Basée visuellement caractérisation du mouvement particule naissante dans les substrats régulières : de laminaire à turbulence

L’objectif de cette procédure expérimentale est de quantifier l’impact de la géométrie du lit de sédiments sur le mouvement initial des particules en utilisant des substrats réguliers constitués de monocouches de billes fixes régulièrement disposées selon des configurations triangulaires ou quadratiques. Le mouvement naissant des particules se retrouve dans un large éventail d’applications industrielles telles que les surfaces plus propres, l’élimination des polluants, les processus de filtration ou la microfluidique, y compris l’assemblage de microparticules. Le principal avantage d’utiliser des substrats réguliers est que nous pouvons analyser l’impact de l’orientation géométrique d’un lit de sédiments local, en évitant toute duplexité sur le rôle du voisinage.

Nous proposons deux méthodes différentes pour couvrir une large gamme de nombres de Reynolds de particules, de la limite d’écoulement rampant à l’écoulement hydraulique rugueux. Les résultats de cette méthode peuvent également nous aider à comprendre l’impact de la géométrie locale du lit dans les processus naturels, tels que le transport de sédiments ou l’érosion des lits de grains. La démonstration visuelle de cette méthode est importante car l’utilisation d’un rhéomètre rotatif, par exemple, peut ne pas être courante pour les applications hydrodynamiques de particules.

La démonstration de la méthode avec la soufflerie sera assurée par Jiwon Han, une étudiante diplômée de notre laboratoire qui vient de terminer sa thèse de maîtrise sur ce sujet. Ces mesures ont lieu dans un rhéomètre rotatif. Le rhéomètre est modifié pour inclure un récipient transparent circulaire personnalisé.

Il y a une lame de microscope intégrée pour améliorer l’imagerie. Le fond du conteneur a un substrat régulier, dont des exemples sont dans ce schéma, qui donne un aperçu de l’installation, y compris ses deux appareils photo numériques et ses deux sources lumineuses. Ayez le rhéomètre prêt pour un fonctionnement normal.

Placez ensuite un adaptateur personnalisé sur la plaque de rhéomètre, montez également le récipient avec le substrat sur la plaque. Assurez-vous que la lame du microscope fait face à la caméra. Démarrez le rhéomètre et son logiciel, initialisez-le et réglez sa température.

Ensuite, procurez-vous le disque rotatif personnalisé. Il s’agit de la plaque de verre acrylique transparent de 70 millimètres de diamètre fixée à une plaque de 25 millimètres de diamètre. Montez celui-ci et définissez son point de référence de hauteur.

Soulevez ensuite le disque rotatif et retirez-le. Complétez la préparation en remplissant le récipient d’huile de silicone. Commencez à travailler avec le système d’imagerie.

Cela comprend une caméra CMOS et un objectif avec une vue aérienne dans le conteneur. Une deuxième caméra à grande vitesse a une vue latérale dans le conteneur. La vue se fait à travers la lame du microscope.

Allumez et ajustez la lampe au xénon et la LED pour éclairer le récipient. Utilisez un logiciel d’imagerie dans la caméra CMOS pour visualiser le substrat. Ajustez la platine verticale pour la mettre au point.

Après la mise au point, identifiez le centre du substrat. Placez une sphère en verre doublée de soude soigneusement marquée à cet endroit. Continuez en remontant le disque rotatif sur le rhéomètre à deux millimètres au-dessus du point de référence de hauteur.

Enfin, effectuez les réglages de la caméra de vision latérale. Entrez la plage de vitesse de rotation, programmez une augmentation linéaire de la vitesse de rotation et démarrez les mesures. Commencez à enregistrer une séquence vidéo à partir des deux caméras et observez la vidéo en direct de l’une d’entre elles.

Lorsque le cordon se déplace de sa position d’équilibre, arrêtez la mesure et notez la vitesse de rotation, qui est la vitesse de rotation critique. Ensuite, arrêtez d’enregistrer les vidéos. Pendant l’analyse des données, chargez les vidéos enregistrées dans une routine de traitement d’image personnalisée pour aider à déterminer le mode de mouvement naissant.

Effectuez des mesures de régime turbulent dans une soufflerie à basse vitesse personnalisée. Il dispose d’une section d’essai à jet ouvert avec un substrat régulier centré à l’intérieur. Des platines linéaires, verticales et horizontales supportent un anémomètre et d’autres instruments dans la section d’essai.

La caméra haute vitesse avec objectif macro est montée sur un côté. Ce schéma donne un aperçu de l’équipement. Notez que le signal de l’anémomètre est entré dans un oscilloscope et un ordinateur.

Localisez l’endroit sur le substrat où placer une bille d’alumine marquée. Identifiez le point le long de l’axe central du substrat et à 110 millimètres du bord d’attaque et placez-y le billet. Utilisez la caméra haute vitesse et ajustez une source lumineuse LED pour obtenir une image claire et nette de la perle et de ses marques.

