Method Article

Визуально на основе характеристик движения зарождающегося частиц в обычных подложек: от ламинарного турбулентных условиях

DOI:

10.3791/57238

⸱

February 22nd, 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Fluid Mechanics, FAU Busan Campus, University of Erlangen-Nuremberg, 2Institute of Chemical Reaction Engineering, FAU Busan Campus, University of Erlangen-Nuremberg, 3Institute of Bioprocess Engineering, FAU Busan Campus, University of Erlangen-Nuremberg, 4Institute of Fluid Mechanics, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Представлены два различных метода для характеризующие движения зарождающегося частиц один шарик как функция геометрии кровать осадков от ламинарного для турбулентного потока.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Представлены две различные экспериментальные методы для определения порогового показателя движения частиц в зависимости от геометрических свойств постели от ламинарного турбулентные условия потока. Для этой цели зарождающегося движения одного из бисера изучается на регулярных подложках, которые состоят из монослоя фиксированной сфер одинакового размера, которые регулярно устраиваются в треугольной и квадратичные симметрии. Порог характеризуется критическим числом щиты. Критерием для начала движения определяется как перемещение из исходного положения равновесия в соседний. Перемещение и режим движения определяются с системой обработки изображений. Ламинарный поток наведено с помощью вращения Реометр с параллельной диска конфигурации. Сдвиг числа Рейнольдса остается ниже 1. Турбулентный поток индуцируется в низкой скорости аэродинамической трубе с открытым реактивного тестирования секции. Скорость воздуха регулируется преобразователем частоты на вентилятор вентилятор. Профиль скорости измеряется с зондом горячий провод подключен к горячий фильм анемометр. Сдвиг числа Рейнольдса колеблется от 40 до 150. Логарифмическая скорость закон и Закон изменение стены, представленный Rotta используются для определения скорости сдвига от экспериментальных данных. Последний представляет особый интерес, когда мобильные шарик частично подвергается турбулентный поток в so-called потоков гидравлически переходного режима. Касательное напряжение оценивается в начале движения. В обоих режимах представлены некоторые наглядные результаты показаны сильное влияние угол естественного откоса, и воздействия шарик для наклона потока.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Движения зарождающегося частиц встречается в широком диапазоне промышленных и природных процессов. Экологические примеры включают начальный процесс отложения транспорт в реки и океаны, кровати эрозии или Дюна образование среди других 1,2,3. Пневматической подачи4, удаление загрязняющих веществ или очистке поверхности5,6 являются типичными промышленных применений, связанных с началом движения частиц.

Благодаря широкому спектру приложений начала движения частиц подробно изучено более столетия, главным образом под бурные условия7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Многие экспериментальные подходы применялись для определения порога для начала движения. Эти исследования включают в себя такие параметры, как частица Рейнольдс номер13,16,17,18,19,20, относительная потока погружения 21 , 22 , 23 , 24 или геометрические факторы, как угол почивают16,18,25, воздействие потока26,27,28,29, относительный зерна выступ29 или streamwise кровать склона30.

Текущие данные для порога, включая турбулентных условиях широко разбросаны31 12,и результаты часто кажутся несовместимыми24. Это главным образом объясняется сложность контроля или определения параметров потока под бурные условия13,14. Кроме того порог для движения осадков сильно зависит от режима движения, то есть раздвижные, прокатки или подъема17 и критерий характеризовать зарождающегося движения31. Последний может быть неоднозначной на кровати коррозионно-опасных отложений.

В течение последнего десятилетия экспериментальные исследователи изучили движения зарождающегося частиц в ламинарный потоки32,33,34,,3536,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, где широкий спектр длина шкалы, взаимодействующих с кроватью, избегать45. В многих практических сценариев, подразумевая седиментации, частицы очень малы и число Рейнольдса частиц остается ниже, чем около 546. С другой стороны ламинарный потоки способны генерировать геометрические узоры как рябь и дюны, как турбулентные потоки42,47. Было показано, что similitudes в обеих схемах отразить что аналогии в базовой физики47 так важно понимание для транспортировки частиц могут быть получены из лучше контролируется экспериментальной системы48.

