Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden
February 22nd, 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
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie presenteert twee methoden voor het karakteriseren van de beginnende deeltjesbeweging van een enkele kraal op basis van de geometrie van het sedimentbed onder verschillende stromingsomstandigheden. De focus ligt op het begrijpen hoe verschillende configuraties de deeltjesdynamica beïnvloeden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Vloeistofdynamica
- Deeltjesbeweging
- Sedimenttransport
Achtergrond
- Beginnende deeltjesbeweging is relevant in verschillende industriële toepassingen.
- Regelmatige substraten staan gecontroleerde analyse van de geometrie van het sedimentbed toe.
- De studie behandelt de impact van lokale geometrie op het gedrag van deeltjes.
- Het begrijpen van deze dynamica kan natuurlijke processen zoals sedimenttransport informeren.
Doel van het onderzoek
- Om de impact van de geometrie van het sedimentbed op de deeltjesbeweging te kwantificeren.
- Om een reeks Reynolds-getallen van deeltjes te verkennen.
- Om inzichten te geven in sedimenttransport en korrelbederosie.
Gebruikte methoden
- Gebruik van reguliere substraten met vaste kralen.
- Karakterisering van deeltjesbeweging van laminaire tot turbulente stroming.
- Toepassing van twee verschillende methoden om een breed scala aan omstandigheden te bestrijken.
- Visuele demonstraties om het begrip van de methoden te verbeteren.
Belangrijkste resultaten
- Demonstreren van de invloed van de geometrie van het sedimentbed op de deeltjesdynamica.
- Een uitgebreide analyse bieden over verschillende stromingsregimes.
- De voordelen benadrukken van het gebruik van reguliere substraten voor duidelijkheid in resultaten.
- Bijdragen aan het begrijpen van sedimenttransportprocessen in de natuur.
Conclusies
- De studie biedt waardevolle inzichten in deeltjesbeweging beïnvloed door geometrie.
- Resultaten kunnen zowel industriële toepassingen als natuurlijke processen informeren.
- Visuele methoden kunnen onderzoekers helpen bij hydrodynamische toepassingen van deeltjes.
Veelgestelde vragen
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
