Лаборатория Святого Антония Фоллса - Saint Anthony Falls Laboratory

Вид на лабораторию в центре Миннеаполиса со стороны Saint Anthony Falls. Лаборатория расположена на острове Хеннепин. Позади него находится гидроэлектростанция, управляемая Xcel Energy. Рядом находится научно-исследовательский центр Outdoor StreamLab.

В Лаборатория Святого Антония Фоллса (прежнее название: Гидравлическая лаборатория Сент-Энтони Фоллс), или SAFL, - исследовательская лаборатория, расположенная на Остров Хеннепин в Река Миссисипи в Миннеаполис, Миннесота, Соединенные Штаты. Его основные исследования находятся в области инженерии, окружающей среды, биологии и механики геофизических жидкостей.[1] Он связан с Университет Миннесоты с Колледж науки и техники. Исследования проводятся как аспирантами, так и преподавателями с использованием исследовательских площадей площадью 16 000 квадратных футов и 24 различных специализированных учреждений.

Лаборатория уникальна тем, что ее расположение рядом с водопадом Сент-Энтони позволяет использовать гидравлическая головка из водопада, чтобы обеспечить воду для многих экспериментов.

Эксперименты, проводимые в лаборатории, разнообразны и могут включать:

  • Подрядные строительные и экологические инженерные работы, такие как строительство и удаление плотин
  • Понимание динамики речной системы
  • Работать с разведка нефти для характеристики отложений в дельтовых системах
  • Работа, чтобы понять взаимосвязь между потоком жидкости и экологией рек.
  • Работа над пониманием кавитации в жидкостях для создания лучших гребных винтов

Лаборатория Сент-Энтони Фоллс также является штаб-квартирой Национальный центр динамики земной поверхности, а Национальный фонд науки Научно-технический центр.[2]

История

SAFL был спроектирован и построен в 1930-х годах на средства, предоставленные Управление прогресса работ и возглавлялась Лоренцем Г. Штраубом до его смерти в 1963 году. Строительство началось в марте 1936 года, а лаборатория была открыта и освящена в ноябре 1938 года.

Сначала SAFL сосредоточился на гидравлических и инженерных исследованиях, но после смерти Штрауба лаборатория начала расширять свои исследования до более широких областей, таких как стратифицированные потоки, турбулентность и гидрология. Аэродинамическая труба слоя атмосферы и несколько лотков также были добавлены к коллекции исследовательских объектов. Это стало возможным благодаря финансированию из Национальный научный фонд (NSF).

С 1977 по 1993 год лаборатория делала упор на интеграции образования, фундаментальных и прикладных исследований. Несколько новых преподавателей были назначены для того, чтобы привнести новые исследовательские усилия в SAFL, такие как вычислительная гидродинамика, водные ресурсы и энергия, исследования водных ресурсов окружающей среды, военно-морская гидродинамика, кавитация, ветроэнергетика, развитие малой гидроэнергетики, моделирование осадков и геоморфология, чтобы назвать несколько. NSF сделал SAFL штаб-квартирой Национального центра динамики земной поверхности (NCED) в 2002 году, центра, посвященного более крупным технологиям прогнозирования земной поверхности и исследованиям.

В 2006 году Университет Миннесоты и лаборатория Сент-Энтони Фоллс создали консорциум исследований ветроэнергетики под названием EOLOS, который объединил академических партнеров, представителей промышленности и правительственные лаборатории с помощью гранта Министерства энергетики. Этот новый объект, расположенный к югу от Миннеаполиса, привнес в SAFL больше возможностей в мир исследований в области возобновляемых источников энергии, среди прочего добавив ветряную турбину.

С тех пор SAFL стал всемирно известным лидером в изучении поверхности земли и гидродинамики. За прошедшие годы было добавлено множество новых объектов для расширения исследовательских возможностей, и многие из них были фактически созданы персоналом и используются исключительно исследователями SAFL.

Финансирование расширения SAFL на протяжении многих лет поступало из ряда внешних источников, таких как НАСА, NSF, ВМС США, Министерство энергетики, Управление научных исследований ВВС, Гамбургский модельный бассейн, Законодательно-гражданская комиссия по ресурсам Миннесоты и многие другие.

