Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden
22 februari 2018
Twee verschillende methoden voor het karakteriseren van de motie van de beginnende deeltje van een enkele kraal als een functie van de geometrie van het sediment bed van laminaire naar een turbulente stroming worden gepresenteerd.
Het doel van deze experimentele procedure is om de invloed van de geometrie van het sedimentbed op de beginnende deeltjesbeweging te kwantificeren door gebruik te maken van regelmatige substraten die bestaan uit monolagen van vaste bollen die regelmatig zijn gerangschikt volgens driehoekige of vierkante configuraties. Beginnende deeltjesbeweging wordt gevonden in een breed scala aan industriële toepassingen, zoals schonere oppervlakken, verwijdering van verontreinigingen, filtratieprocessen of microfluidica, inclusief de assemblage van microdeeltjes. Het grote voordeel van het gebruik van regelmatige substraten is dat we de impact van een lokale oriëntatie van de geometrie van het sedimentbed kunnen analyseren, waardoor we twijfelachtigheid over de rol van de buurt kunnen vermijden.
We stellen twee verschillende methoden voor om een breed scala aan Reynolds-getallen van deeltjes te bestrijken, van de limiet van kruipende stroming tot de hydraulisch ruwe stroming. De resultaten van deze methode kunnen ons ook helpen de impact van de lokale bedgeometrie in natuurlijke processen te begrijpen, zoals sedimenttransport of erosie van korrelige bedden. Visuele demonstratie van deze methode is belangrijk omdat het gebruik van een rotatiereometer, bijvoorbeeld, mogelijk niet gebruikelijk is voor hydrodynamische toepassingen van deeltjes.
Jiwon Han, een afgestudeerde student uit ons lab die net haar masterscriptie over dit onderwerp heeft voltooid, zal de methode demonstreren met de windtunnel. Deze metingen vinden plaats in een rotatiereometer. De reometer is aangepast om een aangepaste cirkelvormige transparante container te bevatten.
Er is een ingebedde microscoopplaat om de beeldvorming te verbeteren. De bodem van de container heeft een regelmatig substraat, waarvan voorbeelden in dit schematische overzicht van de opstelling te zien zijn, inclusief de twee digitale camera's en twee lichtbronnen. Zorg ervoor dat de reometer klaar is voor normaal gebruik.
Plaats vervolgens een aangepaste adapter op de reometerplaat en monteer ook de container met substraat bovenop de plaat. Zorg ervoor dat de microscoopplaat naar de camera is gericht. Start de reometer en zijn software, initialiseer deze en stel de temperatuur in.
Haal vervolgens de aangepaste roterende schijf. Dit is de 70 millimeter diameter transparante acrylglasplaat die is bevestigd aan een plaat met een diameter van 25 millimeter. Monteer deze en stel het hoogtereferentiepunt in.
Til vervolgens de roterende schijf op en verwijder deze. Voltooi de voorbereiding door de container te vullen met siliconenolie. Begin met werken met het beeldvormingssysteem.
Dit omvat een CMOS-camera en objectieflens met een bovenuitzicht in de container. Een tweede hogesnelheidscamera heeft een zijdelings zicht op de container. Het zicht is door de microscoopplaat.
Schakel de Xenon-lamp en de LED in en pas ze aan om de container te verlichten. Gebruik beeldverwerkingssoftware in de CMOS-camera om het substraat te visualiseren. Pas de verticale standaard aan om het scherp te stellen.
Na het scherpstellen, identificeer het centrum van het substraat. Plaats een zorgvuldig gemarkeerde soda-gevulde glazen bol op de positie. Ga verder door de roterende schijf opnieuw op de reometer te monteren, twee millimeter boven het hoogtereferentiepunt.
Pas vervolgens eventuele aanpassingen toe aan de zijdelings camera. Voer het rotatiesnelheidsbereik in, programmeer een lineaire toename van de rotatiesnelheid en start de metingen. Begin met het opnemen van een videosequensen van beide camera's en observeer het live-video van een van hen.
Wanneer de bol zich verplaatst vanuit zijn evenwichtspositie, stopt u de meting en noteert u de rotatiesnelheid, dat is de kritische rotatiesnelheid. Stop vervolgens met het opnemen van video's. Tijdens de gegevensanalyse laadt u opgenomen video's in een aangepaste beeldverwerkingsroutine om te helpen bij het bepalen van de modus van beginnende beweging.
