User guide to modularization concepts and the ground-water flow process. , (2000).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

בשיתוף, סימולציות הפגנה ומעקב חלקיקים המתעלות לספק מבוא מקיף לזרימת hyporheic עבור מגוון של קהלים. משתתפים של כל הרמות מסופקים ראיות חזותיות להתרחשות של חילופי hyporheic הנגרמת על ידי bedforms, וההשתנות החזקה בזרימה תת-קרקעית מתחת לנתיבים bedforms. נהלים אלה יכולים לשמש כהפגנה פשוטה של ​​זרימת porewater לסטודנטים לתואר ראשון או K-12 תלמידים, או שהוא יכול לשמש בקורסים לתואר שני בשיתוף עם מצגת מעמיקה יותר של הידראוליקה נהר, תחבורת משקעים, והמכניקה של חילופי hyporheic . ללא קשר לרמה, השימוש במודל הדמיה הפשוט הזה כטכנולוגיה אינטראקטיבית מאפשר לתלמידים ליצור הבנה עמוקה יותר של תופעות מורכבות וחשובות אלה יותר מאשר היה להיות מושגים באמצעות תאוריה והדיון מופשטים. תוך שימוש בשיטות אלה, הבדלים בין המערכת הפיסית וsimulatiעל לא צריך להיתפס כ&quot; טעויות &quot;, אלא כ&quot; רגע למיד&quot;, כלומר, הנקודה המוצא לדיון שסופו של דבר יוביל ללמידה רבה יותר. יש הובילו תלמידים לשקול מספר השאלות, ובם: מה הם כל המקורות של שגיאה (במודל, המדידות, והליך המעבדה)? איזה מהם עלול לגרום לחוסר ההתאמה בין סימולציות ותצפיות? מה לפשט הנחות נעשו בגיבוש המודל? עד כמה חשוב פערים קטנים, ולעשות הם עושים את המודל &quot;לא בסדר&quot;? כסטטיסטיקאי ג&#39;ורג &#39;התיבה מפורסמת אמר, &quot;בעיקרו של דבר, כל הדגמים טועים, אך חלקם שימושיים.&quot; 34 מודל מדעי טוב לוכד תכונות חיוניות מסוימות של מערכת, ובכך מובילים להבנה טובה יותר, בזמן שהוא מזניח את הפרטים שהם פחות רלוונטיים לנושא שעל פרק. ניסוי מעבדה מתעל זה והדמיה של נלוויתn לספק מקרה מחקר מצוין לתלמידים בהבנת שני נקודות החוזק והחולשה של מודל ושל שיטה ניסיונית. כך, לא רק שהתלמידים להשיג שליטה רבה יותר עם מושגי ליבה של חילופי hyporheic ותחבורה מומסת, אבל הם למדו על היחסים המשלימים (ולפעמים האינטראקציה המורכבת) בין התאוריה לבניית ואיסוף נתונים, בין מודלים ממוחשבים וניסויים מעבדה. יתר על כן, צימוד זה של מעבדה והדמיה מטפח את הפיתוח של כישורים מטה-קוגניטיביות חשובים 35 על איך ידע שנרכש באמצעות תהליך המחקר המדעי, דרך חקירה את מה שאנחנו יודעים ואיך אנחנו יודעים את זה. גוף הולך וגדל של מחקר מעיד על היעילות של מטה-קוגניטיביות הוראה (aka חשיבה מסדר גבוה) כישורי 36-38. ישנם מספר רב של סיבות לסטיות בין מסלולים נותב נצפים ומדומים. תנועה לרוחב מוגזמת