Development of Stage-Discharge Relations for Ungaged Bridge Waterways in Western Iowa, TR-567, 2010

Stage-discharge relations constitute a viable, alternative technique for estimating accurately flow for ungaged sites. In this research, we have utilized pressure transducers and Large Scale Particle Image Velocimetry techniques to develop stage-discharge relations at eleven sites in the Hungry Canyon Area (HCA) of southwestern Iowa under different hydrologic conditions. We have employed these data to calibrate and verify an established hydrologic model and then we have used this model to provide a stage discharge relation for different hydrologic conditions (i.e. rating curves). The benefits of the project are numerous including that the discharge data will be used for a number of purposes, including operational decision making in the HCA about the design of water-control and conveyance structures, input for hydraulic and hydrologic models, and calculation of sediment and other water quality constituents transport and “loads”, and for decision making. This project has also pointed out the difficulties in measuring flows in ungaged streams with ice jams, steep banks, erodible beds, and floating debris.

Quantitative Mapping of Waterways Characteristics at Bridge Sites, TR-569, 2008

Iowa state, county, and city engineering offices expend considerable effort monitoring the state’s approximately 25,000 bridges, most of which span small waterways. In fact, the need for monitoring is actually greater for bridges over small waterways because scour processes are exacerbated by the close proximity of abutments, piers, channel banks, approach embankments, and other local obstructions. The bridges are customarily inspected biennially by the county’s road department bridge inspectors. It is extremely time consuming and difficult to obtain consistent, reliable, and timely information on bridge-waterway conditions for so many bridges. Moreover, the current approaches to gather survey information is not uniform, complete, and quantitative. The methodology and associated software (DIGIMAP) developed through the present project enable a non-intrusive means to conduct fast, efficient, and accurate inspection of the waterways in the vicinity of the bridges and culverts using one technique. The technique combines algorithms image of registration and velocimetry using images acquired with conventional devices at the inspection site. The comparison of the current bridge inspection and monitoring methods with the DIGIMAP methodology enables to conclude that the new procedure assembles quantitative information on the waterway hydrodynamic and morphologic features with considerable reduced effort, time, and cost. It also improves the safety of the bridge and culvert inspections conducted during normal and extreme hydrologic events. The data and information are recorded in a digital format, enabling immediate and convenient tracking of the waterway changes over short or long time intervals.

Measurement of a Structured Backflow in an Open Small Channel Induced by Surface-Tension Gradients

We present experiments in which the laterally confined flow of a surfactant film driven by controlled surface tension gradients causes the subtended liquid layer to self-organize into an inner upstream microduct surrounded by the downstream flow. The anomalous interfacial flow profiles and the concomitant backflow are a result of the feedback between two-dimensional and three-dimensional microfluidics realized during flow in open microchannels. Bulk and surface particle image velocimetry data combined with an interfacial hydrodynamics model explain the dependence of the observed phenomena on channel geometry.

Separation of Gas Bubbles from Circulation Waters and Pulp Suspensions in Open Channel Flow

The objective of this thesis was to study the removal of gases from paper mill circulation waters experimentally and to provide data for CFD modeling. Flow and bubble size measurements were carried out in a laboratory scale open gas separation channel. Particle Image Velocimetry (PIV) technique was used to measure the gas and liquid flow fields, while bubble size measurements were conducted using digital imaging technique with back light illumination. Samples of paper machine waters as well as a model solution were used for the experiments. The PIV results show that the gas bubbles near the feed position have the tendency to escape from the circulation channel at a faster rate than those bubbles which are further away from the feed position. This was due to an increased rate of bubble coalescence as a result of the relatively larger bubbles near the feed position. Moreover, a close similarity between the measured slip velocities of the paper mill waters and that of literature values was obtained. It was found that due to dilution of paper mill waters, the observed average bubble size was considerably large as compared to the average bubble sizes in real industrial pulp suspension and circulation waters. Among the studied solutions, the model solution has the highest average drag coefficient value due to its relatively high viscosity. The results were compared to a 2D steady sate CFD simulation model. A standard Euler-Euler k-ε turbulence model was used in the simulations. The channel free surface was modeled as a degassing boundary. From the drag models used in the simulations, the Grace drag model gave velocity fields closest to the experimental values. In general, the results obtained from experiments and CFD simulations are in good qualitative agreement.

