Saint Anthony Falls Laboratory ( ранее название: Saint Anthony Falls Hydraulic Laboratory), или SAFL, — это исследовательская лаборатория, расположенная на острове Хеннепин на реке Миссисипи в Миннеаполисе , штат Миннесота , США. Ее основные исследования посвящены «Инженерной, экологической, биологической и геофизической механике жидкостей». [2] Она связана с Колледжем науки и техники Университета Миннесоты . Исследования проводятся аспирантами и преподавателями с использованием 16 000 квадратных футов исследовательского пространства и 24 различных специализированных объектов.
Лаборатория уникальна тем, что ее расположение рядом с водопадом Сент-Энтони позволяет использовать гидравлический напор водопада для обеспечения водой многих экспериментов.
Эксперименты, проводимые в лаборатории, разнообразны и могут включать:
Лаборатория Сент-Энтони-Фолс также является штаб-квартирой Национального центра динамики земной поверхности , Научно-технического центра Национального научного фонда . [3]
Лаборатория является ресурсом исторического района Сент-Энтони-Фолс , который занесен в Национальный реестр исторических мест . [4]
SAFL была спроектирована и построена в 1930-х годах при финансовой поддержке Управления прогресса работ и возглавлялась Лоренцом Г. Штраубом до своей смерти в 1963 году. Строительство началось в марте 1936 года, а открытие и освящение лаборатории состоялось в ноябре 1938 года.
Сначала SAFL сосредоточилась на гидравлических и инженерных исследованиях, но после смерти Штрауба лаборатория начала расширять свои исследования на более широкие направления, такие как стратифицированные потоки, турбулентность и гидрология. К коллекции исследовательских объектов также были добавлены аэродинамическая труба атмосферного слоя и несколько лотков. Это стало возможным благодаря финансированию Национального научного фонда (NSF) .
С 1977 по 1993 год лаборатория делала акцент на интеграции образования, фундаментальных и прикладных исследований. Было назначено несколько новых преподавателей, чтобы привнести в SAFL новые исследовательские усилия, такие как вычислительная гидродинамика, водные ресурсы и энергия, исследования окружающей среды, морская гидродинамика, кавитация, ветроэнергетика, развитие малой гидроэнергетики, моделирование осадков и геоморфология, и это лишь некоторые из них. В 2002 году NSF сделал SAFL штаб-квартирой Национального центра динамики поверхности Земли (NCED), центра, посвященного более прогностической технологии и исследованиям поверхности Земли.
В 2006 году Университет Миннесоты и лаборатория Сент-Энтони-Фолс создали консорциум по исследованию ветровой энергии под названием EOLOS, который объединил академических партнеров, промышленность и правительственные лаборатории с помощью гранта от Департамента энергетики. Этот новый объект, расположенный к югу от Миннеаполиса, принес SAFL больше в мир исследований возобновляемой энергии, добавив ветряную турбину среди прочего.
С тех пор SAFL стал всемирно известным лидером в изучении земной поверхности и динамики жидкости. За эти годы было добавлено множество новых объектов для расширения исследовательских возможностей, и многие из них были фактически созданы сотрудниками и используются исключительно исследователями SAFL.
Финансирование расширения SAFL на протяжении многих лет осуществлялось из ряда внешних источников, таких как NASA , NSF, ВМС США, Министерство энергетики, Управление научных исследований ВВС , Hamburg Ship Model Basin, Законодательно-гражданская комиссия по ресурсам Миннесоты и многие другие.
Лаборатория Сент-Энтони-Фолс была присоединена в качестве исследовательского центра к Колледжу науки и техники Университета Миннесоты в 2011 году.
Исследования в SAFL включают работу во многих областях, включая гражданское строительство, гидротехническое строительство, гидрологию, гидрологию, экологию и геологию. Исследования в SAFL были подстегнуты в первом десятилетии 21-го века его статусом штаб-квартиры Национального центра динамики поверхности Земли (NCED)
Аналоговые материальные модели речных и осадочных систем используются геологами в SAFL для понимания причин морфологии и динамики речных русел, а также для реконструкции истории событий, которые создают определенные стратиграфические пакеты . Исследователи, работающие над морфологией русла, показали важность растительности в ограничении разветвленных русел до единой нити (и часто извилистой) системы. [5] [6] Исследования, проведенные на экспериментальных аллювиальных дельтах, выявили статистику заполнения потока и их потенциальную опасность для жизни и имущества, [7] показали аутогенную цикличность в моделях хранения и высвобождения осадка, которые определяют краткосрочные положения береговой линии, [8] и были связаны с последовательной стратиграфией и процессами, которые формируют стратиграфическую запись. [8] [9] [10] [11] [12] [13]
Исследования в SAFL в основном сосредоточены в четырех основных областях:
SAFL начал сотрудничать с NCED в 2002 году, научно-техническим центром NSF, который фокусируется на разработке комплексного количественного подхода к прогнозированию эволюции поверхности Земли. Он концентрируется 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 программ постдокторского синтеза и программ по связям с общественностью, созданных NCED.
