באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת
February 22nd, 2018
שתי שיטות שונות עבור אפיון של חלקיק התחלתית של חרוז אחד כפונקציה של הגיאומטריה מיטה משקעים מן למינריות לזרימה מערבולות מוצגים.
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.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה כללית
מחקר זה מציג שתי שיטות לאופיין את תנועת החלקיקים המתחילה של חרוז יחיד על סמך גיאומטריה של מצע המשקעים תחת תנאי זרימה משתנים. הדגש הוא על הבנת האופן שבו תצורות שונות משפיעות על הדינמיקה של החלקיקים.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- דינמיקה של זורמים
- תנועת חלקיקים
- הובלת משקעים
רקע
- תנועת חלקיקים מתחילה רלוונטית ביישומים תעשייתיים שונים.
- מצעים קבועים מאפשרים ניתוח מבוקר של גיאומטריה של מצע המשקעים.
- המחקר דן בהשפעת הגיאומטריה המקומית על התנהגות החלקיקים.
- הבנת הדינמיקה הללו יכולה לספק מידע על תהליכים טבעיים כמו הובלת משקעים.
מטרת המחקר
- להעריך את ההשפעה של גיאומטריה של מצע המשקעים על תנועת החלקיקים.
- לחקור מגוון של מספרי ריינולדס של חלקיקים.
- לספק תובנות על הובלת משקעים ושחיקת מצע גרגירים.
שיטות ששימשו
- שימוש במצעים קבועים עם חרוזים קבועים.
- אופיין תנועת החלקיקים מזרימה למינרית ועד טורבולנטית.
- יישום של שתי שיטות שונות לכיסוי מגוון רחב של תנאים.
- הדגמות ויזואליות להעמקת ההבנה של השיטות.
תוצאות עיקריות
- הוכחה להשפעת גיאומטריה של מצע המשקעים על הדינמיקה של החלקיקים.
- ניתוח מקיף בתחום משטרי זרימה שונים.
- הדגשת היתרונות של שימוש במצעים קבועים לקבלת בהירות בתוצאות.
- תרומה להבנת תהליכי הובלת משקעים בטבע.
מסקנות
- המחקר מציע תובנות חשובות על תנועת חלקיקים המוקפת על ידי גיאומטריה.
- התוצאות יכולות לספק מידע ליישום תעשייתי ותהליכים טבעיים.
- שיטות ויזואליות יכולות לסייע לחוקרים ביישומי הידרודינמיקה של חלקיקים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Quantifying incipient particle motion on engineered substrates enables predictive control of particle detachment and transport in filtration, microfluidics, and surface cleaning workflows. The ability to systematically vary substrate geometry and flow regime provides mechanistic insight into threshold conditions, supporting risk-reduced process design and benchmarking for advanced particle handling systems. These methods inform early-stage technology evaluation and cross-platform comparability in R&D pipelines where particle-fluid interactions are critical.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of particle detachment thresholds under defined hydrodynamic conditions.
- Supports mechanistic de-risking by isolating the impact of substrate geometry on particle motion.
- Facilitates benchmarking of new materials or device surfaces for particle retention or release.
Screening & Assay Development
- Provides validated, reproducible systems for quantifying onset of particle motion across laminar and turbulent regimes.
- Delivers quantitative outputs such as critical Shields number and shear velocity for assay standardization.
- Enables high-content imaging and automated analysis for scalable screening of surface or flow modifications.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro particle transport models with physiologically relevant flow conditions for translational continuity.
- Supports risk-adjusted advancement of filtration or microfluidic technologies by clarifying operational thresholds.
- Benchmarks device or substrate performance for downstream preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates at the interface of early discovery and assay development, providing foundational data for lead identification and preclinical model selection in particle-fluid systems.
- Discovery Biology: Quantifies the influence of substrate geometry and flow regime on particle detachment, supporting hypothesis-driven design.
- Screening: Supplies reproducible, quantitative metrics for comparing surface or flow modifications.
- Analytics: Delivers critical readouts such as shear velocity and Shields number for cross-condition analysis.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to operational settings by modeling physiologically relevant flow regimes.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized platform for ongoing evaluation of particle transport technologies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in particle detachment and transport thresholds.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible, and scalable measurement of incipient motion.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for new filtration, microfluidic, or surface technologies.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of particle-handling innovations.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fluid dynamics, imaging, and quantitative data analysis.
- Demands access to rotational rheometers, wind tunnels, and high-speed imaging systems.
- Necessitates rigorous calibration and cross-team standardization for reproducibility.
- Adaptable to a range of substrate geometries and flow regimes with appropriate instrumentation.
- Measurement complexity increases in turbulent regimes, requiring extended data collection and analysis.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
1:31
Incipient Particle Motion in the Creeping Flow Limit: Preparing the Rheometer
3:12
Creeping Flow Limit: Adjusting the Imaging System
4:20
Creeping Flow Limit: Determining the Critical Rotating Speed for Onset of Motion
5:03
Incipient Particle Motion at the Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Experimental Setup and Preparing the Imaging System
6:12
Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Determining the Critical Fan Speed
7:00
Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Preparing and Calibrating the Constant Temperature Hot-wire Anemometer
8:22
Hydraulically Transitional and Rough Turbulent Regime: Measuring the Streamwise Velocity
8:51
Results: Characterization of the Motion of Spheres on Quadratic Surfaces in Laminar and Turbulent Conditions
10:17
Conclusion