Triplex Doppler evaluation of the testes in dogs of different sizes

This study aimed to assess whether there are differences in Doppler velocimetry parameters between different sizes. Twenty dogs were equally divided into small and large groups used in this study. The dogs were evaluated using Triplex ultrasound. Testicular artery was located by Colour Doppler in the spermatic cord, marginal to the testes and intratesticular segments and then, spectral Doppler were used to calculate: peak systolic velocity (PSV), end diastolic velocity (EDV), resistance index (RI) and pulsatility index (PI). The mean testicular volume in the left side was significantly higher than the right side, in both groups. Doppler examination showed higher velocities (EDV) at spermatic cord in large dogs; marginal to the testes was observed higher velocities in small dogs; intratesticular region no differences were observed (P < 0.05) and within the groups differences between segments of the artery were also observed for each parameter. The results showed that there are differences in Doppler velocimetry parameters between different sizes.

Modelling of ultrasound assisted mixing in Newtonian and non-Newtonian liquids

The purpose of this work is to obtain a better understanding of behaviour of possible ultrasound appliance on fluid media mixing. The research is done in the regard to Newtonian and non-Newtonian fluids. The process of ultrasound appliance on liquids is modelled in COMSOL Multiphysics software. The influence of ultrasound using is introduced as waveform equation. Turbulence modelling is fulfilled by the k-ε model in Newtonian fluid. The modeling of ultrasound assisted mixing in non-Newtonian fluids is based on the power law. To verify modelling results two practical methods are used: Particle Image Velocimetry and measurements of mixing time. Particle Image Velocimetry allows capturing of velocity flow field continuously and presents detailed depiction of liquid dynamics. The second way of verification is the comparison of mixing time of homogeneity. Experimentally achievement of mixing time is done by conductivity measurements. In modelling part mixing time is achieved by special module of COMSOL Multiphysics – the transport of diluted species. Both practical and modelling parts show similar radial mechanism of fluid flow under ultrasound appliance – from the horn tip fluid moves to the bottom and along the walls goes back. Velocity profiles are similar in modelling and experimental part in the case of Newtonian fluid. In the case of non-Newtonian fluid velocity profiles do not agree. The development track of ultrasound-assisted mixing modelling is presented in the thesis.

Höyryturbiinin ulosvirtauskanaviston kokeellinen tutkimus pienoismallilla

Diplomityössä tutkittiin höyryturbiinin ulosvirtauskanavistojen kokeellisia tutkimusmenetelmiä ja suoritettiin käytännön mittauksia Fortum Oyj:n Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinien huuvan pienoismallilla. Kirjallisuusselvityksen perusteella todettiin, että pienoismallitutkimuksella on ollut keskeinen asema ulosvirtauskanavistojen suunnittelussa. Kokeellisten menetelmien perusongelmana on höyryturbiinin ulosvirtausolosuhteiden jäljitteleminen. Käytetyt mittausmenetelmät perustuvat pääosin tavanomaisiin paine- ja nopeusmittauksiin. Lisäainepartikkeleihin ja laser-valaisuun perustuva PIV (particle image velocimetry) todettiin lupaavaksi menetelmäksi ulosvirtauskanavistojen tutkimuksen saralla. Työn käytännön osuudessa tehtiin mittauksia mittasuhteessa 1:8 rakennetulle höyryturbiinin huuvan pienoismallille. Mittauksilla tutkittiin virtausta mallin sisääntulo- ja ulostulotasoissa. Lisäksi mitattiin staattisen paineen jakauma huuvan sisällä. Kokonaispainetta mittaava kiel-putki todettiin käytännölliseksi työkaluksi huuvan virtauskentän tutkimuksessa. Tuloksista käy hyvin ilmi huuvan ulostuloon syntyvien pyörteiden muodostuminen ja ulostulon epätasainen nopeusjakauma. Staattinen paine huuvan sisällä havaittiin epätasaisesti jakautuneeksi. Ulostulotason ja staattisen paineen mittauksilla saadut tulokset sopivat hyvin yhteen kirjallisuudesta löytyvien tutkimustulosten kanssa ja tukevat Loviisan ulosvirtauskanavistosta aiemmin tehtyjä CFD-simulointeja.

