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
February 22nd, 2018
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。
该实验程序的目标是通过使用由根据三角形或二次构型规则排列的固定珠单层组成的规则基质来量化沉积床几何形状对早期颗粒运动的影响。早期粒子运动存在于广泛的工业应用中，例如更清洁的表面、去除污染物、过滤过程或微流体，包括微粒的模板组装。使用常规基质的主要优点是我们可以分析局部沉积物床几何形状方向的影响，避免对邻域的作用产生任何怀疑。
我们提出了两种不同的方法来涵盖广泛的粒子雷诺数，从蠕动流极限到水力粗流。这种方法的结果还可以帮助我们了解当地河床几何形状对自然过程的影响，例如沉积物运输或颗粒床侵蚀。这种方法的直观演示非常重要，因为例如，使用旋转流变仪在颗粒流体动力学应用中可能不常见。
使用风洞演示该方法的是 Jiwon Han，她是我们实验室的一名研究生，刚刚完成了她关于这个主题的硕士论文。这些测量在旋转流变仪中进行。流变仪经过修改，包括一个定制的圆形透明容器。
有一个嵌入式显微镜载玻片以改善成像。容器的底部有一个规则的基板，其示例在此示意图中，它提供了设置的概述，包括其两个数码相机和两个光源。准备好流变仪以备正常运行。
然后将定制的适配器放在流变仪板上，并将带有基材的容器安装在板的顶部。确保显微镜载玻片面向相机。启动流变仪及其软件，对其进行初始化，并设置其温度。
接下来，获取自定义的旋转盘。这是固定在直径为 25 毫米的板上的直径为 70 毫米的透明丙烯酸玻璃板。安装此项并设置其高度参考点。
然后提起旋转盘并将其卸下。通过在容器中填充硅油来完成准备工作。开始使用成像系统。
这包括一个 CMOS 相机和物镜，可以从头顶看到容器。第二个高速摄像机具有集装箱的侧视图。视图是通过显微镜载玻片拍摄的。
打开并调整氙气灯和 LED 以照亮容器。使用 CMOS 相机中的成像软件来可视化基板。调整垂直载物台以使其聚焦。
聚焦后，确定基板的中心。在该位置放置一个仔细标记的苏打内衬玻璃球。然后，将旋转盘重新安装在流变仪上，使其位于高度参考点上方 2 毫米处。
最后，对侧视摄像头进行任何调整。输入转速范围，对转速的线性增加进行编程，然后开始测量。开始从两个摄像头录制视频序列，并观察其中一个摄像头的实时视频。
当拉延筋从其平衡位置移位时，停止测量并注意转速，即临界转速。然后，停止录制视频。在数据分析期间，将录制的视频加载到自定义图像处理例程中，以帮助确定初始运动的模式。
在定制的低速风洞中执行湍流状态测量。它有一个开放射流测试部分，其中有一个以规则的基材为中心。线性、垂直和水平平台支持测试部分的风速计和其他仪器。
带微距镜头的高速摄像机安装在一侧。此示意图提供了设备的概述。请注意，风速计信号输入到示波器和计算机。
找到基材上放置标记的氧化铝珠的位置。确定沿基材中心轴和距前缘 110 毫米的点，然后将胶条放置在那里。使用高速相机，并调整 LED 光源，以获得珠子及其标记的清晰、聚焦的图像。
以远低于大致临界风扇速度的速度启动风洞的风扇。监控珠子并将风扇速度每 10 秒提高 4 到 6 RPM。当接近初期条件时，使用成像软件开始记录。
当发生初始运动时，停止提高风扇速度，并记下临界速度值，然后停止视频。同样，对于数据分析，使用自定义软件分析录制的视频，并确定珠子的初始运动模式。现在，使用带有微型热线探头的风速计。
将其控制功能切换到待机状态，并调整电阻以达到 65% 的过热率从基板上去除标记的珠子。移动风速计，将热线探头置于其初始位置。要校准风速计，探头应位于自由流区。
在这里，探针必须比基板高出至少 10 毫米。运行探头，并以 200 RPM 的转速启动风扇。然后在气流中使用叶轮风速计。
读取并记录叶轮风速计的流向速度。此外，在示波器上读取并记录热线探头电压。在高达 50 RPM 的转速下以 450 RPM 的增量重复记录风速计读数。
使用数据建立校准曲线。用相机监控探头，并将其降低到尽可能靠近基材表面的位置，不要接触它。以初始运动的平均速度启动风扇并开始收集探头数据。
在每个数据集之后，增加探针的高度，然后重复数据收集。这些俯视图快照是层流初期运动期间二次曲面上的标记珠子。软件跟踪粒子和质心的特征。
这些数据允许确定旋转角度作为轨迹的函数，并严格遵循虚线指示的纯滚动运动的预期。这些是湍流中二次曲面上标记的氧化铝珠的类似侧视图快照。在这种情况下，珠子似乎只在其运动的早期进行纯滚动运动。
使用恒温风速计的数据，可以绘制时间平均流向速度剖面（圆圈）的图。在这里，实线是使用对数对数定律的拟合，蓝色 X 是使用修正壁定律的拟合。确定临界屏蔽层编号所需的剪切速度是从拟合中推断出来的。
在这里，两个壁定律都表明了相似的剪切速度值。这是小高度范围内的均方根流速剖面图。测得的内脏子层约为 1/4 毫米，表明可移动的珠子主要暴露在湍流中。
如果作得当，流变仪中的每次测量不会超过 5 分钟。然而，在风洞中进行实验可能需要大约 5 个小时，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对于在计算临界剪切速率和临界屏蔽数时避免任何系统误差至关重要。
在风洞中，进行校准的动物希望仔细进行以确定剪切速度。建议在测量前后进行校准，以确保测量过程中没有发生重大变化。按照风洞中的程序，除了经典盾牌之外的其他标准可以用来表示初期运动。
由于事件的持续时间可以通过热风速计测量，因此可以采用输入或能量标准。这些结果可以提供有关力和扭矩如何根据基板几何形状由湍流作用在特定物体上的重要见解。结果可以用作更复杂模型的基准。
看完这段视频后，您应该对我们如何系统地量化沉积物床几何形状对初期粒子运动的推断有了很好的了解。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概述
本研究提出了两种基于沉积床几何形状下不同流动条件的单个珠子初始颗粒运动的表征方法。重点是理解不同配置如何影响颗粒动力学。
关键研究组成部分
科学领域
- 流体动力学
- 颗粒运动
- 沉积物运输
背景
- 初始颗粒运动在各种工业应用中具有相关性。
- 规则基底允许对沉积床几何形状进行受控分析。
- 该研究解决了局部几何形状对颗粒行为的影响。
- 理解这些动力学可以为沉积物运输等自然过程提供信息。
研究目的
- 量化沉积床几何形状对颗粒运动的影响。
- 探索一系列颗粒雷诺数。
- 为沉积物运输和颗粒床侵蚀提供见解。
使用的方法
- 使用固定珠子的规则基底。
- 从层流到湍流的颗粒运动的表征。
- 应用两种不同的方法以涵盖广泛的条件范围。
- 视觉演示以增强对方法的理解。
主要结果
- 证明了沉积床几何形状对颗粒动力学的影响。
- 提供了跨不同流动状态的全面分析。
- 强调了使用规则基底以获得清晰结果的优势。
- 为理解自然界中的沉积物运输过程做出了贡献。
结论
- 该研究为受几何形状影响的颗粒运动提供了宝贵的见解。
- 结果可以为工业应用和自然过程提供信息。
- 视觉方法可以帮助研究人员在颗粒流体动力学应用中获得帮助。
常见问题解答
Executive Industry Relevance
Quantifying incipient particle motion on engineered substrates enables predictive control of particle detachment and transport in filtration, microfluidics, and surface cleaning workflows. The ability to systematically vary substrate geometry and flow regime provides mechanistic insight into threshold conditions, supporting risk-reduced process design and benchmarking for advanced particle handling systems. These methods inform early-stage technology evaluation and cross-platform comparability in R&D pipelines where particle-fluid interactions are critical.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of particle detachment thresholds under defined hydrodynamic conditions.