В ламинарного потока Charru et al. заметил, что местные перестановка гранулированных кровати равномерно размера бусин, так называемые кровать армирование, привели к прогрессивное увеличение порога для начала движения до насыщенных условий были достигнуты 32. литература, однако, показывает различные пороговые значения для насыщенных условий в скачками аранжированное отложений кровати в зависимости от экспериментальной установки36,44. Это рассеяние может быть из-за сложности управления частиц параметров, таких как ориентация, выступ уровень и компактность отложений.

Основная цель этой рукописи является подробно описать как охарактеризовать зарождающегося движения одного сфер как функция геометрических свойств горизонтальной отложений кровати. Для этой цели мы используем регулярные геометрии, состоящий из монослои фиксированной бус, регулярно устраиваются согласно треугольной или квадратичной конфигураций. Похож на регулярные подложках, которые мы используем находятся в приложений, таких как шаблон-Ассамблея частиц в microfluidic анализов49, самостоятельной сборки микросхемами в замкнутых геометрий структурированных50 или внутренних частиц индуцированной Транспорт в микроканалов51. Что еще более важно использование регулярных субстратов позволяет нам подчеркнуть влияние местных геометрии и ориентации и во избежание любых неясностей, о роли окрестности.

В ламинарного потока мы наблюдали, что критическое количество щитов увеличен на 50% только в зависимости от расстояния между сферами субстрата и, таким образом, на экспозиции шарик для потока38. Аналогичным образом, мы обнаружили, что критическое число Шилдс изменено до раза два в зависимости от ориентации субстрат для направления потока38. Мы заметили, что неподвижные соседей влияют только на начала мобильных шарик если они были ближе, чем о трех частиц диаметром41. Вызваны результаты эксперимента, мы недавно представили строгий аналитическая модель, которая предсказывает критическое число Шилдс в ползучая предел потока40. Модель охватывает начала движения от весьма подвержены скрытые бусины.

В первой части этой рукописи предложения с описанием экспериментальной процедуры, используемой в предыдущих исследованиях на сдвиг числа Рейнольдса, ре *, ниже, чем 1. Ламинарный поток наведено с вращения Реометр с параллельной конфигурации. В этой низкий предел числа Рейнольдса частица не должны испытывать каких-либо колебаний скорости20 и система соответствует так называемой гидравлически гладкой потока, где частицы погружен в течение вязкой подслой.

После зарождающегося движения на ламинарный поток, роль турбулентности может проясниться. Руководствуясь этой идеи, мы представляем Роман экспериментальной процедуры во второй части протокола. С помощью Гёттинген низкой скорости аэродинамической трубе с открытым реактивного тестирования секции, критических Шилдс, номер может быть определена в широкий диапазон от ре * включая гидравлически переходного потока и турбулентного режима. Экспериментальные результаты может обеспечить важную информацию о как сил и моментов действовать на частицу вследствие турбулентного потока в зависимости от геометрии субстрата. Кроме того эти результаты могут использоваться как ориентир для более сложных моделей на высокие ре * в Аналогичным образом, что последние работы в ламинарный поток был использован кормить полу вероятностные модели52 или проверить последние численные модели53. Мы представляем некоторые показательные примеры приложений в ре * от 40 до 150.

Зарождающегося критерий устанавливается как движения одной частицы от его начального равновесия к следующему. Обработка изображений используется для определения режима начала движения, т.е. качения, скольжения, лифтинг39,41. Для этой цели обнаруживается угол поворота мобильных сфер, которые ознаменовались вручную. Алгоритм отслеживает положение знаков и сравнивает его с центром сферы. Предварительный набор экспериментов было проведено в обеих экспериментальных установок для уточнения, что критическое число Шилдс остается независимо от конечного размера эффектов настройки и относительной потока погружения. Таким образом экспериментальные методы предназначены для исключения любого другого параметра, зависит от критического числа щитов за ре * и геометрических свойств осадков кровати. Ре * очень разнообразен, с использованием различных комбинаций жидкость частицу. Критическое количество щитов характеризуется как функция захоронения степени, figure-introduction-1 , определяется Мартино и др. 37 как figure-introduction-2 где figure-introduction-3 является угол естественного откоса, т.е. критический угол на котором движение происходит54, и figure-introduction-4 — это степень воздействия, определяется как соотношение между площадь поперечного сечения, эффективно воздействию потока с Общая площадь поперечного сечения мобильных шарик.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. движения зарождающегося частиц в ползучая предел потока.

