Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

O objetivo deste procedimento experimental é quantificar o impacto da geometria do leito de sedimentos no movimento incipiente das partículas usando substratos regulares que consistem em monocamadas de grânulos fixos regularmente dispostos de acordo com configurações triangulares ou quadráticas. O movimento incipiente de partículas é encontrado em uma ampla gama de aplicações industriais, como superfícies mais limpas, remoção de poluentes, processos de filtração ou microfluídica, incluindo montagem de micropartículas de moldes. A principal vantagem do uso de substratos regulares é que podemos analisar o impacto de uma orientação local da geometria do leito de sedimentos, evitando qualquer dúvida sobre o papel da vizinhança.

Propomos dois métodos diferentes para cobrir uma ampla gama de números de Reynolds de partículas, desde o limite de fluxo rastejante até o fluxo bruto hidraulicamente. Os resultados deste método também podem nos ajudar a entender o impacto da geometria do leito local nos processos da natureza, como transporte de sedimentos ou erosão do leito de grãos. A demonstração visual desse método é importante, pois o uso de um reômetro rotacional, por exemplo, pode não ser comum para aplicações hidrodinâmicas de partículas.

Demonstrando o método com o túnel de vento estará Jiwon Han, uma estudante de pós-graduação de nosso laboratório que acabou de terminar sua tese de mestrado sobre este tópico. Essas medições ocorrem em um reômetro rotacional. O reômetro é modificado para incluir um recipiente transparente circular personalizado.

Há uma lâmina de microscópio embutida para melhorar a imagem. O fundo do recipiente tem um substrato regular, exemplos dos quais estão neste esquema, que fornece uma visão geral da configuração, incluindo suas duas câmeras digitais e duas fontes de luz. Tenha o reômetro pronto para operação normal.

Em seguida, coloque um adaptador personalizado na placa do reômetro, monte também o recipiente com substrato na parte superior da placa. Certifique-se de que a lâmina do microscópio esteja voltada para a câmera. Inicie o reômetro e seu software, inicialize-o e defina sua temperatura.

Em seguida, obtenha o disco rotativo personalizado. Esta é a placa de vidro acrílico transparente de 70 milímetros de diâmetro fixada a uma placa de 25 milímetros de diâmetro. Monte-o e defina seu ponto de referência de altura.

Em seguida, levante o disco giratório e remova-o. Complete a preparação enchendo o recipiente com óleo de silicone. Comece a trabalhar com o sistema de imagem.

Isso inclui uma câmera CMOS e uma lente objetiva com uma visão aérea do contêiner. Uma segunda câmera de alta velocidade tem uma visão lateral do contêiner. A vista é através da lâmina do microscópio.

Ligue e ajuste a lâmpada de xenônio e o LED para iluminar o recipiente. Use o software de imagem na câmera CMOS para visualizar o substrato. Ajuste o palco vertical para colocá-lo em foco.

Após focar, identifique o centro do substrato. Coloque uma esfera de vidro forrada de refrigerante cuidadosamente marcada na posição. Continue remontando o disco giratório no reômetro dois milímetros acima do ponto de referência de altura.

Por fim, faça os ajustes na câmera de visão lateral. Insira a faixa de velocidade de rotação, programe um aumento linear na velocidade de rotação e inicie as medições. Comece a gravar uma sequência de vídeo de ambas as câmeras e observe o vídeo ao vivo de uma delas.

Quando o cordão se deslocar de sua posição de equilíbrio, pare a medição e observe a velocidade de rotação, que é a velocidade crítica de rotação. Em seguida, pare de gravar os vídeos. Durante a análise de dados, carregue os vídeos gravados em uma rotina de processamento de imagem personalizada para ajudar a determinar o modo de movimento incipiente.

Realize medições de regime turbulento em um túnel de vento personalizado de baixa velocidade. Possui uma seção de teste de jato aberto com um substrato regular centralizado dentro dela. Os estágios lineares, verticais e horizontais suportam um anemômetro e outros instrumentos na seção de teste.

A câmera de alta velocidade com lente macro é montada em um lado. Este esquema fornece uma visão geral do equipamento. Observe que o sinal do anemômetro é inserido em um osciloscópio e computador.

Localize onde colocar no substrato um cordão de alumina marcado. Identifique o ponto ao longo do eixo central do substrato e a 110 milímetros da borda de ataque e coloque o cordão lá. Use a câmera de alta velocidade e ajuste uma fonte de luz LED para obter uma imagem clara e focada do cordão e suas marcas.

