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

Das Ziel dieses experimentellen Verfahrens ist es, den Einfluss der Sedimentbettgeometrie auf die beginnende Partikelbewegung zu quantifizieren, indem regelmäßige Substrate verwendet werden, die aus Monolagen fester Kügelchen bestehen, die regelmäßig in dreieckigen oder quadratischen Konfigurationen angeordnet sind. Beginnende Partikelbewegung findet sich in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen, wie z. B. saubereren Oberflächen, der Entfernung von Schadstoffen, Filtrationsprozessen oder der Mikrofluidik, einschließlich der Matrizenmontage von Mikropartikeln. Der Hauptvorteil der Verwendung regulärer Substrate besteht darin, dass wir den Einfluss einer lokalen Ausrichtung der Sedimentbettgeometrie analysieren können, wodurch Zweifel an der Rolle der Nachbarschaft vermieden werden.

Wir schlagen zwei verschiedene Methoden vor, um einen breiten Bereich der Partikel-Reynoldszahl abzudecken, von der Kriechströmungsgrenze bis zur hydraulisch rauen Strömung. Die Ergebnisse dieser Methode können uns auch helfen, den Einfluss der lokalen Bettgeometrie auf Prozesse in der Natur zu verstehen, wie z.B. den Sedimenttransport oder die Erosion des Getreidebettes. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist wichtig, da die Verwendung eines Rotationsrheometers beispielsweise für hydrodynamische Anwendungen mit Partikeln möglicherweise nicht üblich ist.

Jiwon Han, eine Doktorandin aus unserem Labor, die gerade ihre Masterarbeit zu diesem Thema abgeschlossen hat, wird die Methode mit dem Windkanal demonstrieren. Diese Messungen finden in einem Rotationsrheometer statt. Das Rheometer ist so modifiziert, dass es einen kundenspezifischen kreisförmigen transparenten Behälter enthält.

Es gibt einen eingebetteten Objektträger, um die Bildgebung zu verbessern. Der Boden des Behälters besteht aus einem normalen Substrat, von dem Beispiele in diesem Schema zu sehen sind, das einen Überblick über den Aufbau gibt, einschließlich seiner zwei Digitalkameras und zwei Lichtquellen. Halten Sie das Rheometer für den normalen Betrieb bereit.

Platzieren Sie dann einen kundenspezifischen Adapter auf der Rheometerplatte und montieren Sie den Behälter mit Substrat auf der Platte. Stellen Sie sicher, dass der Objektträger zur Kamera zeigt. Starten Sie das Rheometer und seine Software, initialisieren Sie es und stellen Sie die Temperatur ein.

Holen Sie sich als Nächstes die angepasste rotierende Scheibe. Dabei handelt es sich um die transparente Acrylglasplatte mit einem Durchmesser von 70 Millimetern, die auf einer Platte mit einem Durchmesser von 25 Millimetern befestigt ist. Montieren Sie diese und legen Sie den Höhenbezugspunkt fest.

Heben Sie dann die rotierende Scheibe an und entfernen Sie sie. Schließen Sie die Vorbereitung ab, indem Sie den Behälter mit Silikonöl füllen. Beginnen Sie mit der Arbeit mit dem Bildgebungssystem.

Dazu gehören eine CMOS-Kamera und ein Objektiv mit Blick von oben in den Container. Eine zweite Hochgeschwindigkeitskamera hat einen Seitenblick in den Container. Der Blick erfolgt durch den Objektträger.

Schalten Sie die Xenon-Lampe und die LED ein und stellen Sie sie so ein, dass der Behälter beleuchtet wird. Verwenden Sie die Imaging-Software in der CMOS-Kamera, um das Substrat zu visualisieren. Passen Sie den vertikalen Tisch an, um ihn scharf zu stellen.

Identifizieren Sie nach dem Fokussieren die Mitte des Substrats. Platzieren Sie eine sorgfältig markierte, mit Soda ausgekleidete Glaskugel an der Stelle. Fahren Sie fort, indem Sie die rotierende Scheibe zwei Millimeter über dem Höhenreferenzpunkt wieder am Rheometer montieren.