Примечание: Измерения проводятся в ротации Реометр, который был изменен для этого конкретного приложения.

  1. Подготовка Реометр.
    1. Подключение подачи воздуха к Реометр во избежание повреждения подшипников воздуха. Откройте клапан помимо воздушные фильтры, пока не будет достигнуто давление примерно 5 баров в системе.
    2. Подключите жидкости термостат к измерительной пластине. Убедитесь, что шланги элемента Пельтье подключены к Реометр. Включите жидкости термостат и установите желаемую температуру (20 ° C).
    3. Смонтируйте настроенный контейнер, содержащий регулярное субстрата на Реометр.
      1. Возьмите регулярные субстрат из контейнера и очистите поверхность тщательно с дистиллированной водой. Высушите поверхность с ткань для очистки объектива и удаление возможных остаточных пыли с вентилятором.
        Примечание: Регулярный субстраты являются монослои 15 x 15 мм2 построен из сферической натриево известкового стекла бисера мкм (405.9 ± 8.7).
      2. С помощью двухсторонней ленты толщиной 0,4 мм, исправьте регулярные субстрата в обеспечение контейнера, субстрат центр находится на расстоянии 21 мм от оси поворота.
      3. Место настроенный адаптер на пластины Реометр.
      4. Смонтируйте заказной круговой контейнера в обеспечение пластины, что плоская передняя секция сталкивается с тепловизионная система, предназначенная для записи стороне.
        Примечание: Убедитесь, что контейнер полностью горизонтальное с уровнем воды (0.6 мм/м). Для этой цели установите уровень воды в контейнере параллельно к задней части устройства и уровня его с Реометр регулируемые ножки. Повторите эту процедуру, поворачивая уровень воды на 90 градусов.
    4. Включите Реометр. Дождитесь завершения процедуры загрузки и статус «ОК» появляется на экране устройства.
    5. Запустите компьютер и программное обеспечение Реометр. Инициализировать Реометр и установите регулятор температуры на панели управления программного обеспечения нужное значение (20 ° C).
    6. Смонтируйте заказной измерительной системы. Установка нулевой зазор от программного обеспечения.
      Примечание: Перед установкой нулевой зазор, убедитесь, что есть нет мобильного бусы на подложке и что границы подложки не гнутся. Ошибка в определении нулевой разрыв приведет к систематической ошибки в расчетах сдвига оценить и поэтому в последующие измерения критических щитов номер. Абсолютная неопределенность 0,05 мм предполагается в ширина зазора при расчете критических числа щитов.
    7. Поднимите пластину измерения до 30 мм и удалите его.
    8. Заполните контейнер с приблизительно 70 мл 100 МПа·с силиконовым маслом. Убедитесь, что уровень жидкости в контейнер остается выше 2 мм. Кремния нефть не должно охватывать верхней частью Прозрачные пластины. Подождите примерно 15-20 минут для теплового равновесия. В это время Отрегулируйте тепловизионных систем (см. шаг 2 из протокола).
      Примечание: Температура, которая крепится к (295.15 ± 0,5) K здесь, управляется с элементом Пельтье подключен к Реометр и измеряется с внешней термометр. В ходе экспериментов наблюдаются колебания менее 0.5 K.
  2. Настройка системы визуализации.
    1. Переключитесь на 300 W Ксеноновая лампа. Отрегулируйте направляющие света для освещения шарик со стороны через прозрачные стенки контейнера.
    2. Отрегулируйте интенсивность света LED чтобы избежать сильного отражения света на подложке.
    3. Отрегулируйте тепловизионная система, предназначенная для записи движения частиц от верхней части через прозрачный измерительной пластине.
      1. Запуск обработки изображений программное обеспечение от компьютера и выбрать монохромный профиль из начала диалога.
      2. Откройте CMOS камера 768 x 576 тепловизионной системы, установленной на верхней части контейнера. Запустите видео в реальном времени.
      3. Настройка горизонтального позиционирования этап до тех пор, пока в центре изображения появится исходное положение, который ранее был отмечен в центре субстрата.
      4. Настройка вертикального позиционирования этап сосредоточиться на подложке.
      5. Место тщательно заметно натриево известкового стекла сфера мкм (405.9 ± 8.7).
      6. Убедитесь, что по крайней мере один из знаков, расположенных на расстоянии приблизительно 75% от радиуса шарик или больше от оси вращения. Если это не так, переместить вручную Измерительные пластины для достижения движения шарика на следующее положение равновесия (см. Рисунок 2() как ссылка).
        Примечание: Для обеспечения надлежащего наблюдения во время движения мобильного бусы, отмечены несколько пятен, разделенных примерно 45° (см. Рисунок 3()). Код включает в себя простой контроль потока заявление для сведения к минимуму Марк misassignment для того чтобы вычислить угол поворота. Для получения более подробной информации мы ссылаемся на Агудо и др. 201739.