שלמחט במהלך הזרקה תיצור flowpath מועדף בחול, המאפשרת לצבוע לברוח ישירות לעמודת המים. משוואות המהירות שלנו אינן כוללות פיזור רוחבי או אורכי. במתעל, הגיאומטריה bedform היא יותר סימטרית מ סינוסואידה האידיאלית שהוגדרה בסימולציות. משקעים הם לא הומוגנית לחלוטין; וריאציות בגדלים אריזה ומשקעים ישפיעו על המוליכות הידראוליות המקומיות ונקבובית. אמנם זה הטוב ביותר כדי למזער הגירת bedform ידי הפחתת מהירות משאבה המתעלת לפני קבלת זריקות צבע, כמה הגירה עדיין עשויה להתרחש. הגירת Bedform משנה את עמדתה של פסגת bedform ביחס לצבע המוזרק, וכך לשנות hydrodynamics מתחת לפני הקרקע. flowpaths ניסיוני לכן תמיד שונה מסימולציות, אבל התבנית הכללית של תנועה נותב לא צריכה לשנות. תחת תנאי הניסוי בשימוש כאן, קיים הסכם חזק בין סימולציות מודל ואת זרימת הצבע נצפתה. Additio<html> מורכבות סופיות, כגון ההטרוגניות משקעים, טופוגרפיה bedform פרקטל, פריקה מי תהום, שלוש טופוגרפיה ממדית, זרימה בין ערוצים, ווריאציות זמניות בזרימת זרם להתרחש במערכות טבעיות רבות. השיטות נותב הצבע המתואר כאן יכולות לשמש כדי לחקור את ההשפעות של תהליכים אלה באמצעות שינוי המתאים של הגדרת הניסוי המתעלת. גישה זו יכולה לשמש למחקר, כמו גם מטרות הוראה, כזרימת הדמיה משמשת להשערות מבחן נפוצה על שלטון תהליכים, ויכולה לשמש גם כדי לחשב נתיבי חומר ויתרות המוניות, ולנתיבי חילופי hyporheic דוגמא בין הזרם ומיטת משקעים 21. שיטות נותב הצבע דומה לאלה שתוארו כאן היו בשימוש כדי לקבוע את ההשפעות של מורפולוגיה הנחל, ההטרוגניות משקעים, פריקה מי תהום, וטענו בבורסת hyporheic, כמו גם להעריך תהליכים נלווים כגון porewater תזרימי הנגרמים על ידי גלים 39-42. תוכן &quot;&gt; בעוד מודל הזרימה הפשוט משמש כאן הפגין רבייה נאמן סביר של זרימת hyporheic בתנאי מעבדה מבוקרת בקפידה, השימוש בו בדוגמנות מערכות טבעיות מורכבות הוא מוגבל. התסריטים שלנו נכתבו בשפת תכנות NetLogo כאן ככלי הוראה כי בעיקר זה מספק פלטפורמת סימולציה סוכן מבוסס פשוט, ללא תשלום, וקוד פתוח, וכי הוא תומך בפריטים חזותיים מצוינים ומניפולציה משתמש קלה של פרמטרים קלט, המאפשרים למידה. גישות אחרות פותחו כדי לדמות חילופי hyporheic עם גיאומטריה מערכת מורכבת יותר 14 , 20 ומשקעי מבנה 43,44. מגוון רחב של כלים בקוד פתוח / חופשי (למשל, MODFLOW) וחבילות תוכנה מסחרית (למשל, COMSOL) להשתמש הפרשים סופיים ושיטות אלמנטים סופיות שעשויה להיות מועילים בדוגמנות זרימת hyporheic תחת מורכב יותר גיאומטריות ועם ההטרוגניות מתחת לפני הקרקע 15,45-48.

