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Methodenartikel

Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

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DOI:

10.3791/57238

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22. Februar 2018

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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 diesem Artikel

Zusammenfassung

Zwei verschiedene Methoden zur Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung eine einzelne Perle als Funktion der Sediment Bett Geometrie von laminarer zu turbulenter Strömung werden vorgestellt.

Zusammenfassung

Zwei verschiedene experimentelle Methoden zur Bestimmung des Schwellenwerts von Partikelbewegung als Funktion der geometrischen Eigenschaften des Bettes von laminar turbulente Strömungsverhältnisse werden vorgestellt. Zu diesem Zweck wird die beginnende Bewegung eine einzelne Perle auf regelmäßige Substraten untersucht, die aus einer Monoschicht feste Kugeln einheitlicher Größe bestehen, die regelmäßig in dreieckige und quadratische Symmetrien angeordnet sind. Die Schwelle ist gekennzeichnet durch die kritische Zahl der Schilde. Das Kriterium für den Beginn der Bewegung ist definiert als die Verschiebung von der ursprüngliche Gleichgewichtslage mit dem benachbarten. Die Vertreibung und den Modus der Bewegung werden mit ein bildgebendes System identifiziert. Die laminare Strömung wird induziert eine parallele Festplattenkonfiguration Rotations Rheometer mit. Die Scherung Reynolds-Zahl bleibt unter 1. Die turbulente Strömung wird im Lowspeed Windkanal mit offenen Jet Messstrecke induziert. Die Luftgeschwindigkeit wird mit einem Frequenzumrichter am Gebläseventilator geregelt. Das Geschwindigkeitsprofil wird mit einem heißen Draht Fühler angeschlossen, ein heisser Film Anemometer gemessen. Scher Reynolds-Zahl schwankt zwischen 40 und 150. Die logarithmischen Geschwindigkeit und das modifizierte Wand Gesetz von Rotta vorgestellt werden verwendet, um die Scherung Geschwindigkeit aus den experimentellen Daten ableiten. Letzteres ist von besonderem Interesse, wenn die mobile Wulst der turbulenten Strömung in der sogenannten hydraulisch Übergangs Strömungsregime teilweise ausgesetzt ist. Die Schubspannung wird bei Beginn der Bewegung geschätzt. Einige anschauliche Ergebnisse zeigt den starken Einfluss des Winkels der Ruhe und der Exposition des Wulstes, Flow zu Scheren sind in beiden Regimen vertreten.

Einleitung

Beginnende Partikelbewegung ist in den unterschiedlichsten industriellen und natürlichen Prozessen aufgetreten. Ökologischen Beispiele sind den ersten Prozess von Sediment transport im Fluss und Ozeane, Bett Erosion oder Düne Bildung u. a. 1,2,3. Pneumatische Förderung4, Beseitigung von Schadstoffen oder Reinigung der Oberflächen5,6 sind typische industrielle Anwendungen mit Beginn der Partikelbewegung.

Aufgrund der breiten Palette von Anwendungen wurde der Beginn der Teilchenbewegung mehr als ein Jahrhundert, vor allem unter turbulenten Bedingungen7,8,9,10,11ausgiebig studiert, 12,13,14,15. Viele experimentelle Ansätze wurden angewendet, um den Schwellenwert für den Beginn der Bewegung bestimmen. Die Studien umfassen Parameter wie das Teilchen Reynolds Zahl13,16,17,18,19,20, die relativen untertauchen 21 , 22 , 23 , 24 oder geometrischen Faktoren als der Winkel des ruhen16,18,25, Belastung durch die Strömung26,27,28,29, relative Korn Vorsprung29 oder streamwise Bett Steigung30.

Die aktuellen Daten für die Schwelle in turbulenten Bedingungen einschließlich12,31 breit verstreut sind und die Ergebnisse scheinen oft inkonsistente24. Dies ist vor allem aufgrund der Komplexität der Kontrolle oder der Bestimmung Strömungsparameter unter turbulenten Bedingungen13,14. Außerdem hängt die Schwelle für Sediment Bewegung stark von der Art der Bewegung, d.h. Rutschen, rollende oder anhebende17 und das Kriterium der beginnende Bewegung31zu charakterisieren. Letzteres kann in einem Bett erosionsgefährdet Sediment mehrdeutig sein.

Während des letzten Jahrzehnts haben experimentelle Forscher untersuchten beginnende Partikelbewegung laminare Strömungen32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, wo befindet sich das breite Spektrum der Längenskalen Interaktion mit dem Bett vermieden45. In vielen praktischen Szenarien impliziert Sedimentation der Partikel sind recht klein und das Teilchen Reynolds-Zahl bleibt niedriger als etwa 546. Auf der anderen Seite sind laminare Strömungen in der Lage, geometrische Mustern als Wellen und Dünen zu generieren, wie turbulente Strömungen42,47. Gleichnisse in beide Therapien haben gezeigt, zu reflektieren, Analogien in der zugrundeliegenden Physik47 damit wichtige Erkenntnisse für die Teilchentransport kann eine bessere beigezogen werden Experimentiersystem48gesteuert.