      7. Открыть диалоговое окно для настройки параметров камеры и Отрегулируйте частоту кадров до 30 fps. Отрегулируйте время экспозиции для обеспечения что знаки должным образом отличаются от периметра шарик.
        Примечание: Натриево известкового стекла сфере погружался в силиконовым маслом 100 МПа·с требует примерно 4 секунды переходить от своей первоначальной позиции к водораздел в соседних положение равновесия. Следовательно частоту кадров 30 fps позволяет неопределенности менее 1%.
    4. Установите измерительные пластины Реометр.
    5. Значение измерения расстояния до 2 мм.
      Примечание: В центре верхней камеры необходимо слегка скорректирован благодаря наличию пластину оргстекла.
    6. Отрегулируйте тепловизионная система, предназначенная для записи движения частиц от стороны через прозрачный микроскопа.
      1. Откройте CMOS камера 4912 x 3684 тепловизионной системы, установленной в передней части контейнера и начать живое видео.
      2. Настройка вертикального и горизонтального позиционирования этап уложены параллельно Реометр пока заметно шарик появляется в центре изображения.
      3. Отрегулируйте Модульная зум-объектив, до тех пор, пока поле зрения включает в себя верхней поверхности субстрата, шарик и в нижней части измерения диска.
      4. Настройка горизонтального позиционирования этап помещены перпендикулярно Реометр сосредоточиться на шарик.
      5. Открыть диалоговое окно для настройки параметров камеры и Отрегулируйте частоту кадров до 30 fps.
  3. Определение критической скорости вращения для начала движения.
    1. Линейно увеличить скорость вращения, n, от 0,02 до 0,05 оборотов в секунду в малых приращений 0,00025 оборотов в второй использованием Реометр программного обеспечения.
      1. В окне измерения дважды щелкните ячейку для типа элемента управления и изменить диапазон скорости от 0,02 до 0,05 оборотов в секунду.
      2. Дважды щелкните параметр времени и введите количество измерений точек, 60 и продолжительность каждого измерения, 5 s.
      3. Задайте таблицу, представляющие скорость вращения как функцию от времени.
    2. Откройте видео в реальном времени от верхней и боковой камеры. Начните запись видео последовательность с обеих камер с помощью визуализации программного обеспечения.
    3. Начало измерения с помощью Реометр программного обеспечения.
      Примечание: Предварительные эксперимент с большим размером шага рекомендуется перед шагом 1.3.1.1 чтобы приблизительно оценить диапазон скоростей, на котором будет происходить зарождающегося движения. На расстоянии 21 мм от оси поворота и с использованием силиконового масла 100 МПа·с например, стеклянная бусина движется на вращающейся со скоростью около 0.035 оборотов в секунду. Следовательно в диапазоне от 0,02 до 0,05 оборотов в секунду кажется подходящим для эксперимента.
    4. Посмотрите внимательно на живое видео от верхней или боковой камеры и остановить измерение, когда шарик вытесняет из положения равновесия. Обратите внимание на скорость, с которой шарик пересекает сепаратрисных в соседних положение равновесия. Отметить скорость вращения представляет критической скорости вращения, nC. Остановите видео последовательностей.
      Примечание: Убедитесь, что размер шага достаточно мал, что увеличение скорости в течение интервала времени, что шарик требует перехода от своей первоначальной позиции на соседний не связаны с более чем 1% критического значения.
    5. Место шарик обратно в свое первоначальное положение. Это можно сделать путем перемещения вручную вращающуюся пока шарик вытесняет обратно на одну позицию. Повторите эксперимент, пять раз отмечая Средняя критическая скорость и стандартное отклонение.
    6. Повторите шаги 1.3.1 для 1.3.5 с другой заметный шарик в 2 близлежащих позиций в центр субстрата.
  4. Анализ данных.
    1. Определение режима движения: анализировать последовательность изображений, ранее записанные сверху или сбоку с алгоритмом описанным Агудо et al. 201739.
    2. Определите критическое количество щитов и сдвига число Рейнольдса.
      1. Получать критическое число Шилдс следующее уравнение40
        figure-protocol-1(1)
        где figure-protocol-2 было получено от шага 1.3.4, figure-protocol-3 это Кинематическая вязкость, figure-protocol-4 и figure-protocol-5 являются частицы и плотности жидкости, соответственно, figure-protocol-6 является ускорение силы тяжести и figure-protocol-7 – диаметр мобильных шарик, все им известны. figure-protocol-8 является ширина зазора, определяется как расстояние от верхней части субстрата сфер к измерительной пластине, т.е. 2 мм и r это радиальное расстояние от оси поворота, т.е. частицы 21 мм.
      2. Получить число Рейнольдса сдвига, ре * основанный на скорости сдвига, от следующих уравнений:
        figure-protocol-9(2)
    3. Повторите процедуру от 1.1.3 к 1.4.2, с использованием различных регулярных субстрата.
    4. Используйте различные жидкости вязкости и плотности различных шарик для того чтобы покрыть широкий спектр ре * от проползать условий потока до 1.