Voer metingen in turbulente regime uit in een aangepaste laagsnelheidswindtunnel. Deze heeft een open-jet testsectie met een regelmatig substraat dat er middenin is gecentreerd. Lineaire, verticale en horizontale trappen ondersteunen een anemometer en andere instrumentatie in de testsectie.
De hogesnelheidscamera met macrolens is aan één kant gemonteerd. Dit schematische overzicht geeft een overzicht van de apparatuur. Merk op dat het anemometersignaal wordt ingevoerd in een oscilloscoop en computer.
Loceer waar op het substraat een gemarkeerde aluminabol moet worden geplaatst. Identificeer het punt langs de centrale as van het substraat en 110 millimeter vanaf de voorrand en plaats de bol daar. Gebruik de hogesnelheidscamera en pas een LED-lichtbron aan om een duidelijk, scherp beeld van de bol en zijn markeringen te bereiken.
Start de ventilator van de windtunnel ver onder de geschatte kritische ventilator-snelheid. Bewaak de bol en verhoog de ventilatorsnelheid elke 10 seconden met vier tot zes RPM. Begin met opnemen met de beeldverwerkingssoftware wanneer het dicht bij beginnende omstandigheden is.
Stop met het verhogen van de ventilatorsnelheid wanneer beginnende beweging optreedt, en noteer de kritische snelheidswaarde en stop de video. Gebruik opnieuw aangepast software om de opgenomen video te analyseren en bepaal de modus van beginnende beweging van de bol. Werk nu met de anemometer met een miniatuur hot-wire sonde.
Schakel de besturingsfunctie naar stand-by en pas de weerstand aan voor een oververhittingsverhouding van 65% Verwijder de gemarkeerde bol van het substraat. Verplaats de anemometer om de hot-wire sonde in zijn oorspronkelijke positie te plaatsen. Om de anemometer te kalibreren, moet de sonde in de vrije stroomzone zijn.
Hier moet de sonde ten minste 10 millimeter boven het substraat zijn. Draai de sonde aan en start de ventilator bij een rotatiesnelheid van 200 RPM. Gebruik vervolgens een rotoranemometer in de luchtstroom.
Lees en noteer de stroomsnelheid van de rotoranemometer. Lees bovendien en noteer de spanning van de hot-wire sonde op de oscilloscoop. Herhaal het opnemen van de anemometermetingen voor stappen van 50 RPM in de rotatiesnelheid tot 450 RPM.
Gebruik de gegevens om een calibratiecurve op te stellen. Bewaak de sonde met de camera en laat deze zo dicht mogelijk bij het substraatoppervlak zakken zonder het aan te raken. Start de ventilator op de gemiddelde snelheid voor beginnende beweg
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert twee methoden voor het karakteriseren van de beginbeweging van een enkel korreltje op basis van de geometrie van de sedimentbedbodem onder variërende stromingsomstandigheden. De focus ligt op het begrijpen van hoe verschillende configuraties de dynamiek van de deeltjes beïnvloeden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Stroomdynamica
- Deeltjesbeweging
- Sedimenttransport
Achtergrond
- Het begin van partikelbeweging is relevant in diverse industriële toepassingen.
- Regelmatige substraten maken een gecontroleerde analyse van de geometrie van de sedimentbodem mogelijk.
- De studie behandelt de impact van de lokale geometrie op het gedrag van partikels.
- Het begrijpen van deze dynamiek kan inzicht bieden in natuurlijke processen zoals sedimenttransport.
Doel van de studie
- Om de impact van de geometrie van de sedimentlaag op de beweging van partikels te kwantificeren.
- Om een reeks partikel-Reynoldsgetallen te onderzoeken.
- Om inzichten te verschaffen in sedimenttransport en erosie van de korrelbodem.
Gebruikte methoden
- Gebruik van reguliere substraten met gefixeerde kralen.
- Karakterisering van de beweging van deeltjes van laminaire naar turbulente stroming.
- Toepassing van twee verschillende methoden om een breed scala aan condities te dekken.
- Visuele demonstraties ter verbetering van het begrip van de methoden.
Belangrijkste resultaten
- De invloed van de geometrie van het sedimentbed op de dynamiek van deeltjes is aangetoond.
- Er is een uitgebreide analyse verstrekt over verschillende stromingsregimes.
- De voordelen van het gebruik van regelmatige substraten voor de helderheid van de resultaten zijn benadrukt.