כמהלכי מים עיליים בזרם, נהר, או אזור גאות ושפל הוא יוצר הדרגתיים ראש המניע את המים לתוך ומחוץ למשקעי 1. במערכות נהרות החלק ממשקעי הנחל שבו חילופי דברים מתרחש ידוע כ2,3 אזור hyporheic. אזור זה חשוב כי חומרים מזינים רבים ומזהמים מאוחסנים, הופקדו, או הפכו בתוך אזור hyporheic 4-9. כמות הזמן נותב מבלה במשקעים נקראת זמן מגורים. בשתי פעמים המגורים ואת מיקומם של מסלולי הזרימה משפיעים על תהליכי השינוי. יש צורך בהבנה משופרת של התהליכים המשפיעים על זרימה דרך המשקעים לחזות תחבורה מומסת בנהרות ולטפל בבעיות סביבתיות גדולות כתוצאה מהתפשטות של חומרים כגון חומרים מזינים (למשל, היפוקסיה החוף 10,11). למרות החשיבות של חילופי hyporheic, הוא לעתים קרובות אינם מתואר בקורסים לתואר ראשון בהידרולוגיה,מכניקת זורמים, הידראוליקה, וכו &#39;מחנכים המבקשים להוסיף חילופי hyporheic לקורסים שלהם יכולים למצוא את זה שימושי לי חזותי ניסיוני ומספרי שמראה בבירור את התהליך הזה. פיתולי נחל ערוץ, רמות תהום שמסביב, וטופוגרפיה הנחל (כלומר, בארים, bedforms, ותלים הביוגניים) כל להשפיע חילופי hyporheic בדרגות שונות 12-17. מחקר זה התמקד בbedforms, כגון דיונות ואדוות, אשר בדרך כלל תכונות עיקריות המשפיעות על זרימת גאומורפיות hyporheic 14,15. יצרנו ניסוי סימולציה ומעבדה מספרי כדי להמחיש זרימה דרך סדרה קבועה של bedforms. סימולציה זה מבוססת על גוף של מחקרים קודמים הנוגע נתיבי זרימת hyporheic מאפייני מערכת לצפייה בקלות 15,18-21. כמו מחקר זה מהווה את הרקע המדעי לסימולציה, סיכום קצר של ההיבטים המרכזיים של התאוריה הבאה. הטופוגרפיה Bedform, T (x),ניתן על ידי: משוואת 1: <img alt="משוואת 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq1.jpg" /> כאשר H הוא פעמיים את המשרעת של bedform, k הוא wavenumber, וx הוא מקביל ממד האורך אל פני השטח הנחל הממוצע. דוגמא של הטופוגרפיה bedform זה מוצגת באיור 1. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/53285/53285fig1.jpg" /> איור 1. הגדרות פרמטר וגדרות הנשלטות על ידי המשתמש. בממשק, חלקיקים נותב משתחררים באופן משוקלל שטף במים ממשק משקעים / ומעקב באמצעות המשקעים. אם נתיבים-הופעה? הוא &quot;על&quot; סימן קליעים נותבים מים שבו הם כבר, מראים דרכיהם. כאשר נותב חוזר למים העיליים, זה משתנה tהוא מספר כולל של קליעים נותבים במערכת, כאשר מחדש ירידה? מוגדר &quot;כבוי&quot;. עלילת הפצת זמן מגורים המצטברת מראה את השינוי הזה על ידי התוויית היחס של מספר קליעים נותבים שנותרו במיטת המשקעים למספר הראשוני כפונקציה של זמן. אם מחדש ירידה? הוא &quot;על&quot; ואז קליעים נותבים שעוזבים את המערכת מוחלפים באותו אופן משוקלל שטף חלקיקים מקוריים, והעלילה המצטברת מושבת. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53285/53285fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <table fo:keep-together.within-page="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> שם פרמטר </td><td> יחידות </td><td colspan="3"> הַגדָרָה </td><td> מִמְשָׁק </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> למבדה (λ) </td><td> ס&quot;מ </td><td colspan="3"> אורך גל של bedform (ראה איור 1) &lt;/ Td&gt; <td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedformHeight (H) </td><td> ס&quot;מ </td><td colspan="3"> פעמיים משרעת bedform (ראה איור 1) </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> BedDepth (D) </td><td> ס&quot;מ </td><td colspan="3"> עומק של המשקעים (ראה איור 1) </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> HydrCond (K) </td><td> סנטימטר / s </td><td colspan="3"> מוליכות הידראוליות </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> נקבוביות (θ) </td><td></td><td colspan="3"> נַקבּוּבִיוּת </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ChannelVelocity (U) </td><td> סנטימטר / s </td><td colspan="3"> מהירות ממוצעת במים העיליים או ערוץ </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> עומק (ד) </td><td> ס&quot;מ </td><td colspan="3"> עומק מים (ראה איור 1) </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> מדרון (S) </td><td></td><td colspan="3"> שיפוע של bedforms ומשטח מים </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><tד&gt; <img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> NumParticles </td><td></td><td colspan="3"> מספר החלקיקים שוחרר למערכת. </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> טיימקס (TIME1, TIME2 ..) </td><td> דקות </td><td colspan="3"> זמן שבו כל שינוי צבע מתרחש </td><td></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> לחצני סימולציה </td><td></td><td colspan="3"> הַגדָרָה </td><td> מִמְשָׁק </td><td> Mousedrop </td></tr><tr><td> להכין </td><td></td><td colspan="3"> הגדר של את הסימולציה באמצעות פרמטרים המוצגת </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> ללכת / להפסיק </td><td></td><td colspan="3"> מתחיל ומפסיק את הסימולציה </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> שָׁלָב </td><td></td><td colspan="3"> לחיצה צעד צעד גורמת פעם אחת כדי לעבור. זה מאפשר למשתמשים להאט את הקוד ולראות בדיוק מה קורה ב100 שניות. </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr><tr><td> שבילים ברורים </td><td></td><td colspan="3"> מנקה את כולו נתיבי חלקיקים כחולים מהמסך </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> להתקדם לפעם הבאה </td><td></td><td colspan="3"> זה גורם לתכנית לפעול עד לשינוי צבע בפעם הבא (Timex)</td><td></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> עכבר-טיפה </td><td></td><td colspan="3"> כפתור זה חייב להיות לחץ לפני חלקיקים עשויים להיות ממוקמים בתת הקרקע על ידי לחיצה מקומות בתת הקרקע ב. </td><td></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> נתיבים-הופעה? </td><td></td><td colspan="3"> אם נתיבים-הופעה? הוא &quot;על&quot; חלקיקי המים להשאיר עקבות של הקרנה הכחולה שבו הם היו (ראה איור 1). </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td></tr><tr><td> מחדש לרדת? </td><td></td><td colspan="3"> אם מחדש ירידה? הוא &quot;על&quot; החלקיקים מוחלפים באופן משוקלל שטף לכל חלקיק, שיוצא למערכת, והעלילה מצטברת לא עובדת. כאשר Parti<html> CLE יוצא אזור hyporheic מספר החלקיקים במערכת יורד אם מחדש ירידה? הוא &quot;מעל&quot; (ראה איור 1). </td><td><img alt="סימן ביקורת" src="/files/ftp_upload/53285/checkmark.jpg" /></td><td></td></tr></tbody></table> בקרת הטבלה 1. פרמטרי Hyporheic וסימולציה. כל פרמטר, לחצן, ומחוון שיכול להיות מותאם על ידי המשתמש מקבלים בטבלה זו יחד עם הגדרה. בסימולציה זו, שני תהליכים לגרום למהירות נוזל במיטת החול. הראשון הוא בשל האינטראקציות של זרימת הזרם עם bedforms. ראש המהירות בממשק מים / משקעים הנגרמים על ידי bedforms גם כ סינוסי, ועבר על ידי גל רבעון מbedform עצמו 22. המשרעת של פונקצית ראש המהירות בממשק משטח-מתחת לפני הקרקע כבר מקורבות ממדידות 16: <html> GE = &quot;תמיד&quot;&gt; משוואה 2: <img alt="משוואה 2" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq2.jpg" /> בי U היא מהירות מים העילית הממוצעת, גרם הוא קבוע הכבידה, וד הוא העומק של המים (מוצגים באיור 1). פונקצית ראש המהירות לאחר מכן ניתנה על