Monitorointimenetelmät membraanin likaantumisen seurantaan suodatuksen aikana

Membraani on ohut kalvo, jossa on pieniä nanomittakaavan reikiä, jotka erottavat partikkelit ja liuenneet yhdisteet liuoksesta. Membraanisuodatuksen käyttö on lisääntynyt merkittävästi vedenpuhdistuksessa, johtuen lisääntyneestä puhtaan veden tarpeesta ja tiukentuneista ympäristövaatimuksista. Tässä työssä esitellään reaaliaikaisia mittausmenetelmiä membraanin likaantumisen seurantaan. Esiteltyjä menetelmiä ovat suora havainnointi pinnan läpi, lasertriangulometria, varjoanalyysi, taittokykymittaus, kuvakatkaisu-menetelmä, partikkelin nopeusmääritys, radioisotooppinen merkintä ja ydinmagneettinen resonanssispektrometria. Mittausmenetelmien avulla likakerroksen paksuutta ja sen leviämistä on mahdollista seurata reaaliaikaisesti. Mittausmenetelmien soveltuvuus olemassa oleviin prosesseihin on vielä epävarmaa. Suurin osa menetelmistä on rajoittunut tiettyyn membraanin materiaaliin, tietynlaiseen membraanisuodatusprosessin rakenteeseen tai tiettyihin olosuhteisiin. Vallitsevien prosessiolosuhteiden lisäksi mittausanturin tulisi kestää myös puhdistusolosuhteet. Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan löytää toimiva laitekokonaisuus tarvittavan tiedon tuottamiseen.

Experimentelle Untersuchung der rotierenden Instabilität im Axialverdichtergitter

Die Strömung in Turboverdichtern ist geprägt von instationären Effekten. Ziel dieser experimentellen Arbeit ist die zeitlich aufgelöste Darstellung eines dieser Effekte: der rotierenden Instabilität. Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, das dem Auftreten von rotierender Ablösung vorausgeht und bereits im stabilen Arbeitsbereich auftritt. Das bessere Verständnis der rotierenden Instabilität bietet somit auch einen Ansatz zur Klärung der Ursachen, die zu rotierender Ablösung führen. Zur Durchführung der zeitlich aufgelösten Untersuchung wird im Rahmen dieser Arbeit eine Messmethodik vorgestellt, welche erstmals bei der Strömungsuntersuchung in Turbomaschinen Anwendung findet. Die Methodik basiert auf simultanen Messungen mittels konventionellem PIV und zeitlich hochaufgelöster Hitzdrahtanemometrie. Über die Frequenzanalyse des Hitzdrahtsignals ist es im Postprocessing möglich, die einzelnen PIV-Bilder gemäß ihres Phasenwinkel zu ordnen. Dieser statistische Ansatz ermöglicht die Darstellung und Analyse der zeitlichen Entwicklung von rotierender Instabilität über einer Schwingungsperiode.

Bubble Behavior in a Taylor Vortex

We present an experimental study on the behavior of bubbles captured in a Taylor vortex. The gap between a rotating inner cylinder and a stationary outer cylinder is filled with a Newtonian mineral oil. Beyond a critical rotation speed (ω[subscript c]), Taylor vortices appear in this system. Small air bubbles are introduced into the gap through a needle connected to a syringe pump. These are then captured in the cores of the vortices (core bubble) and in the outflow regions along the inner cylinder (wall bubble). The flow field is measured with a two-dimensional particle imaging velocimetry (PIV) system. The motion of the bubbles is monitored by using a high speed video camera. It has been found that, if the core bubbles are all of the same size, a bubble ring forms at the center of the vortex such that bubbles are azimuthally uniformly distributed. There is a saturation number (N[subscript s]) of bubbles in the ring, such that the addition of one more bubble leads eventually to a coalescence and a subsequent complicated evolution. Ns increases with increasing rotation speed and decreasing bubble size. For bubbles of non-uniform size, small bubbles and large bubbles in nearly the same orbit can be observed to cross due to their different circulating speeds. The wall bubbles, however, do not become uniformly distributed, but instead form short bubble-chains which might eventually evolve into large bubbles. The motion of droplets and particles in a Taylor vortex was also investigated. As with bubbles, droplets and particles align into a ring structure at low rotation speeds, but the saturation number is much smaller. Moreover, at high rotation speeds, droplets and particles exhibit a characteristic periodic oscillation in the axial, radial and tangential directions due to their inertia. In addition, experiments with non-spherical particles show that they behave rather similarly. This study provides a better understanding of particulate behavior in vortex flow structures.

