Wizualna charakterystyka początkowego ruchu cząstek w regularnych podłożach: od warunków laminarnych do turbulentnych

Celem tej procedury eksperymentalnej jest ilościowe określenie wpływu geometrii złoża osadu na początkowy ruch cząstek przy użyciu regularnych substratów, które składają się z monowarstw stałych kulek regularnie ułożonych zgodnie z konfiguracjami trójkątnymi lub kwadratowymi. Początkowy ruch cząstek znajduje się w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych, takich jak czystsze powierzchnie, usuwanie zanieczyszczeń, procesy filtracji lub mikrofluidyka, w tym montaż szablonów mikrocząstek. Główną zaletą stosowania zwykłych podłoży jest to, że możemy analizować wpływ orientacji geometrii lokalnego złoża osadów, unikając wszelkich wątpliwości co do roli sąsiedztwa.

Proponujemy dwie różne metody, aby objąć szeroki zakres liczby Reynoldsa cząstek, od granicy przepływu pełzającego do przepływu zgrubnego hydraulicznie. Wyniki tej metody mogą również pomóc nam zrozumieć wpływ lokalnej geometrii złoża na procesy zachodzące w przyrodzie, takie jak transport osadów czy erozja złoża ziarna. Wizualna demonstracja tej metody jest ważna, ponieważ na przykład użycie reometru rotacyjnego może nie być powszechne w zastosowaniach hydrodynamicznych cząstek.

Metodę z tunelem aerodynamicznym zademonstruje Jiwon Han, doktorantka z naszego laboratorium, która właśnie ukończyła pracę magisterską na ten temat. Pomiary te odbywają się w reometrze rotacyjnym. Reometr jest zmodyfikowany tak, aby zawierał niestandardowy okrągły przezroczysty pojemnik.

Jest wbudowane szkiełko mikroskopowe poprawiające obrazowanie. Na dnie pojemnika znajduje się regularne podłoże, którego przykłady znajdują się na tym schemacie, który zawiera przegląd konfiguracji, w tym dwóch kamer cyfrowych i dwóch źródeł światła. Przygotuj reometr do normalnej pracy.

Następnie umieść niestandardowy adapter na płytce reometru, zamontuj również pojemnik z podłożem na górze płytki. Upewnij się, że szkiełko mikroskopu jest skierowane w stronę aparatu. Uruchom reometr i jego oprogramowanie, zainicjuj go i ustaw jego temperaturę.

Następnie zdobądź niestandardowy obrotowy dysk. Jest to przezroczysta płyta ze szkła akrylowego o średnicy 70 milimetrów przymocowana do płytki o średnicy 25 milimetrów. Zamontuj go i ustaw jego punkt odniesienia wysokości.

Następnie podnieś obracający się dysk i wyjmij go. Pełne przygotowanie poprzez napełnienie pojemnika olejem silikonowym. Rozpocznij pracę z systemem obrazowania.

Obejmuje to kamerę CMOS i obiektyw z widokiem z góry do wnętrza kontenera. Druga szybka kamera ma widok z boku na wnętrze kontenera. Widok jest przez szkiełko mikroskopowe.

Włącz i wyreguluj lampę ksenonową i diodę LED, aby oświetlić pojemnik. Użyj oprogramowania do obrazowania w kamerze CMOS, aby zobrazować podłoże. Dostosuj pionową scenę, aby ustawić ostrość.

Po ustawieniu ostrości zidentyfikuj środek podłoża. Umieść starannie oznaczoną szklaną kulę wyłożoną sodą w tym miejscu. Kontynuuj, ponownie montując obracający się dysk na reometrze dwa milimetry powyżej punktu odniesienia wysokości.

Na koniec dokonaj wszelkich regulacji w kamerze bocznej. Wprowadź zakres prędkości obrotowej, zaprogramuj liniowy wzrost prędkości obrotowej i rozpocznij pomiary. Rozpocznij nagrywanie sekwencji wideo z obu kamer i obserwuj obraz na żywo z jednej z nich.

Gdy koralik przemieści się z pozycji równowagi, przerwij pomiar i zanotuj prędkość obrotową, która jest krytyczną prędkością obrotową. Następnie przestań nagrywać filmy. Podczas analizy danych załaduj nagrane filmy do niestandardowej procedury przetwarzania obrazu, aby pomóc określić tryb początkowego ruchu.

Wykonuj pomiary reżimu turbulentnego w dostosowanym tunelu aerodynamicznym o niskiej prędkości. Posiada sekcję testową z otwartym strumieniem z wyśrodkowanym w niej regularnym podłożem. Stopnie liniowe, pionowe i poziome obsługują anemometr i inne oprzyrządowanie w sekcji testowej.

Szybki aparat z obiektywem makro jest zamontowany z jednej strony. Ten schemat przedstawia przegląd sprzętu. Należy pamiętać, że sygnał anemometru jest wprowadzany do oscyloskopu i komputera.

Zlokalizuj miejsce na podłożu, w którym chcesz umieścić zaznaczoną kulkę tlenku glinu. Zidentyfikuj punkt wzdłuż środkowej osi podłoża i 110 milimetrów od krawędzi natarcia i umieść tam ścieg. Użyj szybkiej kamery i wyreguluj źródło światła LED, aby uzyskać wyraźny, ostry obraz koralika i jego śladów.