In Laminar-Flow bemerkte Charru Et Al. , dass die lokalen Umlagerung von einem körnigen Bett gleichmäßig große Kügelchen, so genannte Bett Armierung, führte zu einer schrittweisen Anhebung der Schwelle für das Auftreten von Bewegung bis gesättigte Bedingungen erreicht wurden 32. Literatur, zeigt jedoch unterschiedliche Schwellenwerte für gesättigte Bedingungen in unregelmäßig angeordneten Sediment Betten je nach Versuchsaufbau36,44. Diese Streuung möglicherweise aufgrund der Schwierigkeiten der kontrollierenden Partikel Parameter wie Ausrichtung, Vorwölbung Ebene und Kompaktheit der Sedimente.

Das Hauptziel dieser Handschrift ist im Detail beschreiben, wie die beginnende Bewegung der einzelnen Kugeln als Funktion der geometrischen Eigenschaften des Bettes horizontale Sediment zu charakterisieren. Zu diesem Zweck verwenden wir regelmäßige Geometrien, bestehend aus Monolagen feste Kügelchen, die regelmäßig nach dreieckigen oder quadratischen Konfigurationen geordnet. Ähnlich wie regelmäßige Substrate, die wir verwenden sind Anwendungen wie z. B. für die Vorlage-Montage von Partikeln in mikrofluidischen Assays49, Selbstmontage des Abformverfahren in geschlossenen strukturierten Geometrien50 oder intrinsische Partikel-induzierte entnehmen Sie bitte Transport in Mikrokanälen51. Noch wichtiger ist, ermöglicht es mit regelmäßigen Substrate, markieren Sie die Auswirkungen der lokalen Geometrie und Orientierung und Schrecksekunde über die Rolle der Nachbarschaft zu vermeiden.

In Laminar-Flow beobachteten wir, dass die kritische Schilde von 50 % nur je nach Abstand zwischen Substrat und damit auf die Belichtung des Wulstes, der Fluss38gestiegen. Auch wir fanden, dass die kritische Zahl der Schilde von bis zu einem Faktor von zwei je nach Ausrichtung des Substrates auf die Strömung Richtung38geändert. Wir haben festgestellt, dass unbewegliche Nachbarn nur den Beginn des mobilen Wulstes beeinflussen, wenn sie näher als etwa drei Partikel Durchmesser41waren. Ausgelöst durch die Experiment-Ergebnisse, haben wir vor kurzem eine rigorose Berechnungsmodell vorgestellt, die die kritische Zahl der Schilde in den schleichenden Fluss Grenze40vorhersagt. Das Modell deckt den Beginn der Bewegung von versteckten Perlen sehr ausgesetzt.

Der erste Teil dieser Handschrift befasst sich mit der Beschreibung der experimentellen Verfahren verwendet in früheren Studien auf Scherung Reynolds-Zahl Re *, niedriger als 1. Die laminare Strömung wird mit einem rotatorischen Rheometer mit einer parallelen Konfiguration induziert. In dieser niedrigen Reynolds Zahl Grenze das Teilchen soll nicht um jede Geschwindigkeit Schwankungen20 zu erleben und das System passt die sogenannten hydraulisch glatt Flow, wo die Partikel innerhalb der Viskose Unterschicht untergetaucht ist.

Sobald beginnende Bewegung bei Laminar-Flow besteht, kann die Rolle der Turbulenzen klarer geworden. Motiviert durch diese Idee, stellen wir ein neuartige experimentelle Verfahren im zweiten Teil des Protokolls. Verwende Lowspeed Windkanal Göttingen mit offenen Jet-Messstrecke, die kritische Schilde Zahl in eine breite Palette von Re * einschließlich hydraulisch Übergangs fließen und das turbulente Regime bestimmt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über Kräfte und Drehmomente auf ein Teilchen aufgrund der turbulenten Strömung je nach Substrat Geometrie Verhalten. Außerdem können diese Ergebnisse als Maßstab für komplexere Modelle auf hohe Re * in ähnlicher Weise verwendet werden, dass bisherige Arbeit in Laminar-Flow, Semi-probabilistische Modelle52 zu ernähren oder den letzten numerischen Modellen53zu überprüfen verwendet worden ist. Wir präsentieren einige repräsentative Beispiele für Anwendungen bei Re * zwischen 40 und 150.

Die beginnende Kriterium ist als die Bewegung des Teilchens von seiner anfänglichen Gleichgewichtslage zur nächsten etabliert. Bildverarbeitung wird verwendet, um den Modus der Beginn der Bewegung, d.h. ermitteln Rollen, schieben, heben39,41. Zu diesem Zweck wird der Drehwinkel des mobilen Sphären, die manuell gekennzeichnet wurden erkannt. Der Algorithmus ermittelt die Position der Marken und vergleicht es mit dem Mittelpunkt der Kugel. Eine erste Reihe von Experimenten führte in beiden Versuchsanordnungen zu klären, dass die kritische Zahl der Schilde unabhängig von endlicher Größeneffekte des Set-up und relativen untertauchen bleibt. Die experimentellen Methoden sollen somit einen anderen Parameter hängt von der kritischen Schilde Anzahl jenseits Re * und geometrischen Eigenschaften des Bettes Sediment auszuschließen. Re * ist abwechslungsreich mit verschiedenen Flüssigkeit-Partikel-Kombinationen. Die kritische Zahl der Schilde zeichnet sich als eine Funktion der Bestattung Grad, figure-introduction-1 , definierte von Martino Et Al. 37 als figure-introduction-2 wo figure-introduction-3 ist der Winkel des Ausruhens, d. h. der Grenzwinkel bei welcher Bewegung54 tritt, und figure-introduction-4 ist die Exposition, definiert als das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche, die effektiv die Strömung ausgesetzt um die totale Querschnittsfläche des mobilen Wulstes.