2. зарождающегося частиц движение гидравлически переходных и грубой турбулентного режима.

Примечание: Измерения проводятся в индивидуальных низкой скорости аэродинамической с открытым реактивного тестирования секции, Гёттинген типа.

  1. Подготовка изображений системы.
    1. Исправьте квадратичной субстрата в середине раздел теста.
    2. Место шарик глинозема 5 мм ранее отмеченные на нужное исходное положение (110 мм от переднего края и 95 мм от края стороне).
    3. Подключить высокоскоростной камеры, в сочетании с макро-объектив к компьютеру и включите его. Отрегулируйте макро-объектив, до тех пор, пока целевой шарик ясно в изображении.
    4. Инициировать изображений программное обеспечение на компьютере. Активировать «Live камеры» и «дискретизации» равным 1000 fps.
    5. Переключитесь на светодиодный источник света и отрегулировать интенсивность, а также фокус камеры, чтобы получить четкое изображение частицы и ее знаков.
      Примечание: Убедитесь, что по крайней мере один из знаков, расположенных на расстоянии приблизительно 75% от радиуса шарик или больше от оси вращения (см. Рисунок 3() как ссылка).
  2. Определение критических оборотов для начала движения.
    1. Задайте скорость вращения вентилятора значительно ниже критического значения (примерно 1400 rpm для бисера глинозема 5 мм).
    2. Запустите запись, нажав на курок на визуализации программного обеспечения.
    3. Увеличить скорость в шагах примерно 4-6/мин каждые 10 s до зарождающегося движения происходит.
    4. Примечание значение критическая скорость на которой зарождающегося движения происходит и остановить видео последовательности.
    5. Поместите новый отмеченные шарик в той же начальной позиции и повторите процедуру от 2.2.1 до 2.2.4 десять раз. Обратите внимание, критическая скорость для каждого измерения.
    6. Повторите процедуру от 2.2.1 до 2.2.5 на таком же расстоянии от переднего края, но в 65 и 125 мм от края боковой, соответственно. Обратите внимание, критическая скорость для каждого измерения.
  3. Подготовка постоянной температуры проволоки анемометр (CTA).
    1. Установите функцию управления CTA стоять и сопротивление десятилетия до 00.00. Включите питание и ждать примерно 15-20 минут для разминки.
    2. Подключите короткое зонд и включить функцию управления CTA для измерения сопротивления. Отрегулируйте zero ом до тех пор, пока игла помещается в красный знак и переключиться обратно на функцию элемента управления в режим ожидания.
    3. Замените короткое зонд миниатюрный hot-wire зонда. Переключатель функции управления CTA для измерения сопротивления. Отрегулируйте переключатели сопротивление до тех пор, пока игла помещается в красный знак.
      Примечание: Измеренное сопротивление соответствует морозостойкости миниатюрные зонда. Измеренное значение должно быть по согласованию с значение, предоставленное изготовителем (3.32 Ω).
    4. Включить функцию CTA, чтобы стоять и регулировать сопротивление десятилетия до 5,5 Ω для достижения соотношения перегрева около 65%.
    5. Измерьте частотной ГТС на Средняя критическая скорость (шаг 2.2.4).
      1. Включите вентилятор и установите скорость вращения вентилятора для критического значения, около 1400 об/мин. Переключитесь на осциллограф.
      2. Включите генератор квадратные волны ГТС.
      3. Инициировать осциллограф программного обеспечения на компьютере и откройте CSV модуль для включения записи данных. Выберите канал (CH1) и сохраните запись данных т.е. время и напряжения, под имя нужного файла. Дождитесь окончания измерений (около 3 минут).
        Примечание: Предельная частота рассчитывается от времени отклика, при котором напряжение упала до уровня - 3db (см. рис. 4()).
      4. Выключить генератор квадратные волны и установить функцию CTA ожидания.
  4. Калибровка ГТС.
    1. Переключатель CTA функции для работы. Убедитесь, что зонд корректируется на достаточной высоте от пластины, так, что он расположен в зоне свободного потока.
