Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 51 s
Description: 了解规则基底表面初始粒子运动的可视化表征方法，用于研究层流到湍流条件下的流体动力学。该方法通过固定单层珠粒配置量化沉积床几何形状对颗粒运动的影响，为工业应用和自然沉积物输运过程提供重要见解。

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作者感谢匿名审稿人提出的宝贵建议，并感谢Sukyung Choi、Byeongwoo Ko和Baekkyoung Shin在实验搭建过程中的合作。本研究得到了2017年釜山脑科学21项目的支持。

作者无任何披露信息

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 <img alt="流体动力学分析中无量纲数 \( h/D_P \) 的数学公式。" src="/files/ftp_upload/57238/EQ/57238eq071.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="公式 71"> 介于2到12之间，且在惯性影响范围内保持不变 <img alt="R* 在科学语境中的方程符号，与数学建模或量...

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7,8,9,10,11,12,13,14,15。已有多种实验方法被用于确定颗粒起动的临界阈值。相关研究涉及的参数包括颗粒雷诺数13,16,17,18,19,20、相对水流淹没深度21,22,23,24，以及几何因素，如休止角16,18,25、颗粒暴露于水流的程度26,27,28,29、颗粒相对凸出度29和顺流床面坡度30。
目前关于阈值的数据（包括湍流条件）分布极为分散12,31，结果常常显得不一致24。这主要是由于在湍流条件下控制或确定流动参数本身具有复杂性13,14。此外，沉积物起动的阈值强烈依赖于运动模式，即滑动、滚动或抬升17，以及表征起动状态的判据31。在可侵蚀的沉积床中，后者可能具有模糊性。
在过去十年中，实验研究人员已对层流条件下的颗粒起动运动进行了研究32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44，因为在层流中可避免多尺度长度与床面之间的相互作用45。在许多涉及沉积的实际情景中，颗粒尺寸较小，且颗粒雷诺数通常低于约546。另一方面，层流同样能够像湍流一样形成沙纹和沙丘等几何形态42,47。两种流态之间的相似性已被证明反映了其背后物理机制的类比关系47，因此可通过更易控制的实验系统获得关于颗粒输运的重要认识48。
在层流条件下，Charru 等注意到，由尺寸均匀的颗粒组成的颗粒床局部重新排列（即所谓的床面护甲化）会导致颗粒起动阈值逐渐增加，直至达到饱和状态32。然而，文献表明，在不规则排列的沉积床中，饱和状态下的阈值因实验装置的不同而存在差异36,44。这种差异可能源于难以控制颗粒参数，例如颗粒的取向、突出程度以及沉积物的密实度。
本文的主要目标是详细描述如何根据水平沉积床的几何特性来表征单个球体起始运动的特征。为此，我们采用由固定微珠组成的单层结构，这些微珠按照三角形或四边形构型规则排列，形成规则的几何结构。类似的规则基底在多种应用中均有出现，例如微流控检测中用于颗粒的模板化组装49、受限结构几何中微器件的自组装50，以及微通道中由颗粒引发的内在输运过程51。更重要的是，使用规则基底可使我们突出局部几何结构和取向的影响，并避免对邻近颗粒作用的任何不确定性。
在层流条件下，我们观察到临界谢尔兹数仅依赖于基底小球之间的间距，因而依赖于颗粒对流体的暴露程度，其值增加了50%38。类似地，我们发现临界谢尔兹数随基底相对于流动方向的取向不同而变化，最大可相差两倍38。我们注意到，只有当静止颗粒与移动颗粒的距离小于约三个颗粒直径时，才会对移动颗粒的起动产生影响41。受实验结果的启发，我们最近提出了一种严格的解析模型，用于预测蠕流极限下的临界谢尔兹数40。该模型涵盖了从高度暴露到完全遮蔽颗粒的起动过程。
本文的第一部分介绍了在剪切雷诺数（Re*）低于1的条件下，先前研究中所采用的实验方法。层流由配备平行板构型的旋转流变仪产生。在此低雷诺数极限下，颗粒不应经历任何速度波动20，系统符合所谓的水力光滑流条件，此时颗粒完全浸没于黏性底层内。
一旦明确了层流条件下的起动状态，湍流的作用将变得更加清晰。基于这一思路，我们在实验方案的第二部分引入了一种新颖的实验方法。利用哥廷根低速风洞（带开放式射流试验段），可在较宽的 Re* 范围内测定临界 Shields 数，涵盖水力过渡流态和湍流区。实验结果有助于深入理解湍流作用下颗粒所受的力和力矩如何随床面几何结构变化。此外，这些结果还可作为更复杂高 Re* 模型的基准，类似于以往层流研究被用于构建半概率模型52或验证近期数值模型53的方式。我们展示了 Re* 在 40 至 150 范围内的一些典型应用实例。
起始运动判据定义为单个颗粒从初始平衡位置移动到相邻位置。采用图像处理方法确定运动起始的模式， 即 滚动、滑动、抬升39,41为此，通过检测经人工标记的可移动球体的旋转角度来确定其运动情况。该算法追踪标记的位置，并将其与球体中心进行比较。在两种实验装置中均开展了一组初步实验，以验证临界 Shields 数不受装置有限尺寸效应和相对水流淹没度的影响。因此，实验方法的设计排除了除 Re* 和沉积床几何特性之外任何其他可能影响临界 Shields 数的参数。通过使用不同的流体-颗粒组合来改变 Re*。临界 Shields 数作为埋藏程度的函数进行表征， <img alt="静力学平衡公式 ΣFx=0 中的符号 ζ；用于物理图示和方程中。" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="公式 01">，由 Martino 定义 等37 作为 <img alt="静力平衡概念；公式：tan φ / E；数理物理方程" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="公式 02"> 其中 <img alt="静力平衡符号 φ；公式表示；在物理概念教学中的应用" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="公式 03"> 是休止角， 即 发生运动时的临界角度54，以及 <img alt="静力平衡方程 ΣFx=0 示意图；机械效益分析；矢量力" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="方程 04"> 暴露度，定义为颗粒有效暴露于流动的横截面积与可移动颗粒总横截面积之比。