ידי: משוואה 3: <img alt="משוואה 3" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq3.jpg" /> פונקצית ראש זה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לחשב את הרכיב מבוסס bedform של פונקציות מהירות מתחת לפני הקרקע על ידי פתרון משוואת Laplace עם עומק מיטת חול קבוע 20. המרכיב השני של מהירות porewater נקבע על ידי השיפוע של המערכת, S, אשר תואמת את שיפוע ראש הכבידה שתשואות לזרום בכיוון מורד הזרם הפרופורציונלי לs / ftp_upload / 53,285 / 53285eq_S_inline.jpg &quot;/&gt; הפונקציות הסופיות למהירות porewater הן.: משוואה 4: <img alt="משוואה 4" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq4.jpg" /> משוואה 5: <img alt="משוואה 5" src="/files/ftp_upload/53285/53285eq5.jpg" /> איפה u הוא רכיב המהירות האורך, נ &#39;הוא רכיב המהירות האנכי, K הוא המוליכות הידראוליות הממוצעת של המשקעים, הוא נקבוביות הממוצעת של המשקעים, y הוא לתאם האנכי, ו- D הוא העומק של המשקעים. סימולציות מעקב חלקיקים נוצרו, שמשתמשות בשפת דוגמנות NetLogo ופלטפורמת סימולציה 23. שני יישומים (Mousedrop.nlogo וInterface.nlogo) להשתמש משוואות אלה למודל HYPזרימת orheic עם אותו ליבת הסימולציה. ההבדל העיקרי הוא במקומות הראשוניים של החלקיקים נותב. Mousedrop מאפשר למשתמש למקם נותב מדומה בכל מקום בתוך תת הקרקע. מהירות מתחת לפני הקרקע משוואות 4 ו -5 משמשות כדי להזיז את נותב כדי לדמות ניסויי הזרקת צבע. בממשק, נותב תמיד להציב לאורך גבול משטח / מתחת לפני הקרקע באופן משוקלל שטף. זה מחקה את המשלוח של חומר מומס והושעה מהמים העיליים לporewater, שהוא חיוני להבנת חילופי hyporheic. נותב אז נע בתוך תת הקרקע עד ששוב מגיע למים הנחל. איתור נתיבי הצבע במתעל ומדמה את הנתיבים באמצעות NetLogo מניב המייעל של flowfield, כל עוד תנאי הזרימה ומורפולוגיה bedform יישארו יציבים בתקופה של התבוננות. Interface.nlogo יוצר חלוקת זמן מגורים מצטברת, אשר מציגה את יחס של מספרחלקיקים נותב שנותרו במשקעים למספר הראשוני של חלקיקים נותב הוצבו בזמן 0 כפונקציה של זמן. כפי שנאמר בסקר הספרות האחרון 24, יש עדיין ויכוח ניכר בתוך קהילת המחקר החינוכית על היתרונות היחסי של ידיים על ניסויי מעבדה לעומת מעבדות מדומה ומודלים ממוחשבים. מצד אחד, חלק מרגיש ש&quot; התנסות היא בלב של למידה &quot;25, וזהירות שעלות חיסכון טיעונים ניתן תדלוק החלפת ידיים על מעבדה פעילויות על ידי סימולציות מבוססות מחשב, לרעת הבנה של תלמידי 26. מצד השני, חלק מהחוקרים בחינוך מדעי / הנדסה טוענים כי סימולציות הן יעילות לפחות כמו מסורתי ידיים על מעבדות 27, או לדון את היתרונות של מחשב סימולציה בטיפוח &quot;למידת גילוי&quot; ממוקד-תלמיד 28. בעוד קונסנסוס לא מחדשכאב, חוקרים רבים הגיעו למסקנה כי, באופן אידיאלי, הדמיות מחשב צריכים להשלים, ולא להחליף, ידיים על ניסויי מעבדה 29,30. היו גם יוזמות בתוך מדע וחינוך הנדסה לבו זמנית כמה ניסויים פיזיים ועולם האמיתי חישה עם סימולציות מחשב של התופעות; ראה, למשל, &quot;דוגמנות דו מוקדי&quot; 31. סטודנטים יכולים להרוויח יותר ידע רעיוני והבנה טובה יותר של תהליך המחקר המדעי על ידי אינטראקציה עם שתי מערכת פיזית, וסימולציה מבוססת מחשב של מערכת ש. הליך זה כרוך שיש תלמידים לבצע ניסוי תחבורה מומסת המדגים זרימת מטבע hyporheic הכבידה ומושרה bedform, ולהתאים את תוכנית ההתקנה שלהם ניסיונית ותוצאות עם הדמיית מחשב של אותה התופעה. השוואה זו מאפשרת תוצאות חשובות ללמוד-תלמיד, ודיון עמוק יותר של tהוא שיטה מדעית, ויחסי גומלין בין מודל / תיאורית הבנייה ותיקוף אמפירי באמצעות איסוף נתונים. לאחר ביצוע השוואה זו, תלמידים יכולים גם לנצל את היתרונות של סימולציה ממוחשבת כדי לחקור במהירות מספר רב של תרחישים חלופיים על ידי שינוי פרמטרים מודל.