    2. Задайте скорость вращения вентилятора до 200 об/мин. Измерить streamwise скорости в зоне свободного потока, с помощью анемометра крыльчатки и чтение напряжения на осциллограф.
    3. Повторите шаг 2.4.2 для различных скоростей вращения с фиксированным шагом 50 об/мин до около 1450 об/мин (в общей сложности 26 прочтений).
    4. Установить взаимосвязь между rpm и измеренной скорости свободного потока streamwise, figure-protocol-10 . Получение критической скорости, figure-protocol-11 , что соответствует критической скорости вращения для каждого из измерений, выполненных из шагов 2.2.5 для 2.2.6. Вычислить среднее критической скорости свободного потока, figure-protocol-12 и стандартное отклонение измерений.
    5. Установите взаимосвязь между скорости и напряжения согласно третьей степени многочлена fit:
      figure-protocol-13(3)
      Здесь figure-protocol-14 streamwise Скорость измеряется в м/с, figure-protocol-15 напряжение измеряется в вольт (V), и figure-protocol-16 -fit коэффициенты. Калибровочные кривые приведены на рисунке 4(b) до и после измерения скорости профиля.
  5. Измерение streamwise скорости с стены нормальная позиция в критических условиях.
    1. Удалите отмеченные шарик из субстрата.
    2. Отрегулируйте маховичок горизонтального позиционирования этап до тех пор, пока горячий провод датчика помещается в нужное исходное положение (110 мм от переднего края и 95 мм от края стороне).
    3. Тщательно Отрегулируйте маховичок вертикального позиционирования этап до тех пор, пока датчик размещается как можно ближе к поверхности субстрата. Видите сквозь камеру, в сочетании с макро-объектив для убедитесь, что провод не прикасайтесь к поверхности субстрата. Установите нулевое значение в цифровой индикатор уровня в этой позиции.
      Осторожностью: Горячей проволоки очень чувствительна, и если он прикоснется к поверхности он сломается. Ради безопасности, мы размещаем зонд на расстоянии 0,05 мм выше верхней части субстрата сферы (см. Рисунок 1(e) как ссылка). Это представляет собой нормализованное стены нормальный компонент figure-protocol-17 где figure-protocol-18 измерения значение, начиная figure-protocol-19 скорость сдвига и figure-protocol-20 это Кинематическая вязкость при температуре воздуха. Обратите внимание, что начальное значение ниже figure-protocol-21 где вязкость является доминирующей55.
    4. Задать скорость вращения вентилятора к средней скорости вращения, при котором происходит зарождающегося движения, см. шаг 2.2.4. Свободный поток скорость таким образом соответствует figure-protocol-22 .
    5. Отрегулируйте частоту выборки 1 КСА и количество образцов до 6000 на осциллограф (общее время выборки 6 s). Выберите канал (CH1) и начните измерение. Сохраните запись данных под именем нужного файла. Дождитесь окончания измерений (около 3 минут).
    6. Увеличение стены нормальное положение зонда с шагом 0,01 мм до 0,4 мм и с шагом 0,1 мм до 10 мм высоты. Это соответствует в общей сложности 137 точек на кривой профиля скорости. Сохранение записанных данных для каждой высоты.
  6. Анализ данных.
    1. Вычислите среднее streamwise скорость и турбулентного интенсивности для каждой стены нормальное положение.
      1. Запуск собственной разработки алгоритма для оценки статистических величин. Откройте сценарий и выберите папку, содержащую калибровочной кривой и сохраненных данных для каждой измеренной высоты.
        Примечание: Скрипт сначала вычисляет подходят коэффициенты от калибровочной кривой, как показано в 3 экв. Для каждой высоты, он вычисляет мгновенной скорости streamwise, figure-protocol-23 с помощью эквалайзера 3 и вычисляет неотъемлемой временной шкале автокорреляции метод56. После этого, он вычисляет среднее время, figure-protocol-24 и скорость квадратный корень, figure-protocol-25 , для образцов, которые разделяются два раза составной время, необходимое для анализа времени в среднем.