Лаборатория Сент-Энтони-Фоллс была добавлена ​​в качестве исследовательского центра к Научно-техническому колледжу Университета Миннесоты в 2011 году.

Исследовательские программы

Исследования в SAFL включают работу во многих областях, включая гражданское строительство, гидротехнику, гидрологию, экологию и геологию. Исследования в SAFL стимулировались в первое десятилетие 21 века его статусом штаб-квартиры Национальный центр динамики земной поверхности (NCED)

Аналоговые модели материалов речной и осадочный системы используются геологами в SAFL для понимания причин морфологии и динамики речного русла, а также для восстановления истории событий, которые вызывают определенные стратиграфические пакеты. Исследователи, работающие над морфологией каналов, показали важность растительности в ограничении плетеных каналов единственной (и часто извилистой) системой.[3][4] Исследования, проведенные на экспериментальных дельтах конуса выноса наносов, выявили статистические данные о занятии стока и их потенциальной опасности для жизни и имущества.[5] продемонстрирована автогенная цикличность в схемах накопления и высвобождения наносов, которые определяют краткосрочное положение береговой линии,[6] и был связан с стратиграфия последовательностей и процессы, образующие стратиграфическую запись.[6][7][8][9][10][11]

Исследования в SAFL в основном сосредоточены в четырех основных областях:

  • Поверхность земли, вода и жизнь
  • Смягчение последствий глобального изменения окружающей среды
  • Системы возобновляемой энергии
  • Механика биомедицинских жидкостей для персонализированной медицинской помощи

Исследование поверхности земли, воды и жизни

В 2002 году SAFL стал сотрудничать с NCED, научно-техническим центром NSF, который занимается разработкой комплексного количественного подхода к прогнозированию эволюции земной поверхности. Он сосредоточен на полном спектре критических дисциплин, таких как инженерия, науки о Земле, биология, математика, физика и социальные науки. Теперь SAFL является частью NCED2, гранта, который поддерживает продолжение постдокторских и информационных программ синтеза исследований, созданных NCED.

В настоящее время исследования поверхности Земли SAFL вращаются вокруг следующих взаимосвязанных тем:

  • Многомасштабная виртуальная водная среда
  • Взаимодействие потока жидкости, физиологии микроорганизмов и биогеохимии
  • Частицы, пузырьки и другие многофазные потоки
  • Дельты и системы осадконакопления
  • Речные сети как коридоры экологических изменений

Долгосрочное исследовательское видение SAFL состоит в том, чтобы «разработать взаимосвязанную систему теоретических и вычислительных моделей, поддерживаемую потоками данных из среды обитания на поверхности, которая может обеспечить проверяемые адаптивные прогнозы для различных сценариев, от восстановления окружающей среды и смягчения последствий стихийных бедствий до изменений в осадках. к глобальному повышению уровня моря ".[12]

Исследование глобального изменения окружающей среды

SAFL имеет активные исследовательские программы в ряде областей для оценки и количественной оценки воздействия глобальных изменений и разработки научно обоснованных решений для смягчения их последствий, таких как изменение атмосферы и деградация водных ресурсов.

Области исследований SAFL включают:

  • Наблюдения за Землей из космоса для оценки глобального изменения окружающей среды
  • Опасность селей
  • Разлив реки
  • Качество воздуха
  • Качество воды и среда обитания

«Смягчение последствий глобального изменения окружающей среды будет в авангарде научных исследований на многие десятилетия вперед. SAFL позиционируется, чтобы помочь создать реальные и измеримые воздействия за счет катализирования крупномасштабных междисциплинарных исследований, интеграции инженерии с социальными, поведенческими и экономическими науками , используя большие данные и науку, основанную на данных, используя экспоненциально растущие вычислительные мощности и активно вовлекая заинтересованные стороны, лиц, определяющих политику, и сообщества ". [12]

Исследования в области возобновляемых источников энергии

С 2007 года SAFL разработала новые экспериментальные установки в лабораторных и полевых масштабах, передовые вычислительные инструменты и установила новые партнерские отношения с промышленными и государственными лабораториями, чтобы позиционировать себя для более эффективных исследований в области механики жидкости и систем возобновляемой энергии. Это направление исследований направлено на использование исследований и технологий для борьбы и изучения последствий изменения климата, таких как более частые экстремальные погодные явления и повышение уровня моря.

