באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

מטרת הליך ניסיוני זה היא לכמת את ההשפעה של גיאומטריית מצע המשקעים על תנועת החלקיקים הראשונים על ידי שימוש במצעים רגילים המורכבים משכבות חד-שכבתיות של חרוזים קבועים המסודרים באופן קבוע על פי תצורות משולשות או ריבועיות. תנועת חלקיקים ראשונית נמצאת במגוון רחב של יישומים תעשייתיים כגון משטחים נקיים יותר, הסרת מזהמים, תהליכי סינון או מיקרופלואידיקה, כולל הרכבת תבניות של מיקרו-חלקיקים. היתרון העיקרי בשימוש במצעים רגילים הוא שאנו יכולים לנתח את ההשפעה של אוריינטציה גיאומטרית מקומית של מצע משקעים, ולהימנע מכל ספק לגבי תפקיד השכונה.

אנו מציעים שתי שיטות שונות לכיסוי טווח רחב של מספר ריינולדס של חלקיקים, מגבול הזרימה הזוחלת ועד לזרימה הגסה מבחינה הידראולית. התוצאות של שיטה זו יכולות גם לעזור לנו להבין את ההשפעה של גיאומטריית המיטה המקומית על תהליכי טבע, כגון הובלת משקעים, או שחיקת מצע תבואה. הדגמה חזותית של שיטה זו חשובה מכיוון שהשימוש בריאומטר סיבובי, למשל, עשוי שלא להיות נפוץ עבור יישומים הידרודינמיים של חלקיקים.

מי שתדגים את השיטה עם מנהרת הרוח תהיה ג'יוון האן, סטודנטית לתואר שני מהמעבדה שלנו שזה עתה סיימה את עבודת המאסטר שלה בנושא זה. מדידות אלה מתבצעות בריאומטר סיבובי. הריאומטר שונה כך שיכלול מיכל שקוף עגול מותאם אישית.

יש שקופית מיקרוסקופ משובצת לשיפור ההדמיה. בתחתית המיכל יש מצע רגיל, דוגמאות לכך נמצאות בסכימה זו, המספקת סקירה כללית של ההגדרה, כולל שתי המצלמות הדיגיטליות שלה, ושני מקורות אור. הכינו את הריאומטר לפעולה רגילה.

לאחר מכן הניחו מתאם מותאם אישית על צלחת הריאומטר, הרכיבו גם את המיכל עם המצע על גבי הצלחת. ודא ששקופית המיקרוסקופ פונה למצלמה. הפעל את הריאומטר ואת התוכנה שלו, אתחל אותו והגדר את הטמפרטורה שלו.

לאחר מכן, קבל את הדיסק המסתובב המותאם אישית. זוהי צלחת הזכוכית האקרילית השקופה בקוטר 70 מילימטר הקבועה לצלחת בקוטר 25 מילימטר. התקן אותו והגדר את נקודת הייחוס לגובה שלו.

לאחר מכן הרם את הדיסק המסתובב והסר אותו. הכנה מלאה על ידי מילוי המיכל בשמן סיליקון. התחל לעבוד עם מערכת ההדמיה.

זה כולל מצלמת CMOS ועדשת אובייקטיביות עם מבט עילי לתוך המיכל. למצלמה שנייה במהירות גבוהה יש מבט מהצד לתוך המיכל. המבט הוא דרך שקופית המיקרוסקופ.

הפעל והתאם את מנורת הקסנון ואת הנורית כדי להאיר את המיכל. השתמש בתוכנת הדמיה במצלמת CMOS כדי להמחיש את המצע. כוונן את הבמה האנכית כדי להביא אותה למיקוד.

לאחר ההתמקדות, זהה את מרכז המצע. הניחו כדור זכוכית מרופד סודה מסומן בקפידה במיקום. המשך על ידי הרכבה מחדש של הדיסק המסתובב על הריאומטר שני מילימטרים מעל נקודת הייחוס לגובה.

לבסוף, בצע את כל ההתאמות במצלמת הצד. היכנס לטווח מהירות הסיבוב, תכנת עלייה ליניארית במהירות הסיבוב והתחל את המדידות. התחל להקליט רצף וידאו משתי המצלמות, וצפה בסרטון החי מאחת מהן.

כאשר החרוז נעקר ממצב שיווי המשקל שלו, עצור את המדידה ושים לב למהירות הסיבוב, שהיא מהירות הסיבוב הקריטית. לאחר מכן, הפסק להקליט את הסרטונים. במהלך ניתוח הנתונים, טען סרטונים מוקלטים לשגרת עיבוד תמונה מותאמת אישית כדי לעזור לקבוע את מצב התנועה המתחילה.

בצע מדידות משטר טורבולנטיות במנהרת רוח מותאמת אישית במהירות נמוכה. יש לו קטע בדיקה עם סילון פתוח עם מצע רגיל במרכזו. שלבים ליניאריים, אנכיים ואופקיים תומכים במד רוח ובמכשור אחר בקטע הבדיקה.

המצלמה המהירה עם עדשת המאקרו מותקנת בצד אחד. סכימה זו מספקת סקירה כללית של הציוד. שימו לב שאות מד הרוח מוזן לאוסילוסקופ ולמחשב.

אתר היכן על המצע למקם חרוז אלומינה מסומן. זהה את הנקודה לאורך הציר המרכזי של המצע ובמרחק של 110 מילימטרים מהקצה המוביל והנח שם את החרוז. השתמש במצלמה המהירה, והתאם מקור אור LED כדי להשיג תמונה ברורה וממוקדת של החרוז וסימניו.