      2. Участок безразмерные вертикальное положение, figure-protocol-26 против безразмерных streamwise время средняя скорость figure-protocol-27 , где figure-protocol-28 диаметр сфер субстрата. Участок figure-protocol-29 против безразмерные корень квадратный скорости figure-protocol-30 . Рисунок 4 (c)-(d) изображает результаты в случае валика глиноземный 5 мм.
    2. Расчет скорости сдвига от экспериментальных данных.
      1. Соответствовать безразмерные время средняя скорость с логарифмической скорости распространения57
        figure-protocol-31(5)
        где figure-protocol-32 скорость сдвига, figure-protocol-33 фон Kármán константа и figure-protocol-34 является константой, которая зависит от сдвига Рейнольдс номер26. Сплошная линия на рис. 4(c) является логарифмической fit to время средняя скорость.
        Примечание: От fit для экспериментальных данных, это может быть показано, что скорость сдвига, figure-protocol-35 дается:
        figure-protocol-36(6)
        где figure-protocol-37 является логарифмической форме коэффициент и figure-protocol-38 20.
        Вязкой подслой, figure-protocol-39 остается выше верхней части субстрата сфер в наших экспериментах. В случае самых строгих уравнение 5 следует заменить законом изменение скорости, представленный Rotta20,58.
        figure-protocol-40(7)
        где figure-protocol-41 и figure-protocol-42 . figure-protocol-43 толщина вязкой подслой, который можно приблизительно вычислить по figure-protocol-44 55.
        Алгоритм вычисляет непосредственно скорости сдвига от аппроксимации экспериментальных данных уравнение 5 и 7 экв. Синие символы на рисунке 4(c) представляют собой fit экспериментальных данных согласно Eq. 7.
        В Re * выше 70 figure-protocol-45 представляет до 5% мобильных шарик диаметром, и с помощью fit уравнение 5 или 7 уравнение предполагает вариации на figure-protocol-46 в пределах принятого диапазона неопределенности. Сравните сплошной линией и синие символы в Рисунок 4(c) на ре * примерно 87,5.
    3. Определение режима движения: анализировать последовательность изображений, ранее записанные со стороны с алгоритмом описанным Агудо et al. 201739.
    4. Определите критическое количество щитов и сдвига число Рейнольдса.
      1. Получать критическое число Шилдс следующее уравнение22
        figure-protocol-47(8)
        где figure-protocol-48 было получено от шагу 10.2, figure-protocol-49 и figure-protocol-50 являются частицы и плотности жидкости, соответственно, figure-protocol-51 является ускорение силы тяжести и figure-protocol-52 мобильных шарик диаметром, все они известны.
      2. Получения частиц Рейнольдс номер ре *, от следующих уравнений:
        figure-protocol-53(9)
      3. Повторите процедуру для измерения профиля скорости как функция координат стены нормальный, шаг 2.5, на таком же расстоянии от переднего края, но в 65 до 125 мм в направлении ширины, соответственно.
      4. Повторите процедуру от 2.1 до 2.6.4.3, с использованием различных бусинка размеры и регулярные субстратов.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Рисунок 1 (a) представляет эскиз экспериментальной установки, используемые для характеристики критическое число Шилдс в ползучая предел потока, статья 1 протокола. Измерения проводятся в ротации Реометр, который был изменен для этого конкретного приложения. Прозрачная пластинка оргстекло 70 мм в диаметре был тщательно крепится к параллельной тарелку диаметром 25 мм. Инерции измерительной системы была таким образом скорректированы до измерения...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы представляем два различных экспериментальных методов для характеризующие движения зарождающегося частиц в зависимости от геометрии кровать отложений. Для этой цели мы используем монослоя сфер, регулярно устраиваются согласно треугольные или квадратичной симметрии таким образом, что геометрических параметров упрощает для одной геометрии. В ползучая предел потока мы описываем экспериментальный метод, с помощью вращения ротаметр побудить поток ламинарный сдвига как и предыдущих исследований39...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего сообщать