Исследования SAFL в этой области включают:

  • Ветряная энергия
  • Гидроэнергетика (включая гидроэнергетику, морские и гидрокинетические технологии)
  • Производство биотоплива из микроскопических водорослей.

«Наиболее экономически осуществимые стратегии значительного сокращения глобальных выбросов углерода включают существенное увеличение производства энергии из возобновляемых ресурсов, которые в настоящее время составляют лишь 10-13% мирового энергетического портфеля ... Технологии возобновляемых источников энергии, основанные на энергии ветра, морской гидрокинетической энергии, и энергия биотоплива являются неотъемлемой частью живой окружающей среды на поверхности Земли. Внедрение этих технологий должно поддерживаться механистическими моделями, которые основываются на данных в реальном времени, и должны быть интегрированы с политикой, экономикой, науками о здоровье человека и экологией. SAFL может обеспечить национальное лидерство по всем этим направлениям, работая с мыслями о том, чтобы активно вовлекать промышленность, правительство и государственные учреждения, а также другие заинтересованные стороны в области возобновляемых источников энергии ». [12]

Биомедицинские исследования механики жидкостей

Связь между механикой жидкостей и биологией привела к росту в последние годы исследований, направленных на понимание механики жидкостей человеческого тела и количественную оценку их связи с путями болезней.

SAFL - лидер в исследованиях механики сердечно-сосудистой жидкости, использующий исследовательский подход на основе моделирования. Новые инструменты компьютерной гемодинамики были разработаны, проверены и применены для изучения широкого круга клинически значимых проблем. В рамках UMN были установлены партнерские отношения с Департаментом биомедицинской инженерии, Департаментом аэрокосмической инженерии и механики, Медицинской школой и Институтом инженерии в медицине, а также с клиникой Мэйо и другими сотрудниками по всей стране.

Темы исследований включают:

  • Исследование механики сердечно-сосудистой жидкости
  • Исследование механики дыхательной жидкости

Руководящей задачей биомедицинских исследований механики жидкостей в ближайшие годы является интеграция вычислительных инструментов из академических исследований в клиническую практику, поддерживающую быстро развивающееся будущее персонализированного здравоохранения.

Научно-исследовательская база и инженерные услуги[13]

Лаборатория Сент-Энтони Фоллс - это исследовательский центр площадью 16 000 квадратных футов на реке Миссисипи. Лаборатория имеет 15 лотков, резервуаров и каналов общего назначения, которые легко настраиваются в соответствии с потребностями проекта и могут бесконечно перекачивать воду из Миссисипи со скоростью до 300 фут3 / с. Сооружения в SAFL включают главный канал, по которому вода реки Миссисипи может быть направлена ​​для крупномасштабных экспериментов по переносу наносов; бассейны дельты, предназначенные для быстрого построения экспериментальной стратиграфии; экспериментальный объект EarthScape (XES, прозванный «юрский резервуар»), погружающийся бассейн для крупномасштабного моделирования отложений; Лаборатория Outdoor Stream Lab, которая используется для понимания речных процессов и экологии прибрежных вод в масштабе поля; и много другого оборудования. Лаборатория известна тем, что быстро конструирует и разрушает экспериментальные аппараты, в том числе натурные модели рек, чтобы понять влияние удаление плотины.

Инженерные услуги[14]

Основной канал

Главный канал - крупнейший исследовательский канал SAFL, длина которого составляет 275 футов, представляет собой прямой бетонный канал, способный пропускать воду из реки Миссисипи со скоростью 300 футов3 / с, которая может использоваться как система прудов или поток. -проходная система. Канал оборудован волноводом, системой контроля и рециркуляции наносов и тележкой для сбора данных.