Démarrez le ventilateur de la soufflerie bien en dessous de la vitesse critique approximative du ventilateur. Surveillez le cordon et augmentez la vitesse du ventilateur de quatre à six tr/min toutes les 10 secondes. Démarrez l’enregistrement avec le logiciel d’imagerie à l’approche des conditions initiales.

Arrêtez d’augmenter la vitesse du ventilateur lorsqu’un mouvement naissant se produit, notez la valeur de vitesse critique et arrêtez la vidéo. Encore une fois, pour l’analyse des données, utilisez un logiciel personnalisé pour analyser la vidéo enregistrée et déterminer le mode de mouvement naissant de la perle. Maintenant, travaillez avec l’anémomètre avec une sonde miniature à fil chaud.

Basculez sa fonction de commande en veille et ajustez la résistance pour un taux de surchauffe de 65 %Retirez le cordon marqué du support. Déplacez l’anémomètre pour placer la sonde à fil chaud dans sa position initiale. Pour calibrer l’anémomètre, la sonde doit se trouver dans la zone de jet libre.

Ici, la sonde doit être à au moins 10 millimètres au-dessus du substrat. Faites fonctionner la sonde et démarrez le ventilateur à une vitesse de rotation de 200 tr/min. Ensuite, utilisez un anémomètre à turbine dans le flux d’air.

Lire et enregistrer la vitesse du courant à partir de l’anémomètre à roue. De plus, lisez et enregistrez la tension de la sonde à fil chaud sur l’oscilloscope. Répétez l’enregistrement des lectures de l’anémomètre pour des incréments de 50 tr/min dans la vitesse de rotation jusqu’à 450 tr/min.

Utilisez les données pour établir une courbe d’étalonnage. Surveillez la sonde à l’aide de la caméra et abaissez-la le plus près possible de la surface du substrat sans la toucher. Démarrez le ventilateur à la vitesse moyenne pour le mouvement initial et commencez à collecter les données de la sonde.

Après chaque ensemble de données, augmentez la hauteur de la sonde et répétez la collecte de données. Ces instantanés de dessus représentent un cordon marqué sur une surface quadratique lors d’un mouvement naissant dans un écoulement laminaire. Le logiciel suit les caractéristiques de la particule et du centre de masse.

Les données permettent de déterminer l’angle de rotation en fonction de la trajectoire, et suivent de près les attentes de mouvements de roulis purs indiqués par la ligne pointillée. Il s’agit d’instantanés parallèles d’une perle d’alumine marquée sur une surface quadratique en écoulement turbulent. Dans ce cas, la perle ne semble effectuer un mouvement de roulement pur qu’au début de son mouvement.

Il est possible d’obtenir un tracé du profil de vitesse moyen dans le temps par le cours d’eau, les cercles, à l’aide des données de l’anémomètre à température constante. Ici, la ligne continue est un ajustement à l’aide de la loi logarithmique logarithmique, et les X bleus sont pour un ajustement à l’aide de la loi de paroi modifiée. La vitesse de cisaillement nécessaire pour déterminer le nombre critique des boucliers est déduite des ajustements.

Ici, les deux lois de paroi suggèrent des valeurs similaires pour la vitesse de cisaillement. Voici un graphique de la racine carrée moyenne du profil de vitesse dans le sens du cours d’eau dans une petite plage de hauteur. La sous-couche de viscère mesurée est d’environ 1/4 de millimètre, ce qui indique que le cordon mobile est principalement exposé à un écoulement turbulent.

Chaque mesure dans le rhéomètre ne prend pas plus de cinq minutes si elle est effectuée correctement. Les expériences en soufflerie, cependant, peuvent prendre environ cinq heures, car la mesure de la couche limite est un processus complexe. Le bon réglage de l’écart dans le rhéomètre est essentiel pour éviter toute erreur systématique lors du calcul du taux de cisaillement critique et des numéros de boucliers critiques.

Dans la soufflerie, l’animal avec l’étalonnage veut être soigneusement conduit pour déterminer la vitesse de cisaillement. Il est recommandé d’effectuer un étalonnage avant et après la mesure, afin de s’assurer qu’aucun changement significatif ne s’est produit au cours de la mesure. En suivant la procédure en soufflerie, d’autres critères au-delà des boucliers classiques peuvent être utilisés pour signifier un mouvement naissant.

Les intrants ou les critères d’énergie peuvent être adoptés puisque la durée des événements peut être mesurée par anémomètre thermique. Les résultats peuvent fournir des informations importantes sur la façon dont les forces et les couples agissent sur un écoulement turbulent particulier en fonction de la géométrie du substrat. Les résultats peuvent être utilisés comme référence pour des modèles plus sophistiqués.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon dont nous pouvons quantifier systématiquement l’inférence de la géométrie du lit de sédiments sur le mouvement naissant des particules.