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы благодарны тем, неизвестных судей за ценные советы и Sukyung Чой, Byeongwoo Ko и Baekkyoung шин для сотрудничества в создании экспериментов. Эта работа была поддержана мозг Пусан 21 проекта в 2017 году.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
MCR 302 Ротационный реометрАнтонПаар Индукция сдвигового ламинарного потока
Измерительная пластина PP25Антон ПаарИндукция сдвигового ламинарного потока
Система Пельтье P-PTD 200Антон ПаарПоддерживайте постоянную температуру силиконовых масел в системе при ламинарном потоке
Силиконовые масла с вязкостью ок. 10 и 100 мПасBasildon ChemicalsЖидкость, используемая для индукции сдвига в частицах
натриево-известкового стекла в гранулах (405,9 & 8,7) μ mКомпания Technical GlassКонструирование регулярных подложек для условий
Opto Zoom 70 Модуль 0,3-2,2xWEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbHСистема визуализации для регистрации движения бусин в реометре
2 x TV-Tube 1,0x, D=35 мм, L=146,5 ммWEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbHСистема визуализации для регистрации движения бусин в реометре
UI-1220SE CMOS CameraIDS Imaging Development Systems GmbHСистема визуализации для регистрации движения борта в реометре
UI-3590CP CMOS КамераIDS Imaging Development Systems GmbHСистема визуализации для регистрации движения борта в реометре
Volpi IntraLED 3 - светодиодный источник света Volpi СШАСистема визуализации для регистрации движения борта в реометре
Диаметр активного световода 5 ммVolpi СШАСистема визуализации для регистрации движения борта в реометре
300 Вт ксеноновая дуговая лампаNewport CorporationСистема визуализации для регистрации движения борта в реометре
Аэродинамическая труба с открытой струей испытательная секция, Gö Тип Тинген Tintschl BioEnergie und Strö mungstechnik AGИндукция турбулентного потока
Стеклянные сферы (2,00 ± 0,10) ммGloches Южная КореяПостроение регулярных подложек для условий
Глиноземные сферы (5,00 ± 0,25) ммGloches ЮжнаяКорея Таргетный шарик для экспериментов
CTA Анемометр DISA 55M01Disa Elektronik A/S Измерение скорости потока в аэродинамической трубе
Миниатюрный проволочный щуп типа 55P15Dantec DynamicsИзмерение  скорости потока в аэродинамической трубе
HMO2022 Цифровой осциллограф, 2 аналогов. Гл., 200 МГцRohde & SchwarzИзмерение скорости потока в аэродинамической трубе
Phantom Miro eX1 High-speed CameraVision Research IncVisСистема визуализации для регистрации движения борта в аэродинамической трубе
Canon ef 180mm f/3.5 l usm макрообъективCanonImaging система для регистрации движения борта в аэродинамической трубе
Настольная светодиодная лампаGloches Южная КореяСистема визуализации для регистрации движения борта в аэродинамической трубе
ламинарного течениятурбулентного течения

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Groh, C., Wierschem, A., Aksel, N., Rehberg, I., Kruelle, C. A. Barchan dunes in two dimensions: Experimental tests for minimal models. Phys. Rev. E. 78, 021304(2008).
  2. Wierschem, A., Groh, C., Rehberg, I., Aksel, N., Kruelle, C. Ripple formation in weakly turbulent flow. Eur. Phys. J. E. 25, 213-221 (2008).
  3. Herrmann, H. Dune Formation in Traffic and