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Protokoll

(1) beginnende Partikelbewegung in der schleichenden Flow-Grenze.

Hinweis: Die Messungen werden in einem rotatorischen Rheometer, der geändert wurde für diese spezielle Anwendung durchgeführt.

  1. Vorbereitung der Rheometer.
    1. Schließen Sie die Luftzufuhr zu dem Rheometer, um Beschädigungen der Luftlager zu vermeiden. Öffnen Sie das Ventil neben dem Luftfilter, bis ein Druck von ca. 5 Bar im System erreicht ist.
    2. Die Messplatte Fluid Thermostaten herstellen. Stellen Sie sicher, dass die Schläuche des Peltier-Elements mit dem Rheometer verbunden sind. Schalten Sie die Flüssigkeit Zirkulator und stellen Sie die gewünschte Temperatur (20 ° C).
    3. Montieren Sie die maßgeschneiderte Behälter, das regelmäßige Substrat auf dem Rheometer.
      1. Nehmen Sie das regelmäßige Substrat aus dem Behälter und reinigen Sie die Oberfläche sorgfältig mit destilliertem Wasser. Trocknen Sie die Oberfläche mit einem Objektiv-Reinigungstuch und entfernen Sie mögliche verbleibende Staub mit einem Gebläse.
        Hinweis: Die regelmäßige Substrate sind Monolagen von 15 x 15 mm2 errichtet von sphärischen Kalk-Natron-Glasperlen (405.9 ± 8,7) µm.
      2. Befestigen Sie mit 0,4 mm Dicke doppelseitiges Klebeband, das regelmäßige Substrat in den Container zu gewährleisten, das das Substrat-Center in einer Entfernung von 21 mm von der Drehachse ist.
      3. Legen Sie kundenspezifische Adapter auf dem Rheometer Teller.
      4. Montieren Sie maßgeschneiderte runden Behälter in die Platte um sicherzustellen, dass die flache Frontpartie Image System für Seite Aufzeichnung steht.
        Hinweis: Sicherstellen Sie, dass der Container komplett horizontal mit dem Wasserstand (0,6 mm/m). Legen Sie zu diesem Zweck den Wasserstand auf dem Behältnis parallel an der Rückseite des Geräts und mit den Stellfüßen Rheometer Ebene. Wiederholen Sie den Vorgang der Wasserstand um 90 Grad drehen.
    4. Schalten Sie das Rheometer. Warten Sie, bis der Startvorgang abgeschlossen ist und der Status "Ok" auf dem Bildschirm des Geräts erscheint.
    5. Starten Sie den Computer und die Rheometer-Software. Initialisieren Sie die Rheometer und stellen Sie den Temperaturregler aus dem Control Panel der Software auf den gewünschten Wert (20 ° C).
    6. Montieren Sie das maßgeschneiderte Mess-System. Aufbau der Null Lücke aus der Software.
      Hinweis: Vor der Einstellung der Null Lücke, sicherzustellen Sie, dass es keine mobilen Perlen auf dem Substrat gibt und Substrat Grenzen nicht verbogen sind. Ein Fehler bei der Festlegung des Null-Abstand führt zu einer systematischen Fehler bei der Berechnung der Scherung zu bewerten und daher in der Folgebewertung der kritischen Schilde Nummer. Eine absolute Unsicherheit von 0,05 mm wird in die Spaltweite ausgegangen, wenn der kritische Schilde Berechnung.
    7. Heben Sie die Messplatte bis 30 mm an und entfernen Sie es.
    8. Füllen Sie den Behälter mit ca. 70 mL 100 mPa·s Silikonöl. Stellen Sie sicher, dass das Niveau der Flüssigkeit in den Behälter oben 2 mm bleibt. Das Silikonöl sollte nicht den oberen Teil der transparenten Platte abdecken. Warten Sie ca. 15-20 min für das thermische Gleichgewicht. Während dieser Zeit stellen Sie die bildgebenden Systemen (siehe Schritt 2 aus dem Protokoll).
      Hinweis: Die Temperatur, die feststeht (295.15 ± 0,5) K hier erfolgt mit einem Peltier-Element mit dem Rheometer verbunden und mit einem externen Thermometer gemessen. Schwankungen von weniger als 0,5 K werden während der Experimente beobachtet.
  2. Die imaging-System anpassen.
    1. Schalten Sie die 300 W Xenon-Bogenlampe. Passen Sie die flexible Lichtleiter um das Korn von der Seite durch die transparenten Wände des Behälters zu beleuchten.
    2. Passen Sie die LED-Lichtstärke um starke Lichtreflexion auf dem Substrat zu vermeiden.
    3. Passen Sie die imaging-System konzipiert für die Aufnahme der Partikelbewegung von oben durch das transparente Messplatte.
      1. Inbetriebnahme der imaging-Software vom Computer und wählen Sie aus der Startdialog monochrome Profil.
      2. Öffnen Sie die 768 x 576 CMOS-Kamera von der imaging-System auf der Oberseite der Container installiert. Starten Sie das live-Video.
      3. Passen Sie die horizontale Positionierung Bühne bis die Referenzposition, die zuvor in der Mitte des Substrats gekennzeichnet wurden in der Mitte des Bildes angezeigt wird.
      4. Passen Sie die vertikale Positionierung Bühne auf dem Substrat zu konzentrieren.
      5. Legen Sie vorsichtig eine markierte Kalk-Natron-Glaskugel (405.9 ± 8,7) µm.
      6. Sicherstellen Sie, dass mindestens eines der Kennzeichen platzierte in einem Abstand von ca. 75 % des Radius Wulst oder größeren von der Drehachse. Wenn dies nicht der Fall ist, verschieben Sie manuell die Messung der Platte, um die Bewegung des Wulstes, der nächste Gleichgewichtslage zu erreichen (siehe Abbildung 2(a) als Referenz).
        Hinweis: Um eine ordnungsgemäße Überwachung während der Bewegung sind mobile Perlen mit mehreren Flecken getrennt von etwa 45° markiert (siehe Abbildung 3(a)). Der Code enthält ein einfaches Steuerelement Kapitalflussrechnung um Mark Misassignment zu minimieren, um den Drehwinkel zu berechnen. Für weitere Details verweisen wir auf Agudo Et al. 2017-39.