В настоящее время исследования поверхности Земли, проводимые SAFL, сосредоточены вокруг следующих взаимосвязанных тем:
Долгосрочное исследовательское видение SAFL заключается в «разработке взаимосвязанной системы теоретических и вычислительных моделей, поддерживаемых потоками данных из живой поверхностной среды, которые могут обеспечить проверяемые, адаптивные прогнозы для сценариев, варьирующихся от восстановления окружающей среды и смягчения последствий стихийных бедствий до изменений в количестве осадков и глобального повышения уровня моря». [14]
SAFL реализует активные исследовательские программы в ряде областей для оценки и количественной оценки последствий глобальных изменений, а также для разработки научно обоснованных решений по смягчению их последствий, таких как изменение атмосферы и деградация водных ресурсов.
Области исследований SAFL включают:
«Смягчение последствий глобальных изменений окружающей среды будет находиться на переднем крае научных исследований в течение многих десятилетий. SAFL призвана помочь создать реальные и измеримые результаты посредством стимулирования крупномасштабных междисциплинарных исследований, интеграции инженерии с социальными, поведенческими и экономическими науками, использования больших данных и науки, основанной на данных, использования экспоненциально растущих вычислительных мощностей и активного взаимодействия с заинтересованными сторонами, политиками и сообществами». [14]
С 2007 года SAFL разработала новые экспериментальные объекты в лабораторных и полевых масштабах, передовые вычислительные инструменты и новые партнерства 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:
«Наиболее экономически осуществимые стратегии для значительного сокращения глобальных выбросов углерода предполагают существенное увеличение производства энергии из возобновляемых ресурсов, которые в настоящее время составляют всего 10-13% в мировом энергетическом портфеле... Технологии возобновляемой энергии, основанные на энергии ветра, морской гидрокинетической энергии и энергии биотоплива, являются неотъемлемой частью живой среды поверхности Земли. Внедрение этих технологий должно поддерживаться механистическими моделями, которые управляются данными в реальном времени, и должны быть интегрированы с политикой, экономикой, науками о здоровье человека и экологией. SAFL может обеспечить национальное лидерство на всех этих фронтах, работая с мышлением, направленным на активное вовлечение промышленности, правительства и государственных учреждений, а также других заинтересованных сторон в области возобновляемой энергии». [14]
Связь между механикой жидкости и биологией в последние годы привела к росту исследований, направленных на понимание механики жидкости в организме человека и количественную оценку ее связей с путями развития заболеваний.
SAFL является лидером в области исследований сердечно-сосудистой гидромеханики, используя подход, основанный на моделировании. Были разработаны, проверены и применены новые вычислительные гемодинамические инструменты для изучения широкого спектра клинически значимых проблем. В UMN были установлены и использованы партнерства с кафедрой биомедицинской инженерии, кафедрой аэрокосмической инженерии и механики, медицинской школой и Институтом инженерии в медицине, а также с клиникой Майо и другими партнерами по всей стране.
Темы исследований включают:
Основной задачей исследований в области биомедицинской гидромеханики в ближайшие годы станет интеграция вычислительных инструментов из сферы академических исследований в клиническую практику для поддержки быстро развивающегося будущего персонализированной медицинской помощи.
Лаборатория St. Anthony Falls — это исследовательский центр площадью 16 000 квадратных футов на реке Миссисипи. В лаборатории имеется 15 лотков, резервуаров и каналов общего назначения, которые легко настраиваются в соответствии с потребностями проекта и могут неограниченно закачивать воду из Миссисипи со скоростью до 300 куб. футов/с. Объекты SAFL включают главный канал, по которому вода из реки Миссисипи может быть отправлена для крупномасштабных экспериментов по переносу осадков; дельтовые бассейны, предназначенные для быстрого построения экспериментальной стратиграфии; экспериментальный объект EarthScape (XES, прозванный «Юрским резервуаром»), оседающий бассейн для крупномасштабного моделирования осадконакопления; лаборатория Outdoor Stream Lab, которая используется для изучения речных процессов и прибрежной экологии в масштабе, приближенном к полевому; и многие другие единицы оборудования. Лаборатория известна быстрым строительством и разрушением экспериментальных приборов, включая полномасштабные модели рек для изучения последствий удаления плотин .