הפעל את המאוורר של מנהרת הרוח הרבה מתחת למהירות המאוורר הקריטית המשוערת. עקוב אחר החרוז והגבר את מהירות המאוורר בארבעה עד שישה סל"ד כל 10 שניות. התחל להקליט עם תוכנת ההדמיה כאשר אתה קרוב לתנאים התחלתיים.

הפסק להגדיל את מהירות המאוורר כאשר מתרחשת תנועה מתחילה, ושים לב לערך המהירות הקריטית, ועצור את הסרטון. שוב, לניתוח נתונים, השתמש בתוכנה מותאמת אישית כדי לנתח את הסרטון המוקלט, ולקבוע את מצב התנועה הראשונית של החרוז. כעת, עבדו עם מד רוח עם בדיקה מיניאטורית עם חוט חם.

העבר את פונקציית הבקרה שלו למצב המתנה והתאם את ההתנגדות ליחס התחממות יתר של 65%הסר את החרוז המסומן מהמצע. הזז את מד הרוח כדי למקם את בדיקת החוט החם במקומה ההתחלתי. כדי לכייל את מד הרוח, הגשושית צריכה להיות באזור הזרם החופשי.

כאן, הגשושית חייבת להיות לפחות 10 מילימטרים מעל המצע. הפעל את הגשושית והפעל את המאוורר במהירות סיבוב של 200 סל"ד. לאחר מכן השתמש במד רוח אימפלר בזרם האוויר.

קרא ורשום את מהירות הזרם ממד הרוח של האימפלר. בנוסף, קרא ורשום את מתח בדיקת החוט החם באוסילוסקופ. חזור על רישום קריאות מד הרוח במרווחים של 50 סל"ד במהירות הסיבוב של עד 450 סל"ד.

השתמש בנתונים כדי ליצור עקומת כיול. עקוב אחר הגשושית עם המצלמה, והורד אותה קרוב ככל האפשר למשטח המצע מבלי לגעת בו. הפעל את המאוורר במהירות הממוצעת לתנועה מתחילה והתחל לאסוף נתוני בדיקה.

לאחר כל ערכת נתונים, הגדל את גובה הגשושית וחזור על איסוף הנתונים. תמונות אלה מלמעלה הן של חרוז מסומן על משטח ריבועי במהלך תנועה מתחילה בזרימה למינרית. התוכנה עוקבת אחר תכונות על החלקיק ומרכז המסה.

הנתונים מאפשרים לקבוע את זווית הסיבוב כפונקציה של המסלול, ועוקבים מקרוב אחר הציפיות לתנועות גלגול טהורות המסומנות על ידי הקו המקווקו. אלו הן תמונות אנלוגיות מהצד עבור חרוז אלומינה מסומן על משטח ריבועי בזרימה סוערת. במקרה זה, נראה שהחרוז מבצע תנועת גלגול טהורה רק בשלב מוקדם בתנועתו.

תרשים של פרופיל המהירות הממוצעת של הזרם, העיגולים, אפשרי באמצעות נתונים ממד הרוח של הטמפרטורה הקבועה. כאן, הקו המוצק הוא התאמה באמצעות חוק הלוג הלוגריתמי, וה-X הכחול מיועד להתאמה באמצעות חוק הקיר המותאם. מהירות הגזירה הדרושה לקביעת מספר המגנים הקריטיים מוסקת מההתאמות.

כאן, שני חוקי הקיר מציעים ערכים דומים למהירות הגזירה. להלן תרשים של פרופיל המהירות הממוצע הריבועי של השורש בטווח גובה קטן. תת-שכבת הצמיגות הנמדדת היא כ-1/4 מילימטר, מה שמצביע על כך שהחרוז הנייד חשוף בעיקר לזרימה טורבולנטית.

כל מדידה בריאומטר לא אורכת יותר מחמש דקות אם היא מבוצעת כראוי. ניסויים במנהרת הרוח, לעומת זאת, עשויים להימשך כחמש שעות, מכיוון שמדידת שכבת הגבול היא תהליך מורכב. ההגדרה הנכונה של הפער בריאומטר היא קריטית כדי למנוע כל שגיאה שיטתית בעת חישוב קצב הגזירה הקריטי ומספרי המגנים הקריטיים.

במנהרת הרוח, החיה עם הכיול רוצה להתנהל בזהירות כדי לקבוע את מהירות הגזירה. מומלץ לבצע כיול לפני ואחרי המדידה, כדי לוודא שלא חלו שינויים משמעותיים במהלך המדידה. בעקבות הנוהל במנהרת הרוח, ניתן להשתמש בקריטריונים אחרים מעבר למגנים הקלאסיים כדי לסמן תנועה מתחילה.

ניתן לאמץ את קריטריוני התשומות או האנרגיה מכיוון שניתן למדוד את משך האירועים על ידי מד רוח תרמי. התוצאות יכולות לספק תובנה חשובה לגבי האופן שבו כוחות ומומנטים פועלים על מסוימת עקב זרימה טורבולנטית בהתאם לגיאומטריית המצע. התוצאות יכולות לשמש כאמת מידה למודלים מתוחכמים יותר.

לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד אנו יכולים לכמת באופן שיטתי את ההסקה של גיאומטריית מצע המשקעים על תנועת החלקיקים המתחילה.