Saint Anthony Falls Laboratory
Saint Anthony Falls Laboratory (tidigare namn: Saint Anthony Falls Hydraulic Laboratory), eller SAFL , är ett forskningslaboratorium beläget på Hennepin Island i Mississippifloden i Minneapolis , Minnesota , USA. Dess primära forskning är inom "Engineering, Environmental, Biological and Geophysical Fluid Mechanics". Det är anslutet till University of Minnesotas College of Science and Engineering . Forskning bedrivs av både doktorander och fakulteter med hjälp av 16 000 kvadratfot forskningsutrymme och 24 olika specialiserade anläggningar.
Laboratoriet är unikt genom att dess läge bredvid Saint Anthony Falls gör att det kan använda hydraulhuvudet från vattenfallet för att ge vatten till många av experimenten.
Experimenten som utförs på laboratoriet är varierande och kan innefatta:
- Entreprenader anläggnings- och miljötekniska arbeten, såsom dammbyggnation och flytt
- Förstå flodsystemets dynamik
- Arbeta med oljeprospektering för att karakterisera fyndigheter i deltasystem
- Arbeta för att förstå samspelet mellan vätskeflödet och flodernas ekologi
- Arbeta med att förstå kavitation i vätskor för att bygga bättre propellrar
Saint Anthony Falls Laboratory är också huvudkontoret för National Center for Earth-surface Dynamics, ett National Science Foundation Science and Technology Center.
Laboratoriet är en bidragande resurs från Saint Anthony Falls Historic District som är listat i National Register of Historic Places .
Historia
SAFL designades och byggdes på 1930-talet med finansiering från Works Progress Administration och leddes av Lorenz G. Straub fram till hans död 1963. Bygget påbörjades i mars 1936 och labbet öppnades och invigdes i november 1938.
Till en början fokuserade SAFL på hydraulik och ingenjörsforskning, men efter Straubs död började labbet utöka sin forskning till bredare fokus som stratifierade flöden, turbulens och hydrologi. En vindtunnel med atmosfäriskt lager och flera rännor lades också till samlingen av forskningsanläggningar. Detta möjliggjordes genom finansiering från National Science Foundation (NSF) .
Från 1977 till 1993 betonade laboratoriet integrationen av utbildning och grundläggande och tillämpad forskning. Flera nya fakulteter utsågs för att tillföra nya forskningsinsatser till SAFL som beräkningsvätskedynamik, vattenresurser och energi, miljöforskning inom vatten, marin hydrodynamik, kavitation, vindteknik, utveckling av små vattenkrafter, modellering av regn och geomorfologi för att nämna några. NSF gjorde SAFL till högkvarter för National Center of Earth-Surface Dynamics (NCED) 2002, ett centrum som ägnas åt mer prediktiv jordyteteknologi och forskning.
Under 2006 implementerade University of Minnesota och St. Anthony Falls Laboratory ett forskningskonsortium för vindenergi, kallat EOLOS, som samlade akademiska partners, industri och statliga laboratorier med hjälp av ett anslag från Department of Energy. Denna nya anläggning belägen strax söder om Minneapolis förde SAFL mer in i en värld av forskning om förnybar energi med bland annat ett vindkraftverk.
Sedan dess har SAFL blivit en internationellt känd ledare inom studiet av jordens yta och vätskedynamik. Flera nya faciliteter har lagts till under åren för att utöka forskningskapaciteten och många har faktiskt skapats av personalen och används uteslutande av SAFL-forskare.
Finansiering för SAFLs expansioner har kommit under åren från ett antal externa källor som NASA , NSF, US Navy, Department of Energy, Air Force Office of Scientific Research , Hamburg Ship Model Basin, Legislative-Citizen Commission for Minnesota Resources och många Mer.
St. Anthony Falls Laboratory lades till som en forskningsanläggning till University of Minnesota College of Science and Engineering 2011.
