Visual basado en la caracterización de la propuesta del partícula incipiente en sustratos Regular: de Laminar a turbulentas condiciones

El objetivo de este procedimiento experimental es cuantificar el impacto de la geometría del lecho de sedimentos en el movimiento incipiente de partículas mediante el uso de sustratos regulares que consisten en monocapas de perlas fijas dispuestas regularmente de acuerdo con configuraciones triangulares o cuadráticas. El movimiento incipiente de partículas se encuentra en una amplia gama de aplicaciones industriales, como superficies más limpias, eliminación de contaminantes, procesos de filtración o microfluídica, incluido el ensamblaje de plantillas de micropartículas. La principal ventaja de utilizar sustratos regulares es que podemos analizar el impacto de la orientación de la geometría de un lecho de sedimentos local, evitando cualquier duda sobre el papel del vecindario.

Proponemos dos métodos diferentes para cubrir una amplia gama de números de Reynolds de partículas, desde el límite de flujo progresivo hasta el flujo hidráulicamente rugoso. Los resultados de este método también pueden ayudarnos a comprender el impacto de la geometría del lecho local en los procesos de la naturaleza, como el transporte de sedimentos o la erosión del lecho de grano. La demostración visual de este método es importante ya que el uso de un reómetro rotacional, por ejemplo, puede no ser común para aplicaciones hidrodinámicas de partículas.

La demostración del método con el túnel de viento estará a cargo de Jiwon Han, una estudiante graduada de nuestro laboratorio que acaba de terminar su tesis de maestría sobre este tema. Estas mediciones se realizan en un reómetro rotacional. El reómetro se modifica para incluir un contenedor transparente circular personalizado.

Hay un portaobjetos de microscopio integrado para mejorar la obtención de imágenes. La parte inferior del contenedor tiene un sustrato regular, ejemplos de los cuales se encuentran en este esquema, que proporciona una descripción general de la configuración, incluidas sus dos cámaras digitales y dos fuentes de luz. Tenga el reómetro listo para el funcionamiento normal.

Luego coloque un adaptador personalizado en la placa del reómetro, también monte el recipiente con sustrato encima de la placa. Asegúrese de que el portaobjetos del microscopio esté orientado hacia la cámara. Encienda el reómetro y su software, inicialícelo y ajuste su temperatura.

A continuación, obtenga el disco giratorio personalizado. Esta es la placa de vidrio acrílico transparente de 70 milímetros de diámetro fijada a una placa de 25 milímetros de diámetro. Móntelo y establezca su punto de referencia de altura.

A continuación, levante el disco giratorio y retírelo. Preparación completa llenando el recipiente con aceite de silicona. Comience a trabajar con el sistema de imágenes.

Esto incluye una cámara CMOS y una lente de objetivo con una vista aérea del contenedor. Una segunda cámara de alta velocidad tiene una vista lateral del contenedor. La vista es a través del portaobjetos del microscopio.

Encienda y ajuste la lámpara de xenón y el LED para iluminar el contenedor. Utilice el software de imagen de la cámara CMOS para visualizar el sustrato. Ajusta la platina vertical para enfocarla.

Después de enfocar, identifique el centro del sustrato. Coloque una esfera de vidrio forrada con refresco cuidadosamente marcada en la posición. Continúe volviendo a montar el disco giratorio en el reómetro dos milímetros por encima del punto de referencia de altura.

Por último, realice los ajustes necesarios en la cámara de visión lateral. Ingrese el rango de velocidad de rotación, programe un aumento lineal en la velocidad de rotación e inicie las mediciones. Comience a grabar una secuencia de video de ambas cámaras y observe el video en vivo de una de ellas.

Cuando el cordón se desplace de su posición de equilibrio, detenga la medición y observe la velocidad de rotación, que es la velocidad de rotación crítica. Luego, deja de grabar los videos. Durante el análisis de datos, cargue los vídeos grabados en una rutina de procesamiento de imágenes personalizada para ayudar a determinar el modo de movimiento incipiente.

Realice mediciones de régimen turbulento en un túnel de viento de baja velocidad personalizado. Tiene una sección de prueba de chorro abierto con un sustrato regular centrado dentro de ella. Las etapas lineales, verticales y horizontales admiten un anemómetro y otros instrumentos en la sección de prueba.

La cámara de alta velocidad con lente macro está montada en un lado. Este esquema proporciona una visión general del equipo. Tenga en cuenta que la señal del anemómetro se ingresa a un osciloscopio y a una computadora.