      7. Öffnen Sie das Dialogfeld zum Festlegen der Kameraparameter und passen Sie die Frame-Rate auf 30 fps. Passen Sie die Belichtungszeit um sicherzustellen, dass die Markierungen richtig aus dem Wulst Umfang auszeichnen.
        Hinweis: Die Kalk-Natron-Glas Sphäre eingetaucht in eine Silikonöl von 100 mPa·s erfordert ca. 4 Sekunden, um die Wasserscheide in den benachbarten Gleichgewichtslage von seiner ursprünglichen Position bewegen. Daher ermöglicht eine Bildrate von 30 fps eine Unsicherheit von weniger als 1 %.
    4. Montieren Sie die Messplatte, dem Rheometer.
    5. Der Messabstand auf 2 mm einstellen
      Hinweis: Der Fokus der Top-Kamera muss aufgrund des Vorhandenseins der Plexiglas-Platte leicht nachreguliert werden.
    6. Passen Sie das Abbildungssystem entwickelt, für die Aufnahme der Partikelbewegung von der Seite durch die transparente Objektträger.
      1. Öffnen Sie die 4912 x 3684 CMOS-Kamera von dem abbildenden System installiert an der Vorderseite des Behälters und Start-up-das live-Video.
      2. Passen Sie die vertikale und die horizontale Positionierung Stadium parallel zu dem Rheometer platziert, bis die markierten Perle in der Mitte des Bildes angezeigt wird.
      3. Das Sichtfeld der oberen Fläche des Substrats, das Korn und das Unterteil der messende Scheibe enthält das modulare Zoom-Objektiv justiert.
      4. Passen Sie die horizontale Positionierung Bühne platziert senkrecht zu dem Rheometer auf den Wulst konzentrieren.
      5. Öffnen Sie das Dialogfeld zum Festlegen der Kameraparameter und passen Sie die Frame-Rate auf 30 fps.
  3. Ermitteln Sie die kritische drehende Geschwindigkeit für den Beginn der Bewegung.
    1. Erhöhen Sie die Drehzahl n, von 0,02 bis 0,05 Umdrehungen pro Sekunde in kleinen Schritten von 0,00025 Umdrehungen in der zweiten mit dem Rheometer Software linear.
      1. Doppelklicken Sie im Fenster "Messung" auf die Zelle für den Steuerelementtyp und bearbeiten Sie den Bereich der Geschwindigkeit von 0,02 bis 0,05 Umdrehungen pro Sekunde.
      2. Doppelklicken Sie auf die Einstellung der Uhrzeit und geben Sie die Nummer der Messung Punkte, 60 und die Dauer jeder Messung 5 s.
      3. Legen Sie eine Tabelle, die Drehzahl als Funktion der Zeit darstellt.
    2. Öffnen Sie das live-Video von den oberen und seitlichen Kameras. Starten Sie eine Video-Sequenz von beiden Kameras über die imaging-Software.
    3. Starten Sie die Messung mit dem Rheometer-Software.
      Hinweis: Ein Vorversuch mit einer größeren Schritt empfiehlt sich vor Schritt 1.3.1.1 um den Drehzahlbereich grob schätzen an dem die beginnende Bewegung passieren wird. In einem Abstand von 21 mm von der Drehachse und mit Silikonöl von 100 mPa·s zum Beispiel die Glasperle bewegt sich mit Geschwindigkeiten von ca. 0,035 Umdrehungen pro Sekunde drehen. Daher scheint eine Reihe von 0,02 bis 0,05 Umdrehungen pro Sekunde für das Experiment.
    4. Achten Sie genau auf das live-Video von oben oder von der Seitenkamera und stoppen Sie die Messung zu, wenn die Wulst aus ihrer Gleichgewichtslage verdrängt. Beachten Sie die Geschwindigkeit, an der die Perle der Separatrix in der benachbarten Gleichgewichtslage kreuzt. Bekannte Drehgeschwindigkeit stellt die kritische Drehgeschwindigkeit, nC. Stoppen Sie die Video-Sequenzen.
      Hinweis: Sicherstellen Sie, dass die Schrittgröße sehr klein ist, dass die Erhöhung der Geschwindigkeit während des Zeitintervalls, die das Korn erfordert Übergang von seiner Ausgangsposition in der benachbarten nicht mehr als 1 % des kritischen Wertes.
    5. Legen Sie die Perle wieder in seine ursprüngliche Position. Dies kann manuell die rotierende Platte verschieben, bis die Perle eine Position wieder verdrängt. Wiederhole das Experiment fünfmal unter Hinweis auf die mittlere biegekritische Drehzahl und die Standardabweichung.
    6. Wiederholen Sie die Schritte 1.3.1, 1.3.5 mit einem anderen markierten Korn in 2 benachbarten Positionen in die Mitte des Substrats.
  4. Die Analyse der Daten.
    1. Bestimmen Sie den Modus der Bewegung: analysieren Sie die Reihenfolge der Bilder vorher aufgezeichnet von oben oder von der Seite mit dem Algorithmus wie Agudo Et Al. 201739beschrieben.
    2. Bestimmen Sie die kritische Zahl der Schilde und die Scherung Reynolds-Zahl.
      1. Erhalten Sie die kritischen Schilde Zahl aus der folgenden Gleichung40
        figure-protocol-1(1)
        wo figure-protocol-2 stammen aus Schritt 1.3.4, figure-protocol-3 ist die kinematische Viskosität, figure-protocol-4 und figure-protocol-5 sind Partikel und flüssige Dichte, figure-protocol-6 ist der Erdbeschleunigung und figure-protocol-7 ist der mobile Perle Durchmesser, alle Sie bekannt. figure-protocol-8 ist die Spaltweite, definiert als der Abstand vom oberen Rand der Substrat-Kugeln auf der Messplatte, d.h. 2 mm und r ist der radiale Abstand des Teilchens von der Drehachse, d.h. 21 mm.
      2. Erhalten die Scherung Reynolds-Zahl, Re * basierend auf die scher-Geschwindigkeit aus den folgenden Gleichungen:
        figure-protocol-9(2)
    3. Wiederholen Sie den Vorgang von 1.1.3 zu 1.4.2 mit verschiedenen regelmäßigen Substrat.
    4. Verwenden Sie verschiedene Wulst dichten und unterschiedlichen flüssigen Viskositäten um ein breites Spektrum von der Re * von schleichenden Strömungsverhältnisse bis 1 abdecken.

