시각적으로 일반 기판의 초기 입자 동작의 특성을 기반으로: 층 류 난 류 조건 하에서

이 실험 절차의 목표는 삼각형 또는 2차 구성에 따라 규칙적으로 배열된 고정된 비드의 단층으로 구성된 규칙적인 기판을 사용하여 초기 입자 운동에 대한 퇴적층 형상의 영향을 정량화하는 것입니다. 초기 입자 운동은 더 깨끗한 표면, 오염 물질 제거, 여과 공정 또는 미세입자의 템플릿 조립을 포함한 미세유체역학과 같은 광범위한 산업 응용 분야에서 발견됩니다. 일반 기질을 사용하는 주요 이점은 지역 퇴적층 기하학 방향의 영향을 분석할 수 있어 이웃의 역할에 대한 의무를 피할 수 있다는 것입니다.

우리는 크리핑 흐름 한계에서 수압적으로 거친 흐름에 이르기까지 광범위한 입자 레이놀즈 수를 다루기 위해 두 가지 다른 방법을 제안합니다. 이 방법의 결과는 또한 퇴적물 수송 또는 곡물 층 침식과 같은 자연 과정에서 국소 층 기하학의 영향을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 회전식 유변량계의 사용은 입자 유체역학 응용 분야에서 일반적이지 않을 수 있기 때문에 이 방법을 시각적으로 시연하는 것이 중요합니다.

풍동을 이용한 방법을 시연할 사람은 이 주제에 대한 석사 논문을 막 마친 우리 연구실 대학원생 한지원 씨입니다. 이러한 측정은 회전식 유변량계에서 이루어집니다. 레오미터는 맞춤형 원형 투명 용기를 포함하도록 수정됩니다.

이미징을 개선하기 위해 현미경 슬라이드가 내장되어 있습니다. 용기의 바닥에는 일반 기판이 있으며, 그 예는 두 개의 디지털 카메라와 두 개의 광원을 포함하여 설정에 대한 개요를 제공하는 이 회로도에 있습니다. 레오미터가 정상 작동할 수 있도록 준비합니다.

그런 다음 레오미터 플레이트에 맞춤형 어댑터를 놓고 플레이트 위에 기판이 있는 용기도 장착합니다. 현미경 슬라이드가 카메라를 향하는지 확인합니다. 레오미터와 해당 소프트웨어를 시작하고, 초기화하고, 온도를 설정합니다.

다음으로 사용자 정의 회전 디스크를 가져옵니다. 직경 70mm의 투명 아크릴 유리판을 직경 25mm의 판에 고정한 것입니다. 이것을 장착하고 높이 기준점을 설정합니다.

그런 다음 회전 디스크를 들어 올려 제거합니다. 용기에 실리콘 오일을 채워 준비를 완료합니다. 이미징 시스템 작업을 시작합니다.

여기에는 CMOS 카메라와 컨테이너를 위에서 볼 수 있는 대물 렌즈가 포함됩니다. 두 번째 고속 카메라는 컨테이너 내부를 측면으로 볼 수 있습니다. 보기는 현미경 슬라이드를 통해 볼 수 있습니다.

크세논 램프와 LED를 켜서 용기를 비춥니다. CMOS 카메라의 이미징 소프트웨어를 사용하여 기판을 시각화합니다. 수직 스테이지를 조정하여 초점을 맞춥니다.

초점을 맞춘 후 기판의 중심을 식별합니다. 조심스럽게 표시된 소다가 늘어선 유리 구를 그 위치에 놓습니다. 높이 기준점에서 2mm 높은 레오미터에 회전 디스크를 다시 장착하여 계속합니다.

마지막으로 사이드 뷰 카메라를 조정합니다. 회전 속도 범위를 입력하고, 회전 속도의 선형 증가를 프로그래밍하고, 측정을 시작합니다. 두 카메라 모두에서 비디오 시퀀스 녹화를 시작하고 그 중 하나에서 라이브 비디오를 관찰합니다.

비드가 평형 위치에서 벗어나면 측정을 중지하고 임계 회전 속도인 회전 속도를 기록하십시오. 그런 다음 비디오 녹화를 중지합니다. 데이터 분석 중에 녹화된 비디오를 사용자 지정 이미지 처리 루틴에 로드하여 초기 동작 모드를 결정하는 데 도움이 됩니다.

맞춤형 저속 풍동에서 난류 영역 측정을 수행합니다. 그것은 그 안에 중앙에 일반 기판이 있는 오픈 제트 테스트 섹션을 가지고 있습니다. 선형, 수직 및 수평 스테이지는 테스트 섹션에서 풍속계 및 기타 기기를 지원합니다.

매크로 렌즈가 있는 고속 카메라는 한쪽에 장착됩니다. 이 회로도는 장비에 대한 개요를 제공합니다. 풍속계 신호는 오실로스코프와 컴퓨터에 입력됩니다.