Dynamics of convectively driven banded jets in the laboratory

The banded organization of clouds and zonal winds in the atmospheres of the outer planets has long fascinated observers. Several recent studies in the theory and idealized modeling of geostrophic turbulence have suggested possible explanations for the emergence of such organized patterns, typically involving highly anisotropic exchanges of kinetic energy and vorticity within the dissipationless inertial ranges of turbulent flows dominated (at least at large scales) by ensembles of propagating Rossby waves. The results from an attempt to reproduce such conditions in the laboratory are presented here. Achievement of a distinct inertial range turns out to require an experiment on the largest feasible scale. Deep, rotating convection on small horizontal scales was induced by gently and continuously spraying dense, salty water onto the free surface of the 13-m-diameter cylindrical tank on the Coriolis platform in Grenoble, France. A “planetary vorticity gradient” or “β effect” was obtained by use of a conically sloping bottom and the whole tank rotated at angular speeds up to 0.15 rad s−1. Over a period of several hours, a highly barotropic, zonally banded large-scale flow pattern was seen to emerge with up to 5–6 narrow, alternating, zonally aligned jets across the tank, indicating the development of an anisotropic field of geostrophic turbulence. Using particle image velocimetry (PIV) techniques, zonal jets are shown to have arisen from nonlinear interactions between barotropic eddies on a scale comparable to either a Rhines or “frictional” wavelength, which scales roughly as (β/Urms)−1/2. This resulted in an anisotropic kinetic energy spectrum with a significantly steeper slope with wavenumber k for the zonal flow than for the nonzonal eddies, which largely follows the classical Kolmogorov k−5/3 inertial range. Potential vorticity fields show evidence of Rossby wave breaking and the presence of a “hyperstaircase” with radius, indicating instantaneous flows that are supercritical with respect to the Rayleigh–Kuo instability criterion and in a state of “barotropic adjustment.” The implications of these results are discussed in light of zonal jets observed in planetary atmospheres and, most recently, in the terrestrial oceans.

Caracterização de microorganismos aquáticos por processamento digital de imagens e redes neurais artificiais