(2) beginnende Partikelbewegung das hydraulisch Übergangs- und grobe Turbulent Regime.

Hinweis: Die Messungen erfolgen in einem angepassten Lowspeed Windkanal mit offenen Jet-Messstrecke, Göttingen Typ.

  1. Vorbereitung der imaging-System.
    1. Befestigen Sie das quadratische Substrat in der Mitte der Messstrecke.
    2. Stellen eine 5 mm Aluminiumoxid Perle markiert zuvor auf die gewünschte Ausgangsposition (110 mm von der Vorderkante und 95 mm von der Seite).
    3. Die Hochgeschwindigkeitskamera gekoppelt an das Makro-Objektiv mit dem Computer verbinden und einschalten. Die Ziel-Bead klar im Bild ist das Makro-Objektiv justiert.
    4. Initiieren Sie die imaging-Software auf dem Computer. Aktivieren Sie "Live-Kamera", und "Samplerate" auf 1000 fps.
    5. Schalten Sie die LED-Lichtquelle und passen Sie die Intensität als auch der Fokus der Kamera, um ein klares Bild des Partikels und ihrer Marken zu erreichen.
      Hinweis: Sicherstellen, dass mindestens eines der Kennzeichen platzierte in einem Abstand von ca. 75 % des Radius Wulst oder von der Drehachse größer ist (siehe Abbildung 3(a) als Referenz).
  2. Bestimmung der kritischen Lüfterdrehzahl für den Beginn der Bewegung.
    1. Legen Sie die Drehzahl des Lüfters deutlich unter dem kritischen Wert (ca. 1400 u/min für die 5 mm Aluminiumoxid Perle).
    2. Starten Sie die Aufzeichnung durch drücken den Auslöser auf der imaging-Software.
    3. Erhöhen Sie die Geschwindigkeit in Stufen von ca. 4 bis 6 u/min alle 10 s bis beginnende Bewegung auftritt.
    4. Hinweis: der biegekritischen Drehzahl-Wert an die beginnende Bewegung auftritt und die Videosequenz zu stoppen.
    5. Legen Sie eine neue markierte Perle auf die gleiche Ausgangsposition und wiederholen Sie den Vorgang von 2.2.1 bis 2.2.4 zehnmal. Beachten Sie die kritische Geschwindigkeit bei jeder Messung.
    6. Wiederholen Sie den Vorgang von 2.2.1 auf 2.2.5 im gleichen Abstand von der Vorderkante aber bei 65 und 125 mm aus der Seitenkante beziehungsweise. Beachten Sie die kritische Geschwindigkeit bei jeder Messung.
  3. Vorbereitung der konstanten Temperatur Hitzdraht-Anemometer (CTA).
    1. Die CTA-Control-Funktion zur Seite zu stehen und den Widerstand der Dekade auf 00,00 eingestellt. Schalten Sie den Hauptschalter betätigen und warten Sie ca. 15-20 min zum Aufwärmen.
    2. Stecken Sie die kurzschließen Sonde und wechseln Sie die CTA-Control-Funktion zur Widerstandsmessung. Passen Sie die Null Ohm, bis die Nadel in die rote Markierung gesetzt ist und zurück schalten Sie die Kontrollfunktion auf Standby.
    3. Ersetzen Sie die kurzschließen Sonde von der Miniatur-Hot-wire-Sonde. Wechseln Sie die CTA-Control-Funktion zur Widerstandsmessung. Passen Sie die Widerstand Schalter, bis die Nadel in die rote Markierung gesetzt ist.
      Hinweis: Der gemessene Widerstand entspricht der Kältebeständigkeit der Miniatur-Sonde. Der gemessene Wert sollte im Einvernehmen mit den Wert des Herstellers (3,32 Ω).
    4. Schalten Sie die CTA-Funktion stehen und passen die Widerstandsdekade bis 5,5 Ω, eine Überhitzung-Verhältnis von ca. 65 % zu erreichen.
    5. Messen Sie den Frequenzgang des CTA an die mittlere biegekritische Drehzahl (Schritt 2.2.4).
      1. Schalten Sie den Lüfter und die Drehzahl des Lüfters auf den kritischen Wert, ca. 1400 u/min festgelegt. Schalten Sie das Oszilloskop.
      2. Schalten Sie die quadratische Wellengenerator des CTA.
      3. Initiieren der Oszilloskop-Software auf dem Computer und öffnen Sie die CSV-Modul um die Datenerfassung zu ermöglichen. Wählen Sie den Kanal (CH1) und speichern Sie die Aufzeichnung von Daten d.h. Zeit und Spannung unter den Namen der gewünschten Datei. Warten Sie, bis die Messungen (ca. 3 min) beenden.
        Hinweis: Die Grenzfrequenz errechnet sich aus der Antwortzeit, an dem die Spannung auf ein Niveau von - 3db gesunken (siehe Abbildung 4(a)).
      4. Den quadratische Wellengenerator ausschalten und die CTA-Funktion auf Standby gesetzt.