EXperimental EarthScape (по прозвищу «юрский танк» или XES)

Этот специализированный бассейн используется для изучения морфодинамики дельт и бассейнов в геологических временных масштабах. Этот бассейн уникален для SAFL из-за его конструкции и возможностей: он может включать эффекты тектонизма на поверхностные процессы путем моделирования оседания дна бассейна, а его передача данных позволяет собирать данные по всему бассейну XES и помогает в «разрезании» для большего видимые сечения. Бассейн XES является домом для самой совершенной системы передачи данных SAFL.

Бассейны дельты

Эти два прямоугольных бассейна являются частью исследований SAFL по дельтам и дельтовым системам. Бассейны позволяют контролировать поверхность воды, поступление наносов и скорость подачи воды. Сбор данных включает в себя новую тележку данных, разработанную SAFL, топографический сканер и различные системы камер. Оба бассейна имеют размеры 16,4 х 16,4 футов и глубину 2,1 фута.

Открытый streamLab[15]

Расположенный за пределами здания SAFL, этот уникально оформленный открытый полевой объект был разработан SAFL и NCED и может использоваться для проведения более крупных экспериментов в контролируемых условиях. Он способен создавать наводнения и имеет широкий диапазон расходов для гидрологических, экологических и биологических исследований. OSL допускает диапазон значений расхода воды, скорости поступления наносов, извилистого изгиба реки, формирования русла и возможности затопления. Это используется для облегчения различных возможностей исследования поймы, растительности и каналов. StreamLab имеет выход рециркуляционной воды до 200 л / с.

Аэродинамическая труба[16]

Разработанная для моделирования пограничного слоя воздух / земля, аэродинамическая труба может обеспечивать циркулирующий или прямоточный поток воздуха со скоростью до 148 футов / с. Он оснащен стеклянной смотровой стеной, возможностью изменения температуры и поверхности, вращающимся поворотным столом, генератором дыма и лазерными приборами. В туннеле есть возможность регулирования температуры, что позволяет изучать влияние термической стратификации атмосферы на конструкции.

CloudIA

CloudIA - это созданный SAFL объект, состоящий из 256 индивидуально управляемых воздушных форсунок, которые могут создавать турбулентность воздуха в 1 м³. Он предназначен для воспроизведения условий атмосферы для изучения частиц.

поведение в меньшем масштабе. Жидкие или твердые микрочастицы могут падать с регулируемой скоростью и отслеживаются несколькими высокоскоростными камерами и лазером с высокой частотой повторения. CloudIA также полностью прозрачна, что позволяет

видимость.

EOLOS[17]

Консорциум ветроэнергетики, который сотрудничает со многими организациями, от небольших компаний до государственных учреждений, таких как Министерство энергетики США. Текущие исследовательские проекты связаны с размещением ветряных электростанций, мониторингом на основе условий, оптимизацией систем управления, аэроупругим моделированием, методами снижения сопротивления и шума, взаимодействием радаров с ветряными электростанциями, силовой электроникой и коробками передач.

Другие исследовательские центры

SAFL также имеет ряд других специализированных исследовательские центры которые включают в себя несколько лотков, каналов, резервуаров и бассейнов различных форм и размеров в зависимости от исследовательского проекта.

Образование и пропаганда

Публичные лекции

В течение учебного года SAFL принимает еженедельные семинары по различным темам, связанным с механикой и инженерией экологических, геофизических и биологических жидкостей, с участием докладчиков из академических кругов, государственных учреждений и промышленности. Эти семинары бесплатны и открыты для публики.

Опыт исследований для студентов (REU)

Программа REU - это результат сотрудничества Университета Миннесоты, группы Fond du Lac Band на озере Верхнее Чиппева и конфедеративных племен салиш и кутенай в Монтане для изучения различных исследовательских тем, которые могут помочь решить проблемы сообщества. Темы могут быть сосредоточены на динамике поверхности Земли, геологии, гражданском и экологическом строительстве, экологии, биологии, гидрологии и т. Д.