A identificação e o monitoramento de microorganismos aquáticos, como bactérias e microalgas, tem sido uma tarefa árdua e morosa. Técnicas convencionais, com uso de microscópios e corantes, são complexas, exigindo um grande esforço por parte dos técnicos e pesquisadores. Uma das maiores dificuldades nos processos convencionais de identificação via microscopia é o elevado número de diferentes espécies e variantes existentes nos ambientes aquáticos, muitas com semelhança de forma e textura. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para a caracterização e classificação de microorganismos aquáticos (bactérias e microalgas), bem como a determinação de características cinemáticas, através do estudo da mobilidade de microalgas que possuem estruturas que permitem a natação (flagelos). Para caracterização e reconhecimento de padrões as metodologias empregadas foram: o processamento digital de imagens e redes neurais artificiais (RNA). Para a determinação da mobilidade dos microorganismos foram empregadas técnicas de velocimetria por processamento de imagens de partículas em movimento (Particle Tracking Velocimetry - PTV). O trabalho está dividido em duas partes: 1) caracterização e contagem de microalgas e bactérias aquáticas em amostras e 2) medição da velocidade de movimentação das microalgas em lâminas de microscópio. A primeira parte envolve a aquisição e processamento digital de imagens de microalgas, a partir de um microscópio ótico, sua caracterização e determinação da densidade de cada espécie contida em amostras. Por meio de um microscópio epifluorescente, foi possível, ainda, acompanhar o crescimento de bactérias aquáticas e efetuar a sua medição por operadores morfológicos. A segunda parte constitui-se na medição da velocidade de movimentação de microalgas, cujo parâmetro pode ser utilizado como um indicador para se avaliar o efeito de substâncias tóxicas ou fatores de estresse sobre as microalgas. O trabalho em desenvolvimento contribuirá para o projeto "Produção do Camarão Marinho Penaeus Paulensis no Sul do Brasil: Cultivo em estruturas Alternativas" em andamento na Estação Marinha de Aquacultura - EMA e para pesquisas no Laboratório de Ecologia do Fitoplâncton e de Microorganismos Marinhos do Departamento de Oceanografia da FURG. O trabalho propõe a utilização dos níveis de intensidade da imagem em padrão RGB e oito grandezas geométricas como características para reconhecimento de padrões das microalgas O conjunto proposto de características das microalgas, do ponto de vista de grandezas geométricas e da cor (nível de intensidade da imagem e transformadas Fourier e Radon), levou à geração de indicadores que permitiram o reconhecimento de padrões. As redes neurais artificiais desenvolvidas com topologia de rede multinível totalmente conectada, supervisionada, e com algoritmo de retropropagação, atingiram as metas de erro máximo estipuladas entre os neurônios de saída desejados e os obtidos, permitindo a caracterização das microalgas.

Ferramenta computacional para a medição de campos de velocidade utilizando processamento digital de imagens

A proposta deste trabalho, consiste na elaboração de uma ferramenta computacional para a medição de campos de velocidades em escoamentos com baixas velocidades (< 0,5 m/s) utilizando o processamento digital de imagens. Ao longo dos anos, inúmeras técnicas foram desenvolvidas com este objetivo. Para cada tipo de aplicação, uma técnica se aplica com maior ou menor eficiência do que outras. Para o caso de estudos em fluídos transparentes, onde o escoamento pode ser visualizado, técnicas que utilizam processamento digital de imagens vêm ganhando um grande impulso tecnológico nos últimos anos. Este impulso, é devido a fatores como: câmaras vídeo filmadoras de última geração, dispositivos de aquisição de imagens e componentes de processamento e armazenamento de dados cada vez mais poderosos. Neste contexto, está a velocimetria por processamento de imagens de partículas cuja sigla é PIV (particle image velocimetry). Existem várias formas de se implementar um sistema do tipo PIV. As variantes dependem, basicamente, do equipamento utilizado. Para sua implementação é necessário, inicialmente, um sistema de iluminação que incide em partículas traçadoras adicionadas ao fluido em estudo. Após, as partículas em movimento são filmadas ou fotografadas e suas imagens adquiridas por um computador através de dispositivos de captura de imagens. As imagens das partículas são então processadas, para a obtenção dos vetores velocidade. Existem diferentes formas de processamento para a obtenção das velocidades. Para o trabalho em questão, devido às características dos equipamentos disponíveis, optou-se por uma metodologia de determinação da trajetória de partículas individuais, que, apesar de limitada em termos de módulo de velocidade, pode ser aplicada a muitos escoamentos reais sob condições controladas Para validar a ferramenta computacional desenvolvida, imagens ideais de partículas foram simuladas como se estivessem em escoamento, através do deslocamento conhecido de vários pixels. Seguindo o objetivo de validação, foi utilizada ainda uma imagem real de partículas, obtida com o auxílio de um plano de iluminação de luz coerente (LASER) e câmaras de vídeo tipo CCD. O programa desenvolvido foi aplicado em situações de escoamento real e os resultados obtidos foram satisfatórios dentro da escala de velocidades inicialmente presumida.