Forskningsprogram
Forskningen vid SAFL omfattar arbete inom många områden, inklusive civilingenjör, vattenteknik, hydrologi, ekologi och geologi. Forskning vid SAFL har stimulerats under det första decenniet av 2000-talet av dess status som huvudkontor för National Center for Earth-surface Dynamics ( NCED)
Analoga materialmodeller av fluvial- och avsättningssystem används av geologer vid SAFL för att förstå orsakerna till flodkanalers morfologi och dynamik, samt för att rekonstruera historien om händelser som producerar särskilda stratigrafiska paket . Forskare som arbetar med kanalmorfologi har visat vikten av vegetation för att begränsa flätade kanaler till ett enda trådsystem (och ofta slingrande). Forskning gjord på experimentella alluviala fläktdeltat har belyst statistiken över flödesockupation och deras potentiella fara för liv och egendom, visat autogen cyklicitet i mönster av sedimentlagring och frisättning som bestämmer kortsiktiga strandlinjepositioner, och har kopplats till sekvensstratigrafi och processer som bildar den stratigrafiska posten.
Forskningen vid SAFL är främst koncentrerad till fyra huvudområden:
- Jordytan, vatten och liv
- Att mildra effekterna av globala miljöförändringar
- Förnybara energisystem
- Biomedicinsk vätskemekanik för personlig hälsovård
Forskning om jordens yta, vatten och liv
SAFL blev involverad i NCED 2002, ett NSF Science and Technology-center som fokuserar på att utveckla en integrerad, kvantitativ metod för att förutsäga utvecklingen av jordens yta. Den koncentrerar sig på ett komplett utbud av kritiska discipliner som teknik, geovetenskap, biologi, matematik, fysik och samhällsvetenskap. Nu är SAFL en del av NCED2, ett anslag som stödjer fortsättningen av forskningssyntesens postdoktorala och uppsökande program skapade av NCED.
För närvarande kretsar SAFLs jordytaforskning kring följande sammanlänkade teman:
- Flerskaliga virtuella vattenmiljöer
- Samspel mellan vätskeflöde, mikroorganismfysiologi och biogeokemi
- Partiklar, bubblor och andra flerfasflöden
- Delta och deponeringssystem
- Flodnätverk som korridorer för miljöförändringar
SAFLs långsiktiga forskningsvision är att "utveckla ett sammankopplat system av teoretiska och beräkningsmodeller, stödda av dataströmmar från den levande ytmiljön, som kan ge testbara, adaptiva förutsägelser för scenarier som sträcker sig från miljöåterställning och begränsning av naturliga risker till förändringar i nederbörd. till en global havsnivåhöjning."
Forskning om global miljöförändring
SAFL har aktiva forskningsprogram inom ett antal områden för att bedöma och kvantifiera effekterna av globala förändringar och för att utveckla vetenskapsbaserade lösningar för att mildra deras konsekvenser såsom en förändrad atmosfär och en försämring av vattenresurser.
SAFLs forskningsområden inkluderar:
- Jordobservationer från rymden för att bedöma globala miljöförändringar
- Faror för skräpflöde
- Flod översvämning
- Luftkvalitet
- Vattenkvalitet och livsmiljö
"Att mildra effekterna av globala miljöförändringar kommer att ligga i framkant av vetenskaplig forskning i många decennier framöver. SAFL är positionerat för att bidra till att skapa verkliga och mätbara effekter genom att katalysera storskalig tvärvetenskaplig forskning, integrera teknik med sociala, beteendevetenskapliga och ekonomiska vetenskaper , utnyttja big data och datadriven vetenskap, utnyttja exponentiellt växande beräkningskapacitet och aktivt engagera intressenter, beslutsfattare och samhällen."
Forskning om förnybar energi
Sedan 2007 har SAFL utvecklat nya experimentanläggningar i laboratorie- och fältskala, avancerade beräkningsverktyg och nya partnerskap med industri- och statliga laboratorier för att positionera sig för mer kapabel forskning inom strömningsmekanik och förnybara energisystem. Denna forskningsinriktning syftar till att använda forskning och teknik för att bekämpa och studera effekterna av klimatförändringar såsom mer frekventa extrema väderfenomen och havsnivåhöjningar.