<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

חילופי Advective בין החלל הנקבובית של משקעים ועמודת המים שמעל, שנקרא חילופי hyporheic בסביבות נהרות, כונני תחבורה מומסת בנהרות ותהליכים רבים biogeochemical חשובים. כדי לשפר את ההבנה של תהליכים אלה באמצעות הפגנה חזותית, יצרנו זרימת סימולציה hyporheic בפלטפורמת מידול מחשב רב סוכן NetLogo. הסימולציה מציגה נותב וירטואלי זורם דרך הנחל מכוסה בbedforms דו-ממדי. מאפייני משקעים, זרימה, וbedform משמשים כקלט משתנה למודל. אנו מדגימים כיצד סימולציות אלה תואמים תצפיות ניסיוניות מניסויי מעבדה מתעלים מבוססות על פרמטרים של קלט שנמדדו. צבע מוזרק לתוך המשקעים המתעלים לדמיין את זרימת porewater. לשם השוואה חלקיקים נותב וירטואליים ממוקמים באותם מקומות בסימולציה. ניסוי סימולציה ומעבדה בשילוב זה שמש בהצלחה בתואר הראשון וgraduaמעבדות te לדמיין ישירות אינטראקציות הנהר-porewater ולהראות כיצד זרימת סימולציות מבוססות פיזי יכולות להתרבות תופעות סביבתיות. תלמידים צלמו את המיטה דרך הקירות השקופים המתעלים והשוו אותם לצורות של הצבע באותו פעמים בסימולציה. זה הביא מגמות דומות מאוד, שאפשרו לתלמידים להבין טובים יותר הן את דפוסי הזרימה ומודל המתמטי. הסימולציות גם מאפשרות למשתמש לחזות במהירות את ההשפעה של כל פרמטר קלט על ידי הפעלת סימולציות מרובות. גם תהליך זה יכול להיות בשימוש ביישומי מחקר כדי להמחיש תהליכים בסיסיים, מתייחס נתיבי interfacial ותחבורה porewater, ולתמוך במודלים מבוססי תהליך כמותי.