표시된 알루미나 비드를 배치할 기판의 위치를 찾습니다. 기판의 중심 축을 따라 점과 선두 가장자리에서 110mm 떨어진 지점을 식별하고 거기에 비드를 배치합니다. 고속 카메라를 사용하고 LED 광원을 조정하여 비드와 그 마크의 선명하고 초점이 맞춰진 이미지를 얻을 수 있습니다.

풍동의 팬을 대략적인 임계 팬 속도보다 훨씬 낮게 시작합니다. 비드를 모니터링하고 10초마다 팬 속도를 4-6RPM씩 높입니다. 초기 조건에 가까워지면 이미징 소프트웨어로 기록을 시작합니다.

초기 동작이 발생할 때 팬 속도 증가를 중지하고 임계 속도 값을 기록하고 비디오를 중지합니다. 다시 말하지만, 데이터 분석을 위해 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 녹화된 비디오를 분석하고 비드의 초기 모션 모드를 결정합니다. 이제 소형 열선 프로브를 사용하여 풍속계로 작업하십시오.

제어 기능을 대기로 전환하고 65%의 과열 비율에 대한 저항을 조정합니다.기판에서 표시된 비드를 제거합니다. 풍속계를 움직여 열선 프로브를 초기 위치에 놓습니다. 풍속계를 보정하려면 프로브가 자유 스트림 영역에 있어야 합니다.

여기서 프로브는 기판에서 최소 10mm 위에 있어야 합니다. 프로브를 실행하고 200RPM의 회전 속도로 팬을 시작합니다. 그런 다음 공기 흐름에 임펠러 풍속계를 사용합니다.

임펠러 풍속계에서 스트림 방향 속도를 읽고 기록합니다. 또한 오실로스코프의 열선 프로브 전압을 읽고 기록합니다. 최대 450RPM의 회전 속도에서 50RPM씩 증가하여 풍속계 판독값 기록을 반복합니다.

데이터를 사용하여 검량선을 설정합니다. 카메라로 프로브를 모니터링하고 건드리지 않고 기판 표면에 최대한 가깝게 내립니다. 초기 동작에 대한 평균 속도로 팬을 시작하고 프로브 데이터 수집을 시작합니다.

각 데이터 세트 후에 프로브의 높이를 늘리고 데이터 수집을 반복합니다. 이 평면도 스냅샷은 층류에서 초기 운동 동안 2차 표면에 표시된 비드입니다. 소프트웨어가 입자와 질량 중심의 특징을 추적합니다.

이 데이터를 통해 회전 각도를 궤적의 함수로 결정할 수 있으며 점선으로 표시된 순수한 롤링 동작의 기대치를 밀접하게 따릅니다. 이것들은 난류 흐름에서 2차 표면에 표시된 알루미나 비드에 대한 유사한 측면 뷰 스냅샷입니다. 이 경우 비드는 모션 초기에만 순수한 롤링 동작을 수행하는 것처럼 보입니다.

시간 평균 스트림별 속도 프로파일, 원의 플롯은 항온 풍속계의 데이터를 사용하여 가능합니다. 여기서 실선은 로그 로그 법칙을 사용한 피팅이고, 파란색 X는 수정된 벽 법칙을 사용한 피팅입니다. 임계 실드 수를 결정하는 데 필요한 전단 속도는 적합도에서 추론됩니다.

여기서 두 벽 법칙은 전단 속도에 대해 유사한 값을 제안합니다. 다음은 작은 높이 범위 내에서 근 평균 정사각형 스트림별 속도 프로파일의 플롯입니다. 측정된 점성 하위층은 약 1/4mm이며, 이는 모바일 비드가 주로 난류에 노출되어 있음을 나타냅니다.

레오미터의 각 측정은 제대로 수행될 경우 5분 이상 걸리지 않습니다. 그러나 풍동 실험은 경계층 측정이 복잡한 과정이기 때문에 약 5시간이 걸릴 수 있습니다. 레오미터의 갭을 적절하게 설정하는 것은 임계 전단 속도와 임계 실드 수치를 계산할 때 시스템 오류를 방지하는 데 중요합니다.

풍동에서 캘리브레이션을 수행한 동물은 전단 속도를 결정하기 위해 신중하게 수행하기를 원합니다. 측정 과정에서 큰 변화가 발생하지 않았는지 확인하기 위해 측정 전후에 보정을 수행하는 것이 좋습니다. 풍동에서의 절차에 따라, 고전적인 방패 이외의 다른 기준은 초기 움직임을 나타내는 데 사용할 수 있습니다.

입력 또는 에너지 기준은 이벤트 지속 시간을 열 풍속계로 측정할 수 있기 때문에 채택할 수 있습니다. 결과는 기판 형상에 따라 난류로 인해 힘과 토크가 특정 변수에 어떻게 작용하는지에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 결과는 보다 정교한 모델의 벤치마크로 사용할 수 있습니다.

이 비디오를 시청한 후에는 초기 입자 운동에 대한 퇴적층 기하학의 추론을 체계적으로 정량화할 수 있는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.