SAFLs forskning inom detta område inkluderar:
- Vindkraft
- Vattenkraft (inklusive vattenkraft och marin och hydrokinetisk teknik)
- Biobränsleproduktion från mikroskopiska alger.
"De mest ekonomiskt genomförbara strategierna för att avsevärt minska de globala koldioxidutsläppen innebär avsevärda ökningar av energiproduktionen från förnybara resurser, som för närvarande bara bidrar med 10-13% i världens energiportfölj... Förnybar energiteknik baserad på vindenergi, marin hydrokinetisk energi, och biobränsleenergi är integrerade delar av den levande miljön på jorden. Implementeringen av dessa tekniker bör stödjas av mekanistiska modeller, som drivs av realtidsdata, och bör integreras med politik, ekonomi, humanhälsovetenskap och ekologi . SAFL kan tillhandahålla nationellt ledarskap på alla dessa fronter och arbeta med ett tänkesätt för att aktivt engagera industrin, myndigheter och statliga myndigheter och andra intressenter inom förnybar energi."
Forskning om biomedicinsk vätskemekanik
Kopplingen mellan vätskemekanik och biologi har lett till tillväxt under senare år av forskning som syftar till att förstå människokroppens vätskemekanik och kvantifiera deras kopplingar till sjukdomsvägar.
SAFL är ledande inom kardiovaskulär vätskemekanisk forskning med hjälp av en simuleringsbaserad forskningsansats. Nya beräkningshemodynamikverktyg har utvecklats, validerats och tillämpats för att studera ett brett spektrum av kliniskt relevanta problem. Partnerskap har etablerats och utnyttjats inom UMN med Institutionen för biomedicinsk teknik, Institutionen för flygteknik och mekanik, Medical School och Institutet för teknik i medicin, samt med Mayo Clinic och andra samarbetspartners runt om i landet.
Forskningsteman inkluderar:
- Kardiovaskulär vätskemekanisk forskning
- Forskning om andningsvätskemekanik
Den vägledande uppgiften för forskning inom biomedicinsk vätskemekanik under de kommande åren är integrering av beräkningsverktyg från den akademiska forskningsarenan till klinisk praktik som stödjer den snabbt framväxande framtiden för personlig hälsovård.
Forskningsanläggningar och ingenjörstjänster
St. Anthony Falls Laboratory är en 16 000 kvadratmeter stor forskningsanläggning vid Mississippifloden. Labbet har 15 rännor för allmänna ändamål, tankar och kanaler som är lätta att konfigurera för ett projekts behov och kan pumpa in vatten från Mississippi på obestämd tid med upp till 300 ft³/s. Faciliteter vid SAFL inkluderar huvudkanalen, genom vilken Mississippiflodens vatten kan skickas för storskaliga sedimenttransportexperiment; deltabassängerna, designade för att snabbt bygga experimentell stratigrafi; den experimentella EarthScape-anläggningen (XES, smeknamnet "Jurassic Tank"), en avtagande bassäng för storskalig avsättningsmodellering; Outdoor Stream Lab, som används för att förstå fluvialprocesser och strandekologi närmare en fältskala; och många andra delar av utrustning. Labbet är känt för att snabbt konstruera och förstöra experimentella apparater, inklusive fullskaliga modeller av floder för att förstå effekterna av borttagning av damm .
Ingenjörstjänster
Huvudkanal
Huvudkanalen är SAFL:s största forskningskanal, som mäter 275 fot i längd, är en rak, betongkanal som har en kapacitet på 300 ft³/s vattenflöde från Mississippifloden som kan köras som ett dammsystem eller ett flöde -genom systemet. Kanalen är utrustad med en våggenerator, sedimentflödesövervakning och recirkulationssystem och en datainsamlingsvagn.
