基于视觉的规则基底中颗粒起动的表征：从层流到湍流条件

摘要

介绍了两种不同的方法，用于表征从层流到湍流条件下，单个颗粒的起始运动随沉积床几何结构的变化特性。

摘要

本文介绍了两种不同的实验方法，用于确定从层流到湍流条件下，颗粒运动阈值随床层几何特性的变化关系。为此，研究了单个颗粒在规则基底上的起始运动，该基底由单层固定、尺寸均一的球体组成，球体按三角形和四边形对称规律排列。运动阈值以临界 Shields 数表征。运动起始的判据定义为颗粒从原始平衡位置移动至相邻位置的位移。颗粒的位移及运动模式通过成像系统进行识别。层流由配备平行圆盘构型的旋转流变仪产生，剪切雷诺数保持在1以下。湍流则在低速风洞的开放式射流试验段中产生，通过鼓风机上的频率转换器调节空气流速。流速剖面由连接至热线风速仪的热线探头测量，剪切雷诺数范围为40至150。利用对数流速定律以及Rotta提出的修正壁面律，从实验数据中推导剪切速度。当可移动颗粒在所谓的水力过渡流态下部分暴露于湍流中时，后者尤为重要。在运动起始时刻估算剪切应力。文中展示了两种流态下颗粒休止角及颗粒对剪切流暴露程度对运动行为显著影响的一些示例性结果。

引言

颗粒起始运动广泛存在于多种工业和自然过程中。环境方面的实例包括河流和海洋中沉积物输运的初始过程、床面侵蚀或沙丘形成等^1,2,3。气力输送⁴、污染物去除或表面清洁^5,6则是涉及颗粒起始运动的典型工业应用。

由于颗粒起动现象在众多领域具有广泛的应用，过去一个世纪中，研究人员在湍流条件下对其起动条件进行了大量研究^{7,8,9,10,11,12,13,14,}

方案

1. 爬流极限下的颗粒起动运动。

注意：测量在已针对此特定应用进行改装的旋转流变仪中进行。

1. 准备流变仪。
   1. 将气源连接至流变仪，以避免损坏空气轴承。打开空气过滤器旁的阀门，直至系统压力达到约5 bars。
   2. 将流体循环器连接至测量板。确保帕尔帖元件的软管已连接至流变仪。打开流体循环器，并设定所需温度（20 °C).
   3. 将装有规则基底的定制容器安装到流变仪上。
      1. 将规则基底从容器中取出，用蒸馏水小心清洗表面。用镜头清洁布擦干表面，并用吹气球去除可能残留的灰尘。
         注意：规则基底为15 × 15 mm的单层结构² 由（405.9 ± 8.7）的球形钠钙玻璃珠构成 µm.
      2. 使用厚度为0.4 mm的双面胶带，将规则基底固定于容器内，确保基底中心距旋转轴21 mm。
      3. 将定制的适配器放置在流变仪平板上。
      4. 将定制的圆形容器安装到平板上，确保其平整的前部朝向用于侧面记录的成像系统。
         注意：确保容器与水平面完全水平（0.6 mm/m）。为此，将水平仪平行于设备背面放置在容器上，并利用流变仪的可调支脚调平。将水平仪旋转90度后重复此操作。
   4. 打开流变仪。等待启动程序完成，直至设备屏幕....

结果

图1（a） 展示了用于表征蠕动流极限下临界 Shields 数的实验装置示意图，对应于方案的第 1 部分。测量在一台为此特定应用改装的旋转流变仪中进行。一块直径为 70 mm 的透明有机玻璃板被精确固定在直径为 25 mm 的平行板上，因此在测量前需重新调整测量系统的惯性。一个直径为 176 mm、带有透明壁的定制圆形容器与流变仪同心连接，其前部设有垂直切口。一块显微镜载玻片被小心固定在前部以改善成像效果。间隙设定曲线已重新调整以考虑容器的存在。在该系统中，为避免测量开始前颗粒发生移动，平板在流体界面附近的移动速度被降至最低。在此系统中，可通过上方的透明板从顶部对单个颗粒进行光学追踪，见 图1(b)，或通过透明侧壁从侧面观察，参见 图1(c)在旋转板与基底之间产生库埃特流剖面。因此，临界剪切速率.......

讨论

我们提出了两种不同的实验方法，用于表征颗粒起动运动随沉积床几何结构的变化。为此，我们采用单层球体，按照三角形或正方形对称规律排列，使得几何参数简化为单一几何构型。在蠕动流极限条件下，我们描述了使用旋转流变仪产生层流剪切流的实验方法，如先前研究所述^39,40,41初步实验表明，起始运动与基底的有限尺寸效应（如径向位置或基底上游边界距离）无关³⁸。类似地，临界 Shields 数在某一相对水流淹没度区间内被发现与之无关 介于2到12之间，且在惯性影响范围内保持不变

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
MCR 302 旋转流变仪	Anton Paar	产生层流剪切流
测量板 PP25	Anton Paar	产生层流剪切流
Peltier 温控系统 P-PTD 200	Anton Paar	在层流条件下保持硅油系统的温度恒定
黏度约为 10 和 100 mPa·s 的硅油	Basildon Chemicals	用于对颗粒施加剪切力的流体
钠钙玻璃珠，(405.9 ± 8.7) μm	The Technical Glass Company	用于构建层流条件下的规则基底
Opto Zoom 70 模块 0.3x–2.2x	WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH	用于在流变仪中记录颗粒运动的成像系统
2 × TV-Tube 1.0x，直径 35 mm，长度 146.5 mm	WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH	用于在流变仪中记录颗粒运动的成像系统
UI-1220SE CMOS 相机	IDS Imaging Development Systems GmbH	用于在流变仪中记录颗粒运动的成像系统
UI-3590CP CMOS 相机	IDS Imaging Development Systems GmbH	用于在流变仪中记录颗粒运动的成像系统
Volpi IntraLED 3 – LED 光源	Volpi USA	用于在流变仪中记录颗粒运动的成像系统
主动导光管直径 5 mm	Volpi USA	用于在流变仪中记录颗粒运动的成像系统
300 瓦氙弧灯	Newport Corporation	用于在流变仪中记录颗粒运动的成像系统
开放式射流试验段风洞，Göttingen 型	Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG	产生湍流
玻璃微珠，(2.00 ± 0.10) mm	Gloches South Korea	用于构建湍流条件下的规则基底
氧化铝微珠，(5.00 ± 0.25) mm	Gloches South Korea	实验中的目标颗粒
CTA 热线风速仪 DISA 55M01	Disa Elektronik A/S	测量风洞中的流速
微型热线探头 55P15 型	Dantec Dynamics	测量风洞中的流速
HMO2022 数字示波器，2 个模拟通道，200 MHz	Rohde & Schwarz	测量风洞中的流速
Phantom Miro eX1 高速相机	Vision Research IncVis	用于在风洞中记录颗粒运动的成像系统
Canon EF 180mm f/3.5 L USM 微距镜头	Canon	用于在风洞中记录颗粒运动的成像系统
台式 LED 灯	Gloches South Korea	用于在风洞中记录颗粒运动的成像系统