視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

この実験手順の目標は、三角形または二次形状に従って規則的に配置された固定ビーズの単層からなる規則的な基板を使用して、堆積物層の形状が初期の粒子運動に与える影響を定量化することです。初期の粒子運動は、よりクリーンな表面、汚染物質の除去、ろ過プロセス、または微粒子のテンプレートアセンブリを含むマイクロ流体工学など、幅広い産業用途で見られます。通常の基質を使用する主な利点は、局所的な堆積物層の形状方向の影響を分析でき、近隣の役割についての疑念を回避できることです。

クリーピング流の限界から水理的に荒い流れまで、粒子レイノルズ数を幅広くカバーするために、2つの異なる方法を提案します。この方法の結果は、堆積物の輸送や穀物床の侵食など、自然界のプロセスにおける局所的な層の形状の影響を理解するのにも役立ちます。この方法の視覚的なデモンストレーションは、例えば、回転レオメータの使用は、粒子流体力学アプリケーションでは一般的ではないかもしれないので、重要です。

風洞でこの方法を実演するのは、このトピックに関する修士論文を終えたばかりの研究室の大学院生であるJiwon Hanです。これらの測定は、回転式レオメータで行われます。レオメータは、カスタマイズされた円形の透明な容器を含むように変更されています。

イメージングを改善するために、顕微鏡スライドが埋め込まれています。容器の底には通常の基板があり、その例はこの回路図にあり、2台のデジタルカメラと2つの光源を含むセットアップの概要を示しています。レオメータを通常の操作の準備をしてください。

次に、カスタマイズされたアダプターをレオメータープレートに置き、プレートの上に基板付きの容器を取り付けます。顕微鏡のスライドがカメラに面していることを確認します。レオメータとそのソフトウェアを起動し、初期化して温度を設定します。

次に、カスタマイズされた回転ディスクを入手します。直径25mmの板に固定した直径70mmの透明アクリルガラス板です。これを取り付け、高さ基準点を設定します。

次に、回転ディスクを持ち上げて取り外します。容器にシリコンオイルを充填して完全な準備をします。イメージングシステムの操作を開始します。

これには、CMOSカメラと、コンテナを俯瞰する対物レンズが含まれます。2台目のハイスピードカメラは、コンテナを側面から捉えています。顕微鏡のスライドを通しての眺めです。

キセノンランプとLEDを点灯させて調整し、コンテナを点灯させます。CMOSカメラのイメージングソフトウェアを使用して、基板を視覚化します。垂直ステージを調整してピントを合わせます。

ピントを合わせた後、基板の中心を特定します。慎重にマークされたソーダで裏打ちされたガラス球をその位置に置きます。次に、回転ディスクを高さ基準点から2mm上のレオメータに再度取り付けます。

最後に、サイドビューカメラに調整を加えます。回転速度範囲を入力し、回転速度の線形増加をプログラムして、測定を開始します。両方のカメラからビデオシーケンスの録画を開始し、そのうちの1つからのライブビデオを観察します。

ビードが平衡位置からずれたら、測定を停止し、臨界回転速度である回転速度をメモします。次に、ビデオの録画を停止します。データ分析中に、録画したビデオをカスタム画像処理ルーチンにロードして、初期動作のモードを決定します。

カスタマイズされた低速風洞で乱流領域の測定を実行します。オープンジェット試験セクションがあり、その中に通常の基板が配置されています。リニアステージ、垂直ステージ、および水平ステージは、テストセクションで風速計やその他の計装をサポートします。

マクロレンズ付きのハイスピードカメラが片側に搭載されています。この回路図は、機器の概要を示しています。風速計の信号はオシロスコープとコンピューターに入力されることに注意してください。

マークされたアルミナビーズを基板上のどこに配置するかを見つけます。基板の中心軸に沿って、前縁から110ミリメートルの点を特定し、そこにビーズを配置します。ハイスピードカメラを使用し、LED光源を調整して、ビーズとそのマークの鮮明で焦点の合った画像を実現します。

風洞のファンは、おおよその臨界ファン速度よりかなり低く始動します。ビードを監視し、ファン速度を10秒ごとに4〜6RPM上げます。初期の条件に近づいたら、イメージングソフトウェアで記録を開始します。

初期動作が発生したらファン速度を上げるのをやめ、臨界速度の値をメモして、ビデオを停止します。繰り返しになりますが、データ分析のために、カスタムソフトウェアを使用して録画されたビデオを分析し、ビーズの初期運動のモードを決定します。次に、小型のホットワイヤープローブを使用して風速計を操作します。

制御機能をスタンバイに切り替え、抵抗を過熱率65%に調整します マークされたビーズを基板から取り外します。風速計を動かして、ホットワイヤープローブを初期位置に配置します。風速計を校正するには、プローブがフリーストリームゾーンにある必要があります。

ここで、プローブは基板から少なくとも10ミリメートル上にある必要があります。プローブを運転し、200RPMの回転速度でファンを始動します。次に、空気流にインペラ風速計を使用します。

インペラ風速計から流れごとの速度を読み取り、記録します。さらに、オシロスコープでホットワイヤプローブ電圧を読み取って記録します。450 RPMまでの回転速度で50 RPM刻みの風速計の読み取り値の記録を繰り返します。

データを使用して検量線を確立します。カメラでプローブを監視し、プローブに触れないように基板表面にできるだけ近づけて下げます。初期動作の平均速度でファンを始動し、プローブデータの収集を開始します。

各データセットの後、プローブの高さを上げ、データ収集を繰り返します。これらの上面図のスナップショットは、層流の初期運動中の二次面上のマークされたビードです。ソフトウェアは、粒子と重心上の特徴を追跡します。

このデータにより、軌道の関数として回転角度を決定でき、点線で示された純粋な転がり運動の期待に密接に従います。これらは、乱流の二次面上のマークされたアルミナビーズの類似の側面図スナップショットです。この場合、ビードはその動きの早い段階でのみ純粋な転がり運動を行うように見えます。

時間平均された流れごとの速度プロファイル(円)のプロットは、恒温風速計からのデータを使用して可能です。ここで、実線は対数対数法則を使用した近似値であり、青色の X 記号は修正壁則を使用した近似値です。臨界シールド数を決定するために必要なせん断速度は、フィットから推測されます。

ここでは、両方の壁の法則がせん断速度に類似した値を示唆しています。これは、小さな高さ範囲内の二乗平均平方根の流れ方向の速度プロファイルのプロットです。測定されたビスカスサブレイヤーは約1/4ミリメートルであり、可動ビーズが主に乱流にさらされていることを示しています。

レオメータの各測定は、適切に実行されていれば5分以上かかりません。ただし、風洞での実験は、境界層の測定が複雑なプロセスであるため、約5時間かかる場合があります。レオメータのギャップを適切に設定することは、臨界せん断速度と臨界シールド数を計算する際の系統誤差を回避するために重要です。

風洞では、キャリブレーションを行う動物は、せん断速度を決定するために慎重に実施したいと考えています。測定の前後にキャリブレーションを実行して、測定の過程で大きな変化が発生していないことを確認することをお勧めします。風洞での手順に従って、古典的なシールドを超えた他の基準を使用して、初期の動きを示すことができます。

イベントの持続時間は熱風速計で測定できるため、入力またはエネルギー基準を採用できます。この結果は、基板の形状に応じて、乱流によって特定の力とトルクがどのように作用するかについての重要な洞察を提供します。その結果は、より洗練されたモデルのベンチマークとして使用できます。

このビデオを見れば、初期の粒子運動に関する堆積物層の形状の推論を体系的に定量化する方法を十分に理解できるはずです。