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

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

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

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。

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...

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。

从层流到湍流条件下，基于床面几何特性的颗粒运动起动阈值的两种不同实验测定方法。为此，研究了单个颗粒在规则基底上的起动情况，该基底由单层固定、尺寸均一且按三角形和正方形对称排列的球体构成。运动起动阈值以临界 Shields 数表征，起动判据定义为颗粒从原始平衡位置移动至相邻位置。颗粒的位移及运动模式通过成像系统识别。层流由平行盘式旋转流变仪产生，剪切雷诺数保持在1以下；湍流则在低速风洞的开放式喷嘴试验段中产生，通过鼓风机上的变频器调节气流速度，并采用连接至热线风速仪的热线探针测量速度剖面。剪切雷诺数范围为40至150。利用对数速度律及Rotta提出的修正壁面律，由实验数据推导剪切速度。当可移动颗粒部分暴露于所谓的水力过渡流态的湍流中时，后者尤为重要。在运动起动时刻估算剪应力。在两种流态下均展示了若干示例性结果，表明颗粒休止角及其对剪切流暴露程度的显著影响。

本实验方法的目的是通过使用由固定微珠组成的单层规则基底（微珠按三角形或四边形构型规则排列），定量评估沉积床几何结构对颗粒起动的影响。颗粒起动现象广泛存在于多种工业应用中，例如表面清洁、污染物去除、过滤过程或微流控技术，包括微粒的模板化组装。使用规则基底的主要优势在于，能够分析局部沉积床几何取向的影响，避免邻近结构作用带来的不确定性。我们提出了两种不同的方法，以覆盖从蠕动流极限到水力粗糙流的宽范围颗粒雷诺数。该方法的结果还有助于我们理解局部床面几何结构在自然过程（如泥沙输运或颗粒床面侵蚀）中的影响。该方法的可视化演示非常重要，因为例如旋转流变仪的使用在颗粒流体动力学应用中可能并不常见。由我们实验室的研究生 Jiwon Han 演示风洞实验方法，她刚刚完成关于该主题的硕士论文。这些测量在旋转流变仪中进行。流变仪经过改装，包含一个定制的圆形透明容器。内置有显微镜载玻片以改善成像效果。容器底部设有规则基底，其示例见此示意图，该图展示了整个装置的概览，包括两个数字相机和两个光源。确保流变仪已准备就绪，可正常运行。然后将定制的适配器放置在流变仪的载物台上，同时将装有基底的容器安装在载物台上方。确保显微镜载玻片朝向相机。启动流变仪及其软件，初始化设备并设置温度。接下来，取定制的旋转圆盘。这是一个直径为70毫米的透明丙烯酸玻璃板，固定在直径为25毫米的基板上。安装该圆盘并设定其高度参考点。然后抬起旋转圆盘并将其取下。通过向容器中注满硅油完成准备工作。开始使用成像系统进行工作。这包括一个CMOS相机和物镜，从容器上方进行俯视拍摄。另一个高速相机则从侧面观察容器，其视野通过显微镜载玻片。打开并调节氙灯和LED以照亮容器。使用CMOS相机中的成像软件观察基底。调节垂直平台使其聚焦。聚焦后，确定基底的中心位置。将一个仔细标记过的苏打石灰玻璃球放置在该位置。然后将旋转圆盘重新安装到流变仪上，位置高于高度参考点两毫米。最后，调整侧视摄像机。输入转速范围，设置转速线性增加程序，然后开始测量。