Method Article

从层流到湍流条件下的规则基底表面初始粒子运动的可视化表征

DOI:

10.3791/57238

⸱

February 22nd, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Fluid Mechanics, FAU Busan Campus, University of Erlangen-Nuremberg, 2Institute of Chemical Reaction Engineering, FAU Busan Campus, University of Erlangen-Nuremberg, 3Institute of Bioprocess Engineering, FAU Busan Campus, University of Erlangen-Nuremberg, 4Institute of Fluid Mechanics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

提出了两种不同的方法来表征单个珠的初始粒子运动, 即从层流到湍流的沉积床几何函数。

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文提出了两种不同的实验方法来确定粒子运动的阈值, 作为从层流到紊流条件下的床的几何性质的函数。为此, 在规则基板上研究了单个珠的起动运动, 这些基体由均匀大小固定球体的单层组成, 它们定期排列在三角形和二次对称中。阈值以临界屏蔽数为特征。运动开始的判据被定义为从原来的平衡位置到相邻的位移。用成像系统识别位移和运动方式。层流是使用旋转流变仪与平行磁盘配置诱导。剪切雷诺数保持在1以下。采用开放射流试验剖面, 在低速风洞中诱导湍流流动。风机用变频器调节风速。速度剖面是用一个与热膜风速计连接的热导线探头来测量的。剪切雷诺数范围在40和150之间。利用罗塔所提出的对数速度定律和修正后的墙法, 从实验数据中推断出剪切速度。当移动珠部分暴露于所谓的水力过渡流体系中的湍流流动时, 后者是特别感兴趣的。剪切应力是在运动开始时估计的。结果表明, 在两种体制下, 静力角的影响很大, 而珠对剪切流的暴露也有代表性。

Introduction

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初始粒子运动在广泛的工业和自然过程中遇到。环境例子包括河流和海洋中泥沙运输的初始过程、河床侵蚀或沙丘形成等其他1,2,3。气力输送4, 清除污染物或清洗表面5,6是典型的工业应用, 涉及粒子运动的开始。

由于广泛的应用, 粒子运动的开始已经被广泛研究了一个世纪, 主要是在湍流条件下7,8,9,10,11, 12,13,14,15。已....

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Protocol

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1. 初始粒子运动在爬行的流动极限。

注意: 测量是在旋转流变仪中进行的, 这是为这个特定的应用而修改的。

  1. 准备流变仪。
    1. 将空气供给与流变仪连接, 以避免损坏空气轴承。除空气过滤器外, 打开阀门, 直到系统中约5条的压力达到。
    2. 将流体循环器连接到测量板。确保珀尔半导体元件的软管连接到流变仪。打开流体循环器, 设定所需温度 (20 摄氏度)。
    3. 在流变仪上装载包含常规衬底的自定义容器。
      1. 将常规衬底从容器中取出, 用蒸馏水仔细清洗表面。用镜片清洗布干燥表面, 并去除可能的残余灰尘与鼓风机。
        注: 常规基质为 15 x 15 毫米2的单分子膜, 由球形苏打-石灰玻璃珠 (405.9 µm 8.7) 制成。
      2. 使用0.4 毫米厚度双面胶带, 将常规衬底固定在容器中, 确保基板中心距车削轴的距离为21毫米。
      3. 将自定义适配器放在流变板上。
      4. 将自定义圆形容器装入板中, 确保平面前部面向侧面记录的成像系统。
        注: 确保容器与水位完全水平 (0.6 毫米/米)。为此, 将水位放在与设备背面平行的容器上, 并将其与流变仪可调节的脚对其进行电平调整。重复这个过程, 把水位翻90度。
    4. 打开流变仪。等待, 直到启动过程完....