- Supports mechanistic de-risking by isolating the impact of substrate geometry on particle motion.
- Facilitates benchmarking of new materials or device surfaces for particle retention or release.
Screening & Assay Development
- Provides validated, reproducible systems for quantifying onset of particle motion across laminar and turbulent regimes.
- Delivers quantitative outputs such as critical Shields number and shear velocity for assay standardization.
- Enables high-content imaging and automated analysis for scalable screening of surface or flow modifications.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro particle transport models with physiologically relevant flow conditions for translational continuity.
- Supports risk-adjusted advancement of filtration or microfluidic technologies by clarifying operational thresholds.
- Benchmarks device or substrate performance for downstream preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates at the interface of early discovery and assay development, providing foundational data for lead identification and preclinical model selection in particle-fluid systems.
- Discovery Biology: Quantifies the influence of substrate geometry and flow regime on particle detachment, supporting hypothesis-driven design.
- Screening: Supplies reproducible, quantitative metrics for comparing surface or flow modifications.
- Analytics: Delivers critical readouts such as shear velocity and Shields number for cross-condition analysis.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to operational settings by modeling physiologically relevant flow regimes.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized platform for ongoing evaluation of particle transport technologies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in particle detachment and transport thresholds.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible, and scalable measurement of incipient motion.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for new filtration, microfluidic, or surface technologies.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of particle-handling innovations.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fluid dynamics, imaging, and quantitative data analysis.
- Demands access to rotational rheometers, wind tunnels, and high-speed imaging systems.
- Necessitates rigorous calibration and cross-team standardization for reproducibility.
- Adaptable to a range of substrate geometries and flow regimes with appropriate instrumentation.
- Measurement complexity increases in turbulent regimes, requiring extended data collection and analysis.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
1:31
Incipient Particle Motion in the Creeping Flow Limit: Preparing the Rheometer
3:12
Creeping Flow Limit: Adjusting the Imaging System
4:20
Creeping Flow Limit: Determining the Critical Rotating Speed for Onset of Motion
5:03
Incipient Particle Motion at the Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Experimental Setup and Preparing the Imaging System
6:12
Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Determining the Critical Fan Speed
7:00
Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Preparing and Calibrating the Constant Temperature Hot-wire Anemometer
8:22
Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Measuring the Streamwise Velocity
8:51
Results: Characterization of the Motion of Spheres on Quadratic Surfaces in Laminar and Turbulent Conditions
10:17
Conclusion