Рекомендации

  1. ^ Официальный сайт - Домашняя страница: http://www.safl.umn.edu/
  2. ^ "Добро пожаловать в NCED!". Получено 2009-08-15.
  3. ^ Таль, Михал; Паола, Крис (2007). «Динамические однопоточные каналы, поддерживаемые взаимодействием потока и растительности». Геология. 35 (4): 347. Bibcode:2007Гео .... 35..347T. Дои:10.1130 / G23260A.1.
  4. ^ Таль, Михал; Паола, Крис (2010). «Влияние растительности на морфодинамику русла: результаты и выводы лабораторных экспериментов». Процессы земной поверхности и формы рельефа. 35 (9): 1014. Bibcode:2010ESPL ... 35.1014T. Дои:10.1002 / esp.1908.
  5. ^ Казаначли, Дан; Паола, Крис; Паркер, Гэри (2002). «Экспериментальный крутой плетеный поток: приложение к риску затопления вентиляторов». Журнал гидротехники. 128 (3): 322. Дои:10.1061 / (ASCE) 0733-9429 (2002) 128: 3 (322).
  6. ^ а б Ким, Вонсак; Паола, Крис; Свенсон, Джон Б.; Воллер, Воан Р. (2006). «Реакция береговой линии на аутогенные процессы накопления и выброса наносов в речной системе». Журнал геофизических исследований. 111. Bibcode:2006JGRF..11104013K. Дои:10.1029 / 2006JF000470.
  7. ^ Мартин, Джон; Паола, Крис; Абреу, Витор; Нил, Джек; Листы, Бен (2009). «Последовательная стратиграфия экспериментальных пластов при известных условиях дифференциального проседания и переменного базового уровня». Бюллетень AAPG. 93 (4): 503. Дои:10.1306/12110808057.
  8. ^ Пол Л. Хеллер, 1 Крис Паола, 2 In-G (2001). «Геоморфология и стратиграфия последовательностей из-за медленных и быстрых изменений базового уровня в экспериментальном погружающемся бассейне (XES 96-1)». Бюллетень AAPG. 85. Дои:10.1306 / 8626CA0F-173B-11D7-8645000102C1865D.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ Sheets, B. A .; Hickson, T. A .; Паола, К. (2002). «Сборка стратиграфической записи: модели отложений и временные масштабы в экспериментальном аллювиальном бассейне». Бассейновые исследования. 14 (3): 287. Bibcode:2002BasR ... 14..287S. Дои:10.1046 / j.1365-2117.2002.00185.x.
  10. ^ Ким, Вонсак; Паола, Крис (2007). «Долгопериодная циклическая седиментация с постоянным тектоническим воздействием в экспериментальной эстафетной рампе». Геология. 35 (4): 331. Bibcode:2007Гео .... 35..331K. Дои:10.1130 / G23194A.1.
  11. ^ Strong, N .; Паола, К. (2008). «Долины, которых никогда не было: поверхности времени против стратиграфических поверхностей». Журнал осадочных исследований. 78 (8): 579. Bibcode:2008JSedR..78..579S. Дои:10.2110 / jsr.2008.059.
  12. ^ а б c Стратегический план лаборатории Сент-Энтони Фоллс на 2015–2020 гг.. 2015.
  13. ^ «Продвигайте свои исследования с помощью нашей лабораторной базы | Лаборатория Сент-Энтони Фоллс». www.safl.umn.edu. Получено 2015-11-30.
  14. ^ "Инженерные услуги | Лаборатория Сент-Энтони Фоллс". www.safl.umn.edu. Получено 2015-11-30.
  15. ^ "Натурные исследования окружающей среды: Открытый StreamLab | Лаборатория Сент-Энтони Фоллс". www.safl.umn.edu. Получено 2015-11-30.
  16. ^ "Аэродинамическая труба пограничного слоя атмосферы | Лаборатория Сент-Энтони Фоллс". www.safl.umn.edu. Получено 2015-12-03.
  17. ^ "Eolos | Консорциум исследований ветроэнергетики". eolos.umn.edu. Получено 2015-12-03.

Координаты: 44 ° 58′57 ″ с.ш. 93 ° 15′18 ″ з.д. / 44,98250 ° с. Ш. 93,25500 ° з. / 44.98250; -93.25500