- Heeft bijgedragen aan het begrip van sedimenttransportprocessen in de natuur.
Conclusies
- De studie biedt waardevolle inzichten in de beweging van deeltjes onder invloed van geometrie.
- De resultaten kunnen zowel industriële toepassingen als natuurlijke processen informeren.
- Visuele methoden kunnen onderzoekers ondersteunen bij hydrodynamische toepassingen van deeltjes.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Het kwantificeren van de beginnende beweging van deeltjes op kunstmatige substraten maakt predictieve controle mogelijk van de detachement en het transport van deeltjes in filtratie, microfluidica en oppervlaktereinigingsworkflows. De mogelijkheid om de substraatgeometrie en het stromingsregime systematisch te variëren, biedt mechanisch inzicht in drempelcondities, wat bijdraagt aan risicoreducerend procesontwerp en benchmarking voor geavanceerde systemen voor deeltjesbehandeling. Deze methoden informeren de evaluatie van technologieën in een vroeg stadium en de cross-platform vergelijkbaarheid in R&D-pipelines waar interacties tussen deeltjes en vloeistoffen kritisch zijn.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt nauwkeurige analyse van drempelwaarden voor deleuting van deeltjes onder gedefinieerde hydrodynamische condities mogelijk.
- Ondersteunt mechanistische risicoanalyse door de impact van substraatgeometrie op de beweging van deeltjes te isoleren.
- Faciliteert het benchmarken van nieuwe materialen of apparaatoppervlakken voor de retentie of het vrijkomen van deeltjes.
Screening & Assayontwikkeling
- Biedt gevalideerde, reproduceerbare systemen voor het kwantificeren van het begin van deeltjesbeweging in laminaire en turbulente regimes.
- Levert kwantitatieve resultaten zoals het kritische Shields-getal en de schuifspanning-snelheid voor standaardisatie van de assay.
- Maakt high-content imaging en geautomatiseerde analyse mogelijk voor schaalbare screening van oppervlakte- of stromingsmodificaties.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Stemmt in vitro-modellen voor partikeltransport af op fysiologisch relevante stroomcondities voor translationele continuïteit.
- Ondersteunt de risicogebaseerde ontwikkeling van filtratie- of microfluïdische technologieën door operationele drempelwaarden te verduidelijken.
- Benchmarkt de prestaties van apparaten of substraten voor daaropvolgende preklinische validatie.
Integratie van Pijplijn & Workflow
Deze methode bevindt zich op het snijvlak van vroege ontdekking en assay-ontwikkeling en verschaft fundamentele gegevens voor lead-identificatie en de selectie van preklinische modellen in partikel-vloeistofsystemen.
- Discovery Biology: Kwantificeert de invloed van substraatgeometrie en stromingsregime op de loskoppeling van deeltjes, ter ondersteuning van hypothese-gestuurd ontwerp.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve metrieken voor het vergelijken van oppervlakte- of stromingsmodificaties.
- Analytics: Levert kritische read-outs zoals afschuifsnelheid en het Shields-getal voor analyse tussen verschillende condities.
- Translationeel onderzoek: Slaat een brug tussen in vitro bevindingen en operationele settings door fysiologisch relevante stromingsregimes te modelleren.
- Enterprise Reuse: Vestigt een gestandaardiseerd platform voor de voortdurende evaluatie van technologieën voor partikeltransport.
Operationele en ondernemingsbrede impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellingsvertrouwen bij drempelwaarden voor partikeldetachement en transport.
- Operationele waarde: Maakt gestandaardiseerde, reproduceerbare en schaalbare meting van beginbeweging mogelijk.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen voor nieuwe filtratie-, microfluïdische of oppervlaktetechnologieën.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritisering van innovaties in partikelbehandeling.
Overwegingen voor Implementatie
- Vereist expertise in vloeistofdynamica, beeldvorming en kwantitatieve data-analyse.
- Vereist toegang tot rotationele rheometers, windtunnels en high-speed beeldvormingssystemen.
- Noodzaakt tot strikte kalibratie en standaardisatie tussen teams voor reproduceerbaarheid.
- Aanpasbaar aan diverse substraatgeometrieën en stromingsregimes met de juiste instrumentatie.
- De meetcomplexiteit neemt toe bij turbulente regimes, wat uitgebreidere datacollectie en analyse vereist.
Veelgestelde vragen over biopharma
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