Главный канал — крупнейший исследовательский канал SAFL, длиной 275 футов, представляет собой прямой бетонный канал, который может пропускать 300 фут³/с потока воды из реки Миссисипи, который может работать как прудовая система или проточная система. Канал оборудован генератором волн, системой мониторинга и рециркуляции потока осадка, а также тележкой для сбора данных.
Этот специализированный бассейн используется для изучения дельты и морфодинамики бассейна в масштабах геологического времени. Этот бассейн уникален для SAFL из-за своей конструкции и возможностей: он может включать эффекты тектонизма на поверхностных процессах, моделируя просадку в дне бассейна, а его перенос данных позволяет собирать данные по всему бассейну XES и помогает в «нарезке» для более видимых поперечных сечений. Бассейн XES является домом для самого передового переноса данных SAFL.
Эти два прямоугольных бассейна являются частью исследований SAFL по дельтам и дельтовым системам. Бассейны позволяют контролировать поверхность воды, подачу осадков и скорость подачи воды. Сбор данных включает в себя новую разработанную SAFL каретку данных, топографический сканер и различные системы камер. Оба бассейна имеют размеры 16,4 x 16,4 фута и глубину 2,1 фута.
Расположенный за пределами здания SAFL, этот уникальный полевой объект, разработанный SAFL и NCED, может использоваться для проведения более масштабных экспериментов в контролируемых условиях. Он способен создавать наводнения и имеет большой диапазон скоростей потока для гидрологических, экологических и биологических исследований. OSL допускает ряд скоростей потока воды, скоростей подачи наносов, извилистую речную излучину, формирование русла и возможности затопления. Это используется для облегчения различных возможностей исследования поймы, растительности и русла. StreamLab имеет рециркуляционный отток воды до 200 л³/с
Разработанная для моделирования пограничного слоя воздух/земля, аэродинамическая труба может обеспечить циркулирующий или однократный поток воздуха, который может достигать 148 футов/с. Она оснащена стеклянной стеной наблюдения, возможностями изменения температуры и поверхности, вращающимся поворотным столом, дымогенератором и лазерным оборудованием. Туннель имеет возможности контроля температуры, которые позволяют изучать влияние термической стратификации в атмосфере на конструкции.
CloudIA — это созданный SAFL объект, состоящий из 256 индивидуально управляемых воздушных струй, которые могут генерировать 1 м³ воздушной турбулентности. Он предназначен для воспроизведения условий, существующих в атмосфере, для изучения частиц
поведение в меньших масштабах. Жидкие или твердые микрочастицы могут быть сброшены с регулируемой скоростью и отслеживаются несколькими высокоскоростными камерами и лазером с высокой частотой повторения. CloudIA также полностью прозрачен, чтобы позволить живое
видимость.
Консорциум ветроэнергетики, сотрудничающий со многими организациями, от небольших компаний до государственных учреждений, таких как Министерство энергетики США. Текущие исследовательские проекты посвящены размещению ветровых электростанций, мониторингу на основе состояния, оптимизации систем управления, аэроупругому моделированию, методам снижения сопротивления и шума, взаимодействию радаров с ветровыми электростанциями, силовой электронике и коробкам передач.
SAFL также располагает рядом других специализированных исследовательских объектов, включающих в себя многочисленные лотки, каналы, резервуары и бассейны различных форм и размеров в зависимости от исследовательского проекта.
В течение учебного года SAFL проводит 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 общественности.
Программа REU является совместным проектом Университета Миннесоты, группы Fond du Lac Band из озера Верхнее Чиппева и конфедеративных племен салиш и кутенай в Монтане для изучения различных исследовательских тем, которые могут помочь в решении проблем в сообществе. Темы могут быть сосредоточены на динамике поверхности Земли, геологии, гражданском и экологическом проектировании, экологии, биологии, гидрологии и т. д.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )44°58′57″с.ш. 93°15′18″з.д. / 44,98250°с.ш. 93,25500°з.д. / 44,98250; -93,25500