  4. Kalibrierung der CTA.
    1. Schalten Sie die CTA-Funktion zu bedienen. Stellen Sie sicher, dass die Sonde auf eine ausreichende Höhe von der Platte so eingestellt ist, dass es in der kostenlosen online Stream-Zone befindet.
    2. Die Ventilator-Drehzahl bis 200 u/min eingestellt. Messen Sie die streamwise Geschwindigkeit in der kostenlosen online Stream-Zone mit dem Flügelrad-Anemometer und lesen Sie die Spannung auf dem Oszilloskop zu.
    3. Wiederholen Sie Schritt 2.4.2 für verschiedene Drehzahlen mit einem festen Schrittweite von 50 u/min bis ca. 1450 u/min (insgesamt 26 mal gelesen).
    4. Eine Korrelation zwischen der u/min und der gemessenen gratis-Stream streamwise Geschwindigkeit, figure-protocol-10 . Erhalten die kritische Geschwindigkeit, figure-protocol-11 , entsprechend der kritischen Drehzahl für die einzelnen Messungen von Schritten 2.2.5 auf 2.2.6. Berechnen Sie die mittlere Geschwindigkeit für kritische gratis-Stream, figure-protocol-12 und die Standardabweichung der Messungen.
    5. Eine Korrelation zwischen der Geschwindigkeit und die Spannung nach einem dritten Grades Polynom Anfall zu etablieren:
      figure-protocol-13(3)
      Hier, figure-protocol-14 misst man die streamwise Geschwindigkeit in m/s, figure-protocol-15 ist die Spannung in Volt (V) gemessen und figure-protocol-16 sind die Fit-Koeffizienten. Die Kalibrierkurven werden in Abbildung 4(b) vor und nach den Messungen das Geschwindigkeitsprofil angezeigt.
  5. Die streamwise Geschwindigkeit, mit der Wand-Normal-Position bei kritischen Bedingungen zu messen.
    1. Entfernen Sie die markierten Perle vom Substrat.
    2. Der heiße Draht-Temperaturfühler auf die gewünschte Ausgangsposition (110 mm von der Vorderkante und 95 mm von der Seite) platziert wird das Handrad der horizontalen Positionierung Bühne justiert.
    3. Stellen Sie sorgfältig das Handrad der vertikalen Positionierung Stadium, bis die Sonde als platziert ist möglichst nahe an der Substratoberfläche. Sehen Sie durch die Kamera gekoppelt an das Makro-Objektiv, um sicherzustellen, dass der Draht nicht die Substratoberfläche berühren. Den Nullwert in die digitale Anzeige an dieser Position gesetzt.
      Vorsicht: Der heiße Draht ist sehr empfindlich und wenn sie die Oberfläche berührt, wird es brechen. Aus Gründen der Sicherheit, wir legen die Sonde in einem Abstand von 0,05 mm über die Oberkante des Substrats Kugel (siehe Abbildung 1(e) als Referenz). Dies entspricht eine normalisierten Wand-Normal-Komponente figure-protocol-17 wo figure-protocol-18 ist der Messwert, figure-protocol-19 ist die Scherung Geschwindigkeit und figure-protocol-20 ist die kinematische Viskosität von Luft bei Betriebstemperatur. Beachten Sie, dass der Startwert unter figure-protocol-21 wo die Viskosität ist dominant55.
    4. Die Drehzahl der Lüfter auf die mittlere Drehzahl bei der die beginnende Bewegung auftritt, siehe Punkt 2.2.4. Die gratis-Stream Geschwindigkeit entspricht also figure-protocol-22 .
    5. Passen Sie die Sampling-Rate zu 1 kSa und die Anzahl der Samples auf 6000 auf dem Oszilloskop (total Abtastzeit von 6 s). Wählen Sie den Kanal (CH1) und starten Sie die Messung. Die Aufnahmedaten unter dem gewünschten Dateinamen zu speichern. Warten Sie, bis die Messungen (ca. 3 min) beenden.
    6. Erhöhen Sie die Wand-Normal-Position der Sonde, indem ein Inkrement von 0,01 mm bis zu 0,4 mm, und eine Schrittweite von 0,1 mm bis zur Höhe von 10 mm. Dies entspricht insgesamt 137 Punkte für die Velocity-Profil-Kurve. Speichern Sie die aufgezeichneten Daten für jede Höhe.
  6. Die Analyse der Daten.
    1. Berechnen Sie die mittlere streamwise Geschwindigkeit und Intensität der turbulenten für jede Wand-Normal-Position.
      1. Führen Sie die selbst entwickelten Algorithmus, um statistischen Größen zu bewerten. Öffnen Sie das Skript und wählen Sie den Ordner mit der Kalibrationskurve und die gespeicherten Daten für jeden der die gemessene Höhe.