Ubique en qué parte del sustrato colocar una cuenta de alúmina marcada. Identifique el punto a lo largo del eje central del sustrato y a 110 milímetros del borde delantero y coloque el cordón allí. Utilice la cámara de alta velocidad y ajuste una fuente de luz LED para lograr una imagen clara y enfocada de la cuenta y sus marcas.

Encienda el ventilador del túnel de viento muy por debajo de la velocidad crítica aproximada del ventilador. Controle el cordón y aumente la velocidad del ventilador de cuatro a seis RPM cada 10 segundos. Comience a grabar con el software de imágenes cuando esté cerca de condiciones incipientes.

Deje de aumentar la velocidad del ventilador cuando se produzca un movimiento incipiente, anote el valor crítico de la velocidad y detenga el video. Nuevamente, para el análisis de datos, use un software personalizado para analizar el video grabado y determine el modo de movimiento incipiente de la cuenta. Ahora, trabaje con el anemómetro con una sonda de hilo caliente en miniatura.

Cambie su función de control a modo de espera y ajuste la resistencia para una relación de sobrecalentamiento del 65%Retire el cordón marcado del sustrato. Mueva el anemómetro para colocar la sonda de hilo caliente en su posición inicial. Para calibrar el anemómetro, la sonda debe estar en la zona de flujo libre.

Aquí, la sonda debe estar al menos 10 milímetros por encima del sustrato. Encienda la sonda y encienda el ventilador a una velocidad de rotación de 200 RPM. A continuación, emplee un anemómetro de impulsor en la corriente de aire.

Lea y registre la velocidad de la corriente desde el anemómetro del impulsor. Además, lea y registre el voltaje de la sonda de hilo caliente en el osciloscopio. Repita el registro de las lecturas del anemómetro para incrementos de 50 RPM en la velocidad de rotación hasta 450 RPM.

Utilice los datos para establecer una curva de calibración. Monitoree la sonda con la cámara y bájela lo más cerca posible de la superficie del sustrato sin tocarla. Encienda el ventilador a la velocidad media para el movimiento incipiente y comience a recopilar datos de la sonda.

Después de cada conjunto de datos, aumente la altura de la sonda y repita la recopilación de datos. Estas instantáneas de la vista superior son de un cordón marcado en una superficie cuadrática durante un movimiento incipiente en el flujo laminar. El software realiza un seguimiento de las características de la partícula y del centro de masa.

Los datos permiten determinar el ángulo de rotación en función de la trayectoria y siguen de cerca las expectativas de movimientos de balanceo puros indicados por la línea punteada. Estas son instantáneas análogas de vista lateral para una cuenta de alúmina marcada en una superficie cuadrática en flujo turbulento. En este caso, la cuenta parece llevar a cabo un movimiento de balanceo puro solo al principio de su movimiento.

Es posible trazar el perfil de velocidad de la corriente promediado en el tiempo, los círculos, utilizando los datos del anemómetro de temperatura constante. Aquí, la línea continua es un ajuste usando la ley logarítmica de registro, y las X azules son para un ajuste usando la ley de pared modificada. La velocidad de corte necesaria para determinar el número crítico de escudos se infiere de los ajustes.

Aquí, ambas leyes de la pared sugieren valores similares para la velocidad de corte. A continuación se muestra un gráfico del perfil de velocidad de la corriente cuadrada media dentro de un pequeño rango de altura. La subcapa de viscus medida es de aproximadamente 1/4 de milímetro, lo que indica que la cuenta móvil está expuesta principalmente a un flujo turbulento.

Cada medición en el reómetro no toma más de cinco minutos si se realiza correctamente. Los experimentos en el túnel de viento, sin embargo, pueden durar unas cinco horas, ya que la medición de la capa límite es un proceso complejo. El ajuste adecuado del espacio en el reómetro es fundamental para evitar cualquier error sistemático al calcular la velocidad de cizallamiento crítica y los números de escudos críticos.

En el túnel de viento, el animal con la calibración quiere ser conducido cuidadosamente para determinar la velocidad de cizallamiento. Se recomienda realizar una calibración antes y después de la medición, para asegurarse de que no se produzcan cambios significativos en el curso de la medición. Siguiendo el procedimiento en el túnel de viento, se pueden utilizar otros criterios más allá de los escudos clásicos para indicar un movimiento incipiente.

Los insumos o criterios energéticos pueden ser adoptados ya que la duración de los eventos puede ser medida por anemómetro térmico. Los resultados pueden proporcionar información importante sobre cómo actúan las fuerzas y los pares en un determinado debido al flujo turbulento en función de la geometría del sustrato. Los resultados se pueden utilizar como punto de referencia para modelos más sofisticados.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo podemos cuantificar sistemáticamente la inferencia de la geometría del lecho de sedimentos en el movimiento incipiente de las partículas.