Inicie o ventilador do túnel de vento bem abaixo da velocidade crítica aproximada do ventilador. Monitore o cordão e aumente a velocidade do ventilador de quatro a seis RPM a cada 10 segundos. Comece a gravar com o software de imagem quando estiver próximo de condições incipientes.

Pare de aumentar a velocidade do ventilador quando ocorrer um movimento incipiente, observe o valor crítico da velocidade e pare o vídeo. Novamente, para análise de dados, use um software personalizado para analisar o vídeo gravado e determinar o modo de movimento incipiente do cordão. Agora, trabalhe com o anemômetro com uma sonda de fio quente em miniatura.

Mude sua função de controle para stand-by e ajuste a resistência para uma taxa de superaquecimento de 65%Remova o cordão marcado do substrato. Mova o anemômetro para colocar a sonda de fio quente em sua posição inicial. Para calibrar o anemômetro, a sonda deve estar na zona de fluxo livre.

Aqui, a sonda deve estar pelo menos 10 milímetros acima do substrato. Execute a sonda e ligue o ventilador a uma velocidade de rotação de 200 RPM. Em seguida, empregue um anemômetro de impulsor na corrente de ar.

Leia e registre a velocidade do fluxo a partir do anemômetro do impulsor. Além disso, leia e registre a tensão da ponta de prova de fio quente no osciloscópio. Repita o registro das leituras do anemômetro para incrementos de 50 RPM na velocidade de rotação de até 450 RPM.

Use os dados para estabelecer uma curva de calibração. Monitore a sonda com a câmera e abaixe-a o mais próximo possível da superfície do substrato sem tocá-la. Ligue o ventilador na velocidade média para movimento incipiente e comece a coletar dados da sonda.

Após cada conjunto de dados, aumente a altura da sonda e repita a coleta de dados. Esses instantâneos da vista superior são de um cordão marcado em uma superfície quadrática durante o movimento incipiente no fluxo laminar. O software rastreia recursos na partícula e no centro de massa.

Os dados permitem determinar o ângulo de rotação em função da trajetória e seguem de perto as expectativas de movimentos de rolamento puros indicados pela linha pontilhada. Estes são instantâneos de vista lateral análogos para um cordão de alumina marcado em uma superfície quadrática em fluxo turbulento. Nesse caso, o cordão parece realizar um movimento de rolamento puro apenas no início de seu movimento.

Um gráfico do perfil de velocidade média do fluxo no tempo, os círculos, é possível usando dados do anemômetro de temperatura constante. Aqui, a linha sólida é um ajuste usando a lei logarítmica logarítmica, e os Xs azuis são para um ajuste usando a lei da parede modificada. A velocidade de cisalhamento necessária para determinar o número de blindagens críticas é inferida a partir dos ajustes.

Aqui, ambas as leis de parede sugerem valores semelhantes para a velocidade de cisalhamento. Aqui está um gráfico da raiz quadrada média do perfil de velocidade do fluxo dentro de uma pequena faixa de altura. A subcamada de víscera medida é de cerca de 1/4 de milímetro, indicando que o cordão móvel está exposto principalmente a um fluxo turbulento.

Cada medição no reômetro não leva mais de cinco minutos se for realizada corretamente. Experimentos no túnel de vento, no entanto, podem levar cerca de cinco horas, já que a medição da camada limite é um processo complexo. O ajuste adequado da folga no reômetro é fundamental para evitar qualquer erro sistemático ao calcular a taxa de cisalhamento crítico e os números críticos das blindagens.

No túnel de vento, o animal com a calibração quer ser cuidadosamente conduzido para determinar a velocidade de cisalhamento. Recomenda-se realizar uma calibração antes e depois da medição, para garantir que nenhuma alteração significativa ocorra no decorrer da medição. Seguindo o procedimento no túnel de vento, outros critérios além dos escudos clássicos podem ser usados para significar movimento incipiente.

Os critérios de entrada ou energia podem ser adotados, uma vez que a duração dos eventos pode ser medida por anemômetro térmico. Os resultados podem fornecer informações importantes sobre como as forças e torques atuam em um determinado devido ao fluxo turbulento, dependendo da geometria do substrato. Os resultados podem ser usados como referência para modelos mais sofisticados.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como podemos quantificar sistematicamente a inferência da geometria do leito de sedimentos no movimento incipiente das partículas.