        Hinweis: Das Skript berechnet zuerst die Fit-Koeffizienten aus der Eichkurve wie in GL. 3 dargestellt. Für jede Höhe, berechnet es die momentane streamwise Geschwindigkeit figure-protocol-23 durch die Verwendung von GL. 3 und die integralen Zeitskala berechnet, indem die Autokorrelation Methode56. Danach berechnet er im zeitlichen Mittel, figure-protocol-24 und die Wurzel Quadrat Geschwindigkeit, figure-protocol-25 , für Proben, die durch zwei Mal die integrale notwendig für die Zeit gemittelt Analyse getrennt sind.
      2. Plot der dimensionslose senkrecht figure-protocol-26 gegen die dimensionslose streamwise Zeit Durchschnittsgeschwindigkeit figure-protocol-27 , wo figure-protocol-28 ist der Durchmesser der Kugeln Substrat. Plot figure-protocol-29 gegen die dimensionslose Wurzel Quadrat Geschwindigkeit figure-protocol-30 . Abbildung 4 (c)-(d) zeigt die Ergebnisse für den Fall der Tonerde 5 mm Wulst.
    2. Die Scherung Geschwindigkeit aus den experimentellen Daten zu berechnen.
      1. Passen Sie die dimensionslose Zeit durchschnittliche Geschwindigkeit mit dem logarithmischen Geschwindigkeit Verteilung57
        figure-protocol-31(5)
        wo figure-protocol-32 ist die Geschwindigkeit Scherung figure-protocol-33 ist die von Kármán konstante und figure-protocol-34 ist eine konstante, die von der Schere Reynolds Nummer26abhängt. Die durchgezogene Linie in Abbildung 4(c) ist eine logarithmische Passform zur Zeit durchschnittliche Geschwindigkeit.
        Bemerkung: Von der Anpassung an die experimentellen Daten, kann es gezeigt, dass die Scherkräfte Velocity, figure-protocol-35 ist gegeben durch:
        figure-protocol-36(6)
        wo figure-protocol-37 ist die logarithmische Fit-Koeffizienten und figure-protocol-38 20.
        Die Viskose Unterschicht figure-protocol-39 bleibt über die Oberkante des Substrats Sphären in unseren Experimenten. Im strengsten Szenario sollte gesetzlich veränderten Geschwindigkeit, präsentiert von Rotta20,58EQ. 5 ersetzt werden.
        figure-protocol-40(7)
        wo figure-protocol-41 und figure-protocol-42 . figure-protocol-43 ist die Dicke der Viskose Unterschicht, die etwa durch berechnet werden können figure-protocol-44 55.
        Der Algorithmus berechnet direkt die Scherung Geschwindigkeit aus den Anfall von Versuchsdaten EQ. 5 und EQ. 7. Die blauen Symbole in Abbildung 4(c) repräsentieren die Passform an die experimentellen Daten gemäß GL. 7.
        Bei Re * über 70 figure-protocol-45 stellt bis zu 5 % der mobilen Perle Durchmesser und mit ein Anfall von EQ. 5 und EQ. 7 beinhaltet eine Variation auf figure-protocol-46 innerhalb der angenommenen Unsicherheit. Vergleichen Sie durchgezogene Linie und blauen Symbole in Abbildung 4(c) bei einem Re * von etwa 87,5.
    3. Bestimmen Sie den Modus der Bewegung: analysieren Sie die Reihenfolge der Bilder, die zuvor von der Seite mit dem Algorithmus aufgenommen, wie in Agudo Et Al. 201739beschrieben.
    4. Bestimmen Sie die kritische Zahl der Schilde und die Scherung Reynolds-Zahl.
      1. Erhalten Sie die kritischen Schilde Zahl aus der folgenden Gleichung22
        figure-protocol-47(8)
        wo figure-protocol-48 stammen aus Schritt 10.2, figure-protocol-49 und figure-protocol-50 sind Partikel und Flüssigkeit dichten, figure-protocol-51 ist der Erdbeschleunigung und figure-protocol-52 ist der mobile Perle Durchmesser, alle von ihnen bekannt.
      2. Erhalten das Teilchen Reynolds Zahl, Re *, aus den folgenden Gleichungen:
        figure-protocol-53(9)
      3. Wiederholen Sie das Verfahren für die Messung des Geschwindigkeitsprofils als Funktion der Koordinate Wand-Normal, Schritt 2.5, im gleichen Abstand von der Vorderkante aber bei 65 und 125 mm in Breitenrichtung, beziehungsweise.
      4. Wiederholen Sie den Vorgang von 2.1 bis 2.6.4.3 mit verschiedenen Perlen Größen und regelmäßige Substrate.