Experimental EarthScape (med smeknamnet "Jurassic Tank" eller XES)
Denna specialiserade bassäng används för att studera delta- och bassängmorfodynamik på geologiska tidsskalor. Denna bassäng är unik för SAFL på grund av dess design och kapacitet: den kan införliva effekterna av tektonism på ytprocesser genom att simulera sättningar i bassänggolvet och dess databärare tillåter datainsamling över hela XES-bassängen och hjälper till att "skiva" för mer synliga tvärsnitt. I XES-bassängen finns SAFLs mest avancerade datavagn.
Deltabassänger
Dessa två rektangulära bassänger ingår i SAFLs forskning om delta och deltasystem. Bassängerna tillåter kontroll av vattenytan, sedimentmatning och vattenmatningshastigheter. Datainsamlingen inkluderar en ny SAFL-designad datavagn, topografisk skanner och olika kamerasystem. Båda bassängerna är 16,4 x 16,4 fot och är 2,1 fot djupa.
Utomhus streamLab
Belägen utanför SAFL-byggnaden utvecklades denna unikt designade utomhusanläggning i fältskala av SAFL och NCED och kan användas för att utföra större experiment under kontrollerade förhållanden. Den är kapabel att skapa översvämningar och har ett stort utbud av flödeshastigheter för hydrologisk, ekologisk och biologisk forskning. OSL tillåter en rad vattenflöden, sedimentmatningshastigheter, en slingrande flodböj, kanalbildning och översvämningsmöjligheter. Detta används för att underlätta en mängd olika översvämnings-, vegetations- och kanalforskningsmöjligheter. StreamLab har ett recirkulerande vattenutflöde på upp till 200 L³/s
Vind tunnel
Utformad för modellering av luft/land-gränsskiktet kan vindtunneln ge ett cirkulerande eller engångsflöde av luft som kan nå upp till 148 ft/s. Den är utrustad med en glasobservationsvägg, temperatur- och ytvariationsmöjligheter, en roterande skivspelare, rökgenerator och laserinstrumentering. Tunneln har temperaturkontrollfunktioner som möjliggör studier av effekterna av termisk skiktning i atmosfären på strukturer.
CloudIA
CloudIA är en SAFL-skapad anläggning som är sammansatt av 256 individuellt styrda luftstrålar som kan generera 1 m³ luftturbulens. Den är utformad för att replikera förhållanden som finns i atmosfären för att studera partiklar
beteende i mindre skala. Flytande eller fasta mikropartiklar kan släppas in med justerbara hastigheter och spåras av flera höghastighetskameror och en laser med hög repetition. CloudIA är också helt transparent för att tillåta live
synlighet.
EOLOS
Ett vindenergikonsortium som samarbetar med många organisationer som sträcker sig från små företag till statliga myndigheter som US Department of Energy. Pågående forskningsprojekt handlar om vindkraftsparksplacering, tillståndsbaserad övervakning, styrsystemoptimering, aeroelastisk modellering, luftmotstånd och bullerreduceringsmetoder, radarinteraktioner med vindkraftsparker, kraftelektronik och växellådor.
Andra forskningsanläggningar
SAFL har även ett antal andra specialiserade forskningsanläggningar som inkluderar flera räntor, kanaler, tankar och bassänger av varierande former och storlekar beroende på forskningsprojekt.
Utbildning och uppsökande verksamhet
Offentliga föreläsningar
Under läsåret håller SAFL veckovisa seminarier om olika ämnen relaterade till miljö, geofysisk och biologisk vätskemekanik och teknik med föredragshållare från akademi, myndigheter och industri. Dessa seminarier är gratis och öppna för allmänheten.
Forskningserfarenhet för studenter (REU)
REU-programmet är ett samarbete mellan University of Minnesota, Fond du Lac Band i Lake Superior Chippewa och de konfedererade Salish- och Kootenai-stammarna i Montana för att studera olika forskningsämnen som kan hjälpa problem i samhället. Ämnen kan koncentreras på jordytans dynamik, geologi, civil- och miljöteknik, ekologi, biologi, hydrologi, etc.