同时从两个摄像机开始录制视频序列，并观察其中一个摄像机的实时视频。当小球从其平衡位置发生位移时，停止测量并记录此时的转速，该转速即为临界旋转速度。随后停止视频录制。在数据分析过程中，将录制的视频导入自定义的图像处理程序，以帮助确定起始运动的模式。在定制的低速风洞中进行湍流状态下的测量。该风洞具有开放式喷射测试段，其中心位置放置有规则基底。测试段内设有线性、垂直和水平调节平台，用于支撑热线风速仪及其他仪器设备。高速相机配备微距镜头，安装在侧面。此示意图展示了设备的整体布局。请注意，风速计信号输入至示波器和计算机。确定在基底上的何处放置标记的氧化铝珠。沿基底的中心轴线找到距离前缘110毫米的位置，并将珠子放置于此处。使用高速相机，并调节LED光源，以获得珠子及其标记的清晰、聚焦的图像。启动风洞风扇，初始转速应明显低于临界风扇转速的近似值。观察颗粒，并每隔10秒将风扇转速提高4至6 RPM。当接近起动条件时，开始使用成像软件进行记录。当发生起始运动时，停止增加风扇转速，记录临界速度值，并停止视频录制。随后，使用自定义软件对录制的视频进行数据分析，确定颗粒起始运动的模式。接下来，使用带有微型热线探头的热膜风速仪进行测量。将其控制功能切换至待机状态，并调节电阻使过热比达到65%。从基底上移除标记的小球。移动风速计，使热线探头置于初始位置。为校准风速计，探头应位于自由流区域。此处，探头必须位于基底上方至少10毫米处。启动探头，并将风扇转速设为200 RPM后启动风扇。然后在气流中使用叶轮式风速计。从叶轮风速计读取并记录流向速度。同时，在示波器上读取并记录热线探头电压。以50 RPM为增量，将转速逐步增加至450 RPM，并重复记录风速计读数。利用数据建立校准曲线。使用相机监测探针，并将其尽可能接近基底表面但不接触地降低。在颗粒起动的平均风速下启动风扇，并开始采集探针数据。每完成一组数据采集后，升高探头高度，并重复数据采集。这些俯视图快照显示了层流条件下，方形排列表面上标记颗粒在起始运动过程中的状态。软件可追踪颗粒上的特征点及质心位置。数据可用于确定旋转角度随轨迹的变化关系，且与虚线所示的纯滚动运动预期结果高度吻合。这些是在湍流条件下，对位于方形排列表面上的标记氧化铝珠进行侧视拍摄得到的类似图像。在此情况下，该珠粒似乎仅在运动初期表现出纯滚动运动。利用恒温风速仪的数据，可以绘制出时间平均流向速度分布图（圆圈所示）。其中，实线为采用对数律拟合的结果，蓝色叉号则为采用修正壁面律拟合的结果。用于确定临界 Shields 数的剪切速度由这些拟合曲线推导得出。此处，两种壁面律对剪切速度的估算结果相近。下图显示了在较小高度范围内流向速度均方根的分布情况。测得的黏性底层厚度约为0.25毫米，表明可移动颗粒主要暴露于湍流中。若操作得当，流变仪中的每次测量耗时不超过五分钟。然而，风洞实验可能需要约五小时，因为边界层的测量是一个复杂的过程。在流变仪中正确设置间隙至关重要，以避免在计算临界剪切速率和临界 Shields 数时产生系统误差。在风洞中，携带校准装置的动物需要被小心地用于测定剪切速度。建议在测量前后均进行校准，以确保测量过程中未发生显著变化。在风洞实验过程中，除经典的 Shields 准则外，还可采用其他标准来表征起动状态。由于可以通过热式风速仪测量事件的持续时间，因此可以采用输入或能量判据。研究结果能够深入揭示湍流作用下，基底几何形状对特定颗粒所受力和力矩的影响。这些结果可作为更复杂模型的基准。观看本视频后，您应能充分理解如何系统地量化沉积床几何结构对颗粒起动的影响。

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