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Ergebnisse

Abbildung 1 (a) stellt eine Skizze der Versuchsaufbau verwendet, um die kritische Zahl der Schilde in der schleichenden Fluss Grenze, Abschnitt 1 des Protokolls zu charakterisieren. Die Messungen erfolgen in einer rotatorischen Rheometer, die geändert wurde für diese spezielle Anwendung. Eine transparente Plexiglasplatte von 70 mm Durchmesser wurde sorgfältig an einer parallelen Platten von 25 mm Durchmesser befestigt. Die Trägheit des Mess-S...

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Diskussion

Wir präsentieren zwei verschiedene experimentelle Methoden zur Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung als Funktion der Sediment Bett Geometrie. Zu diesem Zweck verwenden wir eine Monolage Kugeln regelmäßig geordnet nach eine dreieckige oder quadratische Symmetrie in einer Weise, dass die geometrische Parameter an einer einzigen Geometrie vereinfacht. In der schleichenden Fluss Grenze beschreiben wir die experimentelle Methode mit einer rotatorischen Rotameter induzieren die laminare Schubfluss wie in früheren...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben

Danksagungen

Die Autoren sind dankbar zu unbekannten Schiedsrichter für wertvolle Ratschläge und Sukyung Choi, Byeongwoo Ko und Baekkyoung Shin für die Zusammenarbeit bei der Einrichtung der Experimente. Diese Arbeit wurde durch die Gehirn-Busan-21-Projekts im Jahr 2017 unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
MCR 302 RotationsrheometerAnton PaarInduktion von Scher-Laminarströmung
Messplatte PP25Anton PaarInduktion von Scher-Laminarströmung
Peltier-System P-PTD 200Anton PaarHalten Sie die Temperatur von Silikonölen im System bei Laminarströmung
Silikonöle mit Viskositäten von ca. 10 und 100 mPasBasildon ChemicalsFlüssigkeit, die zur Induktion der Scherung in den Partikeln
Kalk-Natron-Glasperlen von (405,9 ± 8,7) μ verwendet wird. mThe Technical Glass CompanyAufbau der regulären Substrate für laminare Strömungsbedingungen
Opto Zoom 70 Modul 0,3x-2,2xWEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbHBildgebungssystem zur Erfassung der Bead-Bewegung im Rheometer
2 x TV-Tube 1,0x, D=35 mm, L=146,5 mmWEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbHImaging-System zur Aufzeichnung der Bead-Bewegung im Rheometer
UI-1220SE CMOS-KameraIDS Imaging Development Systems GmbHBildgebungssystem zur Aufzeichnung der Bead-Bewegung im Rheometer
UI-3590CP CMOS-KameraIDS Imaging Development Systems GmbHImaging-System zur Aufzeichnung der Bead-Bewegung im Rheometer
Volpi IntraLED 3 - LED-LichtquelleVolpi USABildgebungssystem zur Aufzeichnung der Raupenbewegung im Rheometer
Aktiver Lichtleiter Durchmesser 5mmVolpi USABildgebungssystem zur Aufzeichnung der Raupenbewegung im Rheometer
300 Watt Xenon-BogenlampeNewport CorporationBildgebungssystem zur Aufzeichnung der Raupenbewegung im Rheometer
Windkanal mit offener Strahlprüfstrecke, Gö ttingen typ Tintschl BioEnergie und Strö mungstechnik AGInduktion turbulenter Strömung
Glaskugeln von (2,00 ± 0,10) mmGloches SüdkoreaKonstruktion der regulären Substrate für turbulente Strömungsbedingungen
Aluminiumoxidkugeln von (5,00 ± 0,25) mmGloches SüdkoreaGezielte Perle für Experimente
CTA Anemometer DISA 55M01Disa Elektronik A/S Messung der Strömungsgeschwindigkeit im Windkanal
Miniaure Wire Probe Type 55P15Dantec DynamicsMessung der Strömungsgeschwindigkeit im Windkanal
HMO2022 Digitales Oszilloskop, 2 analoge Kanäle, 200MHzRohde & Schwarz Messung der Strömungsgeschwindigkeit im Windkanal
Phantom Miro eX1 High-speed CameraVision Research IncVisImaging System zur Aufzeichnung der Wulstbewegung im Windkanal
Canon ef 180mm f/3.5 l usm macro lensCanonImaging System zur Aufzeichnung der Wulstbewegung im Windkanal
Table LED LampGloches SüdkoreaBildgebungssystem zur Aufzeichnung der Wulstbewegung im Windkanal
konstant

Referenzen

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