השימוש בסימולציה בשיתוף עם ניסויים מאפשר לתלמידים לבחון את הדמיון ושוני בין מודלים מתמטיים האידיאליים ומערכות אמיתיות מורכבות יותר. איור 4 מראה דוגמא השוואת צילומי הזרקת צבע עם סימולציות Mousedrop. התצלום הראשוני משמש כדי לקבוע את המיקום של נותב הצבע המדומה בזמן אפס, ולאחר מכן הסימולציה מנוהלת עבור 34.2 דקות ולעומת תמונה שצולמה באותו הזמן. בסך הכל המודל עושה עבודה מצוינת של לכידת התנועה של המים צבועים על מרווח זמן זה. בועת הצבע הראשונה, ממוקמת בצד המוגן של bedform, יוצאת המשקעים בשני מערכות סימולציה וניסוייות. מתארך השני ונוסע במורד יוצר צורת סהר כפי שמתפשט החוצה, כך שחלק מנותב יוצא במורד הזרם של המיקום המקורי וכמה במעלה הזרם. בועת הצבע האחרון מתפשטת במעלה הזרם וחלק מנותב נוסע עמוק יותר<html> למשקעים. זה מוכיח כי תמורת hyporheic מתרחשת תחת bedforms ושדפוסי זרימת מטבע hyporheic מתייחסים לbedform גיאומטריה. ההסכם החזק בין הסימולציה והניסוי מאמת את משוואות מודל לרמת סדר ראשון. הליך זה גם מראה בבירור כי חילופי hyporheic הוא תהליך משמעותי שמאזניים עם גודל bedform, וכי כמעט מחצית מporewater זורמת במעלה הזרם מתחת bedforms. בבדיקה מקרוב, לעומת זאת, ניתן לראות הבדלים קטנים בין תחבורת הצבע הנצפית ומדומה. הסימולציה היא חלקה יותר מאשר דפוס הצבע בפועל ולא להאריך עמוק לתוך המשקעים. פערים אלה נובעים משילוב של טעויות מדידה והשפעות פיזיות סדר השנייה כתוצאה מגיאומטרית bedform לא סדיר, השתנות באריזת משקעים, וכו &#39;, כפי שמתואר בטבלה 2. 4 &quot;src =&quot; / קבצים / ftp_upload / 53,285 / 53285fig4.jpg &quot;/&gt; איור 4. השוואת חזיתות צבע מתעל לסימולציות. דיי הוזרק למתעל ותמונה צולמה בזמן 0. קליעים נותבים הונחו לתוך מתחת לפני הקרקע באמצעות Mousedrop באותם מקומות כצבע. קליעים נותבים לאחר מכן עברו ל34.2 דקות סימולציה וההדמיה בהשוואה אז לתמונה שצולמה 34.2 דקות אחרי התמונה הראשונית. דפוסי הצבע נצפו והסימולציות להשוות גם במועד מאוחר יותר. יש כמה אי-התאמות בשל וריאציות מרחבית בשדה הזרימה שאינם נתפס על ידי המודל. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53285/53285fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <table fo:keep-together.within-page="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> מקורות נפוצים של אי-התאמות </td><td colspan="2"> תוצאה צפויה </td></tr><tr><td> הבדל פרופיל ראש בפועלERS מעקומת סינוסי הנחה </td><td colspan="2"> חוסר סימטריה בזרימת porewater תחת bedform </td></tr><tr><td> סדרה לא סדירה של bedforms </td><td colspan="2"> סטיות פוטנציאליות בflowfield במיקום של תצפית </td></tr><tr><td> עומק משקעים מספיקים מיטה </td><td colspan="2"> דחיסה אנכית של פרופיל porewater </td></tr><tr><td> לא אחיד (כלומר, בזמן משתנה) לזרום מעל המיטה </td><td colspan="2"> רכיבי ראש העלאה נוספים שלהרכיב רכיב נוסף של זרימת porewater (למשל, הגדילו את חוסר הסימטריה של תא זרימת porewater תחת bedform.) </td></tr><tr><td> ההטרוגניות באריזת המשקעים </td><td colspan="2"> שונות מרחבית בזרימת porewater (תיקונים של משקעים עם מהירות גבוהה יותר ונמוכה יותר) </td></tr><tr><td> שיבוש משמעותי של משקעים כאשר הזרקת צבע </td><td colspan="2"> שחרור צבע אנכי through חור ההזרקה </td></tr><tr><td> שימוש בצבע שאינם מסיסים במים או פירוק מספיק או ערבוב של הצבע לפני ההזרקה </td><td colspan="2"> איגום של צבע בporewater, תחבורת porewater לא אחידה או גיוס איטי של צבע ממקומות הזרקה. </td></tr><tr><td> מדידות לא מדויקות (לעתים קרובות בשל יחידות) </td><td colspan="2"> זה יכול לגרום לתוצאות באופן דרסטי שגויות </td></tr><tr><td> חוסר משוער של פיזור בסימולציה </td><td colspan="2"> הרחבה מסוימת היא צורות צבע </td></tr></tbody></table> 2. מקורות טבלת ההתאמה בין תצפית וסימולציה. רשימה של המקורות הנפוצים של שגיאה מנויות בטבלה זו.

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

Visualizing Hyporheic Flow Through Bedforms Using Dye Experiments and Simulation

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

חזותי Hyporheic לזרום דרך Bedforms שימוש ניסויי דיי וסימולציה

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

Nanyang Technological University

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.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

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

Environment

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

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

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

ויזואליזציה של שדה זרימה סביב צינור רטט בתוך שיווי משקל החור לסרוק

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.

שילוב התקנים נוזליים עם מיקרוסקופיה וציתום זרימה לחקר תחבורה מיקרוביאלית במדיה נקבובית על פני קשקשים מרחביים

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.

פעפוע של המשדרים פסיבי בזרימת הטיה למינריות

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

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

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.

שיטות לאפיון Co-הפיתוח של Biofilm ובית גידול הטרוגניות

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

Bioengineering

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

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

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

חלון על המיקרו: מערכות Microfluidic פשוט לחקר התחבורה מיקרוביאלית בתווך נקבובי

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

Biology

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

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

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

הדמיה של זרימה במנהרת מים: התבוננות במערבולת המובילה מעל כנף דלתא

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

JoVE Science Education

Aeronautical Engineering

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

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

Surface Dye Flow: Streakline Patterns in Supersonic Flow

הדמיה של זרימת צבע פני השטח: שיטה איכותית להתבוננות בדפוסי סטריקלין בזרימה על-קולית

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

הדמיה של זרימה בעבר גוף בלוף

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