Uruchom wentylator tunelu aerodynamicznego znacznie poniżej przybliżonej krytycznej prędkości wentylatora. Monitoruj stopkę i zwiększaj prędkość wentylatora o cztery do sześciu obr./min co 10 sekund. Rozpocznij nagrywanie za pomocą oprogramowania do obrazowania, gdy zbliżasz się do początkowych warunków.

Przestań zwiększać prędkość wentylatora, gdy wystąpi początkowy ruch, zanotuj krytyczną wartość prędkości i zatrzymaj wideo. Ponownie, do analizy danych, użyj niestandardowego oprogramowania do analizy nagranego wideo i określ tryb początkowego ruchu koralika. Teraz pracuj z anemometrem z miniaturową sondą z gorącym drutem.

Przełącz jego funkcję sterowania w tryb czuwania i dostosuj opór, aby uzyskać współczynnik przegrzania 65%Usuń zaznaczony koralik z podłoża. Przesuń anemometr, aby ustawić sondę z gorącym drutem w pozycji wyjściowej. Aby skalibrować anemometr, sonda powinna znajdować się w strefie swobodnego strumienia.

W tym przypadku sonda musi znajdować się co najmniej 10 milimetrów nad podłożem. Uruchom sondę i uruchom wentylator z prędkością obrotową 200 obr./min. Następnie zastosuj anemometr wirnika w strumieniu powietrza.

Odczytaj i zapisz prędkość strumienia z anemometru wirnika. Ponadto odczytaj i zapisz napięcie sondy gorącego przewodu na oscyloskopie. Powtórz rejestrację odczytów anemometru dla przyrostów 50 obr./min przy prędkości obrotowej do 450 obr./min.

Na podstawie tych danych wyznaczono krzywą kalibracyjną. Monitoruj sondę za pomocą kamery i opuść ją jak najbliżej powierzchni podłoża, nie dotykając jej. Uruchom wentylator ze średnią prędkością dla początkowego ruchu i rozpocznij zbieranie danych sondy.

Po każdym zestawie danych zwiększ wysokość sondy i powtórz zbieranie danych. Te migawki w widoku z góry przedstawiają zaznaczony koralik na kwadratowej powierzchni podczas początkowego ruchu w przepływie laminarnym. Oprogramowanie śledzi cechy cząstki i środek masy.

Dane pozwalają na określenie kąta obrotu w funkcji trajektorii i ściśle podążają za oczekiwaniami dotyczącymi czystych ruchów tocznych wskazanych przez linię przerywaną. Są to analogiczne migawki z boku dla zaznaczonej kulki tlenku glinu na powierzchni kwadratowej w przepływie turbulentnym. W tym przypadku ścieg wydaje się wykonywać czysty ruch toczenia tylko na początku swojego ruchu.

Wykres uśrednionego w czasie profilu prędkości strumienia, okręgów, jest możliwy przy użyciu danych z anemometru o stałej temperaturze. W tym przypadku linia ciągła jest dopasowaniem przy użyciu logarytmicznego prawa logarytmicznego, a niebieskie X są pasowaniem przy użyciu zmodyfikowanego prawa ściany. Prędkość ścinania potrzebna do określenia krytycznej liczby osłon jest wywnioskowana z pasowań.

W tym przypadku oba prawa ścian sugerują podobne wartości prędkości ścinania. Poniżej znajduje się wykres profilu prędkości strumienia średniej kwadratowej w małym zakresie wysokości. Zmierzona podwarstwa lepkości wynosi około 1/4 milimetra, co wskazuje, że ruchoma kulka jest głównie narażona na turbulentny przepływ.

Każdy pomiar w reometrze nie trwa dłużej niż pięć minut, jeśli jest wykonany prawidłowo. Eksperymenty w tunelu aerodynamicznym mogą jednak trwać około pięciu godzin, ponieważ pomiar warstwy granicznej jest złożonym procesem. Prawidłowe ustawienie przerwy w reometrze ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia błędów systematycznych podczas obliczania krytycznej szybkości ścinania i krytycznych liczb osłon.

W tunelu aerodynamicznym zwierzę z kalibracją chce być dokładnie przeprowadzone w celu określenia prędkości ścinania. Zaleca się wykonanie kalibracji przed i po pomiarze, aby upewnić się, że w trakcie pomiaru nie wystąpiły żadne znaczące zmiany. Podążając za procedurą w tunelu aerodynamicznym, inne kryteria poza klasycznymi tarczami mogą być użyte do oznaczenia początkowego ruchu.

Wejścia lub kryteria energetyczne mogą być przyjęte, ponieważ czas trwania zdarzeń można zmierzyć za pomocą anemometru termicznego. Wyniki mogą dostarczyć ważnych informacji na temat tego, jak siły i momenty obrotowe działają na konkretny czynnik w wyniku przepływu turbulentnego w zależności od geometrii podłoża. Wyniki mogą być wykorzystane jako punkt odniesienia dla bardziej zaawansowanych modeli.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, w jaki sposób możemy systematycznie określać ilościowo wnioskowanie o geometrii złoża osadu na początkowy ruch cząstek.