Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

L'obiettivo di questa procedura sperimentale è quello di quantificare l'impatto della geometria del letto di sedimenti sul moto incipiente delle particelle utilizzando substrati regolari costituiti da monostrati di perle fisse disposte regolarmente secondo configurazioni triangolari o quadratiche. Il movimento incipiente delle particelle si trova in un'ampia gamma di applicazioni industriali come superfici più pulite, rimozione di inquinanti, processi di filtrazione o microfluidica, compreso l'assemblaggio di modelli di microparticelle. Il vantaggio principale dell'utilizzo di substrati regolari è che possiamo analizzare l'impatto dell'orientamento geometrico di un letto di sedimenti locale, evitando qualsiasi dubbio sul ruolo del vicinato.

Proponiamo due diversi metodi per coprire un'ampia gamma di numeri di Reynolds di particelle, dal limite di flusso strisciante, al flusso ruvido idraulicamente. I risultati di questo metodo possono anche aiutarci a comprendere l'impatto della geometria del letto locale nei processi naturali, come il trasporto di sedimenti o l'erosione del letto di grano. La dimostrazione visiva di questo metodo è importante poiché l'uso di un reometro rotazionale, ad esempio, potrebbe non essere comune per le applicazioni idrodinamiche delle particelle.

A dimostrare il metodo con la galleria del vento sarà Jiwon Han, una studentessa laureata del nostro laboratorio che ha appena terminato la sua tesi di laurea magistrale su questo argomento. Queste misurazioni avvengono in un reometro rotazionale. Il reometro è stato modificato per includere un contenitore circolare trasparente personalizzato.

C'è un vetrino da microscopio incorporato per migliorare l'imaging. Il fondo del contenitore ha un substrato regolare, di cui alcuni esempi si trovano in questo schema, che fornisce una panoramica della configurazione, comprese le sue due fotocamere digitali e due fonti di luce. Tenere il reometro pronto per il normale funzionamento.

Quindi posizionare un adattatore personalizzato sulla piastra del reometro, montare anche il contenitore con il substrato sopra la piastra. Assicurarsi che il vetrino del microscopio sia rivolto verso la fotocamera. Avvia il reometro e il suo software, inizializzalo e impostane la temperatura.

Quindi, ottieni il disco rotante personalizzato. Questa è la lastra di vetro acrilico trasparente di 70 millimetri di diametro fissata a una lastra di 25 millimetri di diametro. Montarlo e impostarne il punto di riferimento dell'altezza.

Quindi sollevare il disco rotante e rimuoverlo. Completare la preparazione riempiendo il contenitore con olio siliconico. Iniziare a lavorare con il sistema di imaging.

Ciò include una telecamera CMOS e un obiettivo con una vista dall'alto nel container. Una seconda telecamera ad alta velocità ha una visuale laterale nel container. La vista avviene attraverso il vetrino del microscopio.

Accendi e regola la lampada allo xeno e il LED per illuminare il contenitore. Utilizzare il software di imaging nella fotocamera CMOS per visualizzare il substrato. Regolare il tavolino verticale per metterlo a fuoco.

Dopo la messa a fuoco, identificare il centro del substrato. Posizionare una sfera di vetro rivestita di soda accuratamente contrassegnata nella posizione. Continuare rimontando il disco rotante sul reometro due millimetri sopra il punto di riferimento dell'altezza.

Infine, apportare le modifiche alla telecamera laterale. Inserire l'intervallo di velocità di rotazione, programmare un aumento lineare della velocità di rotazione e avviare le misurazioni. Inizia a registrare una sequenza video da entrambe le telecamere e osserva il video in diretta da una di esse.

Quando il cordone si sposta dalla sua posizione di equilibrio, interrompere la misurazione e annotare la velocità di rotazione, che è la velocità di rotazione critica. Quindi, interrompi la registrazione dei video. Durante l'analisi dei dati, caricare i video registrati in una routine di elaborazione delle immagini personalizzata per determinare la modalità di movimento incipiente.

Esegui misure di regime turbolento in una galleria del vento personalizzata a bassa velocità. Ha una sezione di prova a getto aperto con un substrato regolare centrato al suo interno. Gli stadi lineari, verticali e orizzontali supportano un anemometro e altra strumentazione nella sezione di prova.

La telecamera ad alta velocità con obiettivo macro è montata su un lato. Questo schema fornisce una panoramica dell'attrezzatura. Si noti che il segnale dell'anemometro viene immesso in un oscilloscopio e in un computer.

Individuare il punto del substrato per posizionare una perlina di allumina contrassegnata. Identificare il punto lungo l'asse centrale del substrato e a 110 millimetri dal bordo d'attacco e posizionare lì il cordone. Utilizzare la fotocamera ad alta velocità e regolare una sorgente luminosa a LED per ottenere un'immagine chiara e focalizzata del tallone e dei suoi segni.