Nehmen Sie abschließend alle Anpassungen an der Seitenkamera vor. Geben Sie den Drehzahlbereich ein, programmieren Sie eine lineare Erhöhung der Drehzahl und starten Sie die Messungen. Starten Sie die Aufnahme einer Videosequenz von beiden Kameras und beobachten Sie das Live-Video von einer der Kameras.

Wenn sich die Raupe aus ihrer Gleichgewichtsposition verschiebt, stoppen Sie die Messung und notieren Sie die Drehzahl, die die kritische Drehzahl ist. Beenden Sie dann die Aufnahme der Videos. Laden Sie während der Datenanalyse aufgezeichnete Videos in eine benutzerdefinierte Bildverarbeitungsroutine, um den Modus der beginnenden Bewegung zu bestimmen.

Führen Sie Messungen des turbulenten Regimes in einem kundenspezifischen Windkanal mit niedriger Geschwindigkeit durch. Es verfügt über eine Open-Jet-Testsektion, in der ein regelmäßiges Substrat zentriert ist. Lineare, vertikale und horizontale Tische unterstützen ein Anemometer und andere Instrumente in der Testsektion.

Die Highspeed-Kamera mit Makroobjektiv ist an einer Seite montiert. Dieses Schema gibt einen Überblick über die Ausrüstung. Beachten Sie, dass das Anemometersignal an ein Oszilloskop und einen Computer eingegeben wird.

Lokalisieren Sie die Stelle auf dem Substrat, an der eine markierte Aluminiumoxidperle platziert werden soll. Identifizieren Sie den Punkt entlang der Mittelachse des Substrats und 110 Millimeter von der Eintrittskante entfernt und platzieren Sie die Raupe dort. Verwenden Sie die Hochgeschwindigkeitskamera und stellen Sie eine LED-Lichtquelle ein, um ein klares, fokussiertes Bild der Raupe und ihrer Markierungen zu erhalten.

Starten Sie den Lüfter des Windkanals deutlich unterhalb der ungefähren kritischen Lüfterdrehzahl. Überwachen Sie die Wulst und erhöhen Sie die Lüfterdrehzahl alle 10 Sekunden um vier bis sechs Umdrehungen pro Minute. Starten Sie die Aufnahme mit der Bildgebungssoftware, wenn Sie sich kurz vor beginnenden Bedingungen befinden.

Hören Sie auf, die Lüftergeschwindigkeit zu erhöhen, wenn eine Bewegung auftritt, notieren Sie sich den kritischen Geschwindigkeitswert, und stoppen Sie das Video. Auch hier gilt: Verwenden Sie für die Datenanalyse eine benutzerdefinierte Software, um das aufgezeichnete Video zu analysieren und die Art der beginnenden Bewegung der Raupe zu bestimmen. Arbeiten Sie nun mit dem Anemometer mit einer Miniatur-Hitzdrahtsonde.

Schalten Sie die Steuerungsfunktion auf Standby und stellen Sie den Widerstand auf ein Überhitzungsverhältnis von 65 % einEntfernen Sie die markierte Raupe vom Substrat. Bewegen Sie das Anemometer, um die Hitzdrahtsonde in ihre Ausgangsposition zu bringen. Um das Anemometer zu kalibrieren, sollte sich die Sonde in der Freistromzone befinden.

Dabei muss sich die Sonde mindestens 10 Millimeter über dem Substrat befinden. Lassen Sie die Sonde laufen und starten Sie den Lüfter mit einer Drehzahl von 200 U/min. Setzen Sie dann ein Laufrad-Anemometer im Luftstrom ein.

Lesen und zeichnen Sie die strömungsweise Geschwindigkeit vom Laufrad-Anemometer ab. Lesen und notieren Sie außerdem die Spannung des Hitzdrahttastkopfs am Oszilloskop. Wiederholen Sie die Aufzeichnung der Anemometer-Messwerte in Schritten von 50 U/min in der Drehzahl bis zu 450 U/min.