Malformação arteriovenosa uterina após doença trofoblástica gestacional

OBJETIVO: investigar a presença e resultados de malformações vasculares uterinas (MAVU) após doença trofoblástica gestacional (DTG). MÉTODOS: estudo retrospectivo com inclusão de casos diagnosticados entre 1987 e 2004; 2764 pacientes após DTG foram acompanhadas anualmente com ultra-sonografia transvaginal e Doppler colorido no Centro de Neoplasia Trofoblástica Gestacional da Santa Casa da Misericórdia (Rio de Janeiro, RJ, Brasil). Sete pacientes tiveram diagnóstico final de MAVU baseado em análise ultra-sonográfica - índice de pulsatilidade (IP), índice de resistência (IR) e velocidade sistólica máxima (VSM) - e achados de imagens de ressonância nuclear magnética (RNM). Dosagens negativas de beta-hCG foram decisivas para estabelecer o diagnóstico diferencial com DTG recidivante. RESULTADOS: a incidência de MAVU após DTG foi 0,2% (7/2764). Achados ultra-sonográficos de MAVU: IP médio de 0,44±0,058 (extremos: 0,38-0,52); IR médio de 0,36±0,072 (extremos: 0,29-0,50); VSM média de 64,6±23,99 cm/s (extremos: 37-96). A imagem de RNM revelou útero aumentado, miométrio heterogêneo, espaços vasculares tortuosos e vasos parametriais com ectasia. A apresentação clínica mais comum foi hemorragia transvaginal, presente em 52,7% (4/7) dos casos. Tratamento farmacológico com 150 mg de acetato de medroxiprogesterona foi empregado para controlar a hemorragia, após a estabilização hemodinâmica. Permanecem as pacientes em seguimento, assintomáticas até hoje. Duas pacientes engravidaram com MAVU, com gestações e partos exitosos. CONCLUSÃO: presente sangramento transvaginal em pacientes com beta-hCG negativo e história de DTG, deve-se considerar a possibilidade de MAVU e solicitar avaliação ultra-sonográfica com dopplervelocimetria. O tratamento conservador é a melhor opção na maioria dos casos de MAVU pós-DTG.

Alterações do fluxo sanguíneo em artéria umbilical na síndrome hipertensiva gestacional e suas implicações nos resultados neonatais

OBJETIVO: Avaliar as características antropométricas, a morbidade e mortalidade de recém-nascidos (RN) prematuros nascidos vivos de mães hipertensas em função da presença ou não de diástole zero (DZ) ou reversa (DR) na doplervelocimetria arterial umbilical. MÉTODOS: Estudo prospectivo, envolvendo RN prematuros nascidos vivos de gestantes hipertensas, com idade gestacional entre 25 e 33 semanas, submetidas à doplervelocimetria da artéria umbilical nos 5 dias que antecederam o parto, realizado no Hospital do Distrito Federal, entre 1º de novembro de 2009 e 31 de outubro de 2010. Os RN foram estratificados em dois grupos, conforme o resultado da doplervelocimetria da artéria umbilical: Gdz/dr=presença de diástole zero (DZ) ou diástole reversa (DR) e Gn=doplervelocimetria normal. Medidas antropométricas ao nascimento, morbidades e mortalidade neonatal foram comparadas entre os dois grupos. RESULTADOS: Foram incluídos 92 RN, assim distribuídos: Gdz/dr=52 RN e Gn=40 RN. No Gdz/dr a incidência de RN pequenos para idade gestacional foi significativamente maior, com risco relativo de 2,5 (IC95% 1,7‒3,7). No grupo Gdz/dr os RN permaneceram mais tempo em ventilação mecânica mediana 2 (0‒28) e no Gn mediana 0,5 (0‒25), p=0,03. A necessidade de oxigênio aos 28 dias de vida foi maior no Gdz/dr do que no Gn (33 versus10%; p=0,01). A mortalidade neonatal foi maior em Gdz/dr do que em Gn (36 versus 10%; p=0,03; com risco relativo de 1,6; IC95% 1,2 - 2,2). Nessa amostra a regressão logística mostrou que a cada 100 gramas a menos de peso ao nascer no Gdz/dr a chance de óbito aumentou 6,7 vezes (IC95% 2,0 - 11,3; p<0,01). CONCLUSÃO: em RN prematuros de mães hipertensas com alteração na doplervelocimetria da artéria umbilical a restrição do crescimento intrauterino é frequente e o prognóstico neonatal pior, sendo elevado o risco de óbito relacionado ao peso ao nascimento.