Avviare la ventola della galleria del vento ben al di sotto della velocità critica approssimativa della ventola. Monitorare il cordone e aumentare la velocità della ventola da quattro a sei giri/min ogni 10 secondi. Avviare la registrazione con il software di imaging quando si è vicini a condizioni incipienti.

Interrompere l'aumento della velocità della ventola quando si verifica un movimento incipiente, annotare il valore critico della velocità e interrompere il video. Anche in questo caso, per l'analisi dei dati, utilizzare un software personalizzato per analizzare il video registrato e determinare la modalità di movimento incipiente del cordone. Ora, lavora con l'anemometro con una sonda a filo caldo in miniatura.

Portare la sua funzione di controllo in stand-by e regolare la resistenza per un rapporto di surriscaldamento del 65%Rimuovere il cordone contrassegnato dal substrato. Spostare l'anemometro per posizionare la sonda a filo caldo nella sua posizione iniziale. Per calibrare l'anemometro, la sonda deve trovarsi nella zona di flusso libero.

In questo caso, la sonda deve trovarsi ad almeno 10 millimetri sopra il substrato. Far funzionare la sonda e avviare la ventola a una velocità di rotazione di 200 giri/min. Quindi impiegare un anemometro a girante nel flusso d'aria.

Leggere e registrare la velocità del flusso dall'anemometro della girante. Inoltre, leggere e registrare la tensione della sonda a filo caldo sull'oscilloscopio. Ripetere la registrazione delle letture dell'anemometro per incrementi di 50 giri/min nella velocità di rotazione fino a 450 giri/min.

Utilizzare i dati per stabilire una curva di calibrazione. Monitorare la sonda con la telecamera e abbassarla il più vicino possibile alla superficie del substrato senza toccarla. Avviare la ventola alla velocità media per il movimento incipiente e iniziare a raccogliere i dati della sonda.

Dopo ogni set di dati, aumentare l'altezza della sonda e ripetere la raccolta dei dati. Queste istantanee con vista dall'alto sono di un cordone marcato su una superficie quadratica durante il moto incipiente nel flusso laminare. Il software tiene traccia delle caratteristiche della particella e del centro di massa.

I dati consentono di determinare l'angolo di rotazione in funzione della traiettoria e seguono da vicino le aspettative di movimenti di rotolamento puri indicate dalla linea tratteggiata. Si tratta di istantanee analoghe con vista laterale per una perla di allumina marcata su una superficie quadratica in un flusso turbolento. In questo caso, il tallone sembra eseguire un puro movimento di rotolamento solo all'inizio del suo movimento.

Un grafico del profilo di velocità medio del flusso nel tempo, i cerchi, è possibile utilizzando i dati dell'anemometro a temperatura costante. Qui, la linea continua è un adattamento che utilizza la legge logaritmica logaritmica e le X blu sono per un adattamento che utilizza la legge di parete modificata. La velocità di taglio necessaria per determinare il numero critico degli scudi è dedotta dagli accoppiamenti.

Qui, entrambe le leggi della parete suggeriscono valori simili per la velocità di taglio. Ecco un grafico del profilo di velocità quadratico medio del corso d'acqua entro un piccolo intervallo di altezza. Il sottostrato del viscere misurato è di circa 1/4 di millimetro, indicando che il cordone mobile è principalmente esposto a un flusso turbolento.

Ogni misurazione nel reometro non richiede più di cinque minuti se eseguita correttamente. Gli esperimenti nella galleria del vento, tuttavia, possono richiedere circa cinque ore, poiché la misurazione dello strato limite è un processo complesso. La corretta impostazione della fessura nel reometro è fondamentale per evitare qualsiasi errore sistematico nel calcolo della velocità di taglio critica e dei numeri critici degli scudi.

Nella galleria del vento, l'animale con la calibrazione vuole essere condotto con attenzione per determinare la velocità di taglio. Si consiglia di eseguire una calibrazione prima e dopo la misurazione, per assicurarsi che non si siano verificate modifiche significative nel corso della misurazione. Seguendo la procedura nella galleria del vento, altri criteri oltre agli scudi classici possono essere utilizzati per indicare il movimento incipiente.

Gli input o i criteri energetici possono essere adottati poiché la durata degli eventi può essere misurata dall'anemometro termico. I risultati possono fornire importanti informazioni su come le forze e le coppie agiscono su un particolare a causa del flusso turbolento a seconda della geometria del substrato. I risultati possono essere utilizzati come punto di riferimento per modelli più sofisticati.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come possiamo quantificare sistematicamente l'inferenza della geometria del letto di sedimenti sul moto incipiente delle particelle.