Verwenden Sie die Daten, um eine Kalibrierkurve zu erstellen. Überwachen Sie die Sonde mit der Kamera und senken Sie sie so nah wie möglich an die Substratoberfläche ab, ohne sie zu berühren. Starten Sie den Lüfter mit der mittleren Drehzahl für beginnende Bewegung, und beginnen Sie mit dem Sammeln von Sondendaten.

Erhöhen Sie nach jedem Datensatz die Höhe des Prüfpunkts, und wiederholen Sie die Datenerfassung. Diese Schnappschüsse in der Draufsicht zeigen eine markierte Perle auf einer quadratischen Oberfläche während einer beginnenden Bewegung in laminarer Strömung. Die Software verfolgt Merkmale auf dem Partikel und dem Massenschwerpunkt.

Die Daten ermöglichen die Bestimmung des Drehwinkels in Abhängigkeit von der Flugbahn und folgen genau den Erwartungen an reine Abrollbewegungen, die durch die gestrichelte Linie angezeigt werden. Dies sind analoge Schnappschüsse in der Seitenansicht einer markierten Aluminiumoxidperle auf einer quadratischen Oberfläche in turbulenter Strömung. In diesem Fall scheint die Raupe nur zu Beginn ihrer Bewegung eine reine Rollbewegung auszuführen.

Eine Darstellung des zeitlich gemittelten Geschwindigkeitsprofils der strömungsweisen Ströme, der Kreise, ist mit den Daten des Anemometers mit konstanter Temperatur möglich. Hier ist die durchgezogene Linie eine Passung nach dem logarithmischen Logarithmusgesetz, und die blauen Xs stehen für eine Passung nach dem modifizierten Wandgesetz. Die Schergeschwindigkeit, die zur Bestimmung der kritischen Schildzahl erforderlich ist, wird aus den Passungen abgeleitet.

Hier schlagen beide Wandgesetze ähnliche Werte für die Schubgeschwindigkeit vor. Hier ist ein Diagramm des mittleren quadratischen strömungsweisen Geschwindigkeitsprofils innerhalb eines kleinen Höhenbereichs. Die gemessene Viskus-Unterschicht beträgt etwa 1/4 Millimeter, was darauf hindeutet, dass die bewegliche Kugel hauptsächlich einer turbulenten Strömung ausgesetzt ist.

Jede Messung im Rheometer dauert nicht länger als fünf Minuten, wenn sie richtig durchgeführt wird. Die Experimente im Windkanal können jedoch etwa fünf Stunden dauern, da die Vermessung der Grenzschicht ein komplexer Prozess ist. Die richtige Einstellung des Spalts im Rheometer ist entscheidend, um systematische Fehler bei der Berechnung der kritischen Scherrate und der kritischen Abschirmungszahlen zu vermeiden.

Im Windkanal will das Tier mit der Kalibrierung vorsichtig geführt werden, um die Schergeschwindigkeit zu bestimmen. Es wird empfohlen, vor und nach der Messung eine Kalibrierung durchzuführen, um sicherzustellen, dass im Verlauf der Messung keine wesentlichen Veränderungen aufgetreten sind. Folgt man dem Verfahren im Windkanal, können neben den klassischen Schutzschilden auch andere Kriterien herangezogen werden, um eine beginnende Bewegung zu bezeichnen.

Die Eingangs- oder Energiekriterien können übernommen werden, da die Dauer von Ereignissen mit einem thermischen Anemometer gemessen werden kann. Die Ergebnisse können wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie Kräfte und Drehmomente in Abhängigkeit von der Substratgeometrie auf eine bestimmte Strömung wirken. Die Ergebnisse können als Benchmark für anspruchsvollere Modelle verwendet werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie wir die Rückschlüsse der Sedimentbettgeometrie auf die beginnende Partikelbewegung systematisch quantifizieren können.