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Results

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图 1(a)表示用于描述爬行流限制中的临界护盾编号的实验设置示意图, 该协议1节。测量是在旋转流变仪中进行的, 为这个特定的应用进行了修改。一个直径为70毫米的透明有机玻璃板被仔细地固定在直径为25毫米的平行板上。测量系统的惯性因此在测量之前被调整了。一个定制的圆形容器, 直径为176毫米, 具有透明的墙壁, 与流变仪同心耦合。在前面部分进行了垂直切口。显微镜幻灯片被仔细地固定在前部, 以改善成像。调整间隙设置剖面以考虑容器的存在。在开始测量前, 板速最小化接近流体界面, 避免了珠运动。在该系统中, 单个珠可以从顶部通过透明板进行光学跟踪, 请参阅图 1(b), 或从侧面通过透明壁, 请参阅图 1(c)。在旋转板和基体之间产生剪切流剖面。因此, 临界剪切速率由提供.

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Discussion

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我们提出了两种不同的实验方法来表征初始粒子运动作为沉积床几何的功能。为此, 我们使用一个由三角形或二次对称排列的球体的单层, 这种方法使几何参数简化为单个几何。在蠕变流量极限中, 我们描述了用旋转浮子诱导层流剪切流的实验方法, 如前研究39,40,41。初步实验表明, 初始运动保持独立于基底的有限尺寸效应, 如径向位置, 或与基体的上游边界的距离38。同样, 临界屏蔽号被发现独立于间隔范围内的相对流淹没, 介于2和12之间, 并且独立于 3 figure-discussion-1 figure-discussion-2 38的之间的惯性。在这个值之上, .......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者没有什么可透露的

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者感谢未知的裁判为宝贵的意见, 并 Sukyung 崔, Byeongwoo 和 Baekkyoung 的合作, 建立实验。这项工作得到了21的大脑釜山项目在2017年。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
MCR 302 旋转流变仪安东帕剪切层流
测量板 PP25安东帕剪切层流
帕尔贴系统 P-PTD 200安东帕在层流
粘度约为 10 和 100 mPas 的硅油Basildon 化学品用于在颗粒
钠钙玻璃珠 （405.9 ± 8.7） &μ;m玻璃技术公司用于层流条件
Opto Zoom 70 模块 0.3x-2.2xWEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH用于在流变仪中记录胶条运动的成像系统
UI-1220SE CMOS 相机IDS Imaging Development Systems GmbH用于记录流变仪
UI-3590CP CMOS 相机IDS Imaging Development Systems GmbH记录流变仪
Volpi IntraLED 3 - LED 光源 Volpi USA成像系统，用于记录流变仪
主动光导直径 5mmVolpi USA成像系统，用于记录流变仪
300 瓦氙弧灯Newport Corporation成像系统，用于记录流变仪
带有开放射流测试段的风洞，Gö丁根型 Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG湍流
（2.00 ± 0.10） mm 的玻璃球Gloches 韩国 湍流条件下
（5.00 ± 0.25） mm 的氧化铝球Gloches 韩国 用于实验
CTA 风速计 DISA 55M01Disa Elektronik A/S 测量风洞
微型线探针 55P15 型Dantec Dynamics测量  风洞
HMO2022 数字示波器，2 个模拟通道，200MHzRohde &Schwarz测量风洞
Phantom Miro eX1 高速相机Vision Research IncVis成像系统，用于记录风洞
佳能 ef 180mm f/3.5 l usm 微距镜头佳能成像系统，用于记录风洞
台 LED 灯Gloches 韩国用于记录风洞中珠子运动的成像系统
感应 感应时保持系统中硅油的温度恒定中诱导剪切的流体的常规基板的构建 2 x TV-Tube 1.0x， D=35 mm， L=146.5 mm WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH 用于在流变仪中记录胶条运动的成像系统中的胶条运动的成像系统 用于中的胶条运动的成像系统中的珠子运动中的珠子运动中的珠子运动的诱导的常规基材的构造的靶向珠子 中的流速中的流速中的流速中的珠子运动中的珠子运动

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Groh, C., Wierschem, A., Aksel, N., Rehberg, I., Kruelle, C. A. Barchan dunes in two dimensions: Experimental tests for minimal models. Phys. Rev. E. 78, 021304(2008).
  2. Wierschem, A., Groh, C., Rehberg, I., Aksel, N., Kruelle, C. Ripple formation in weakly turbulent flow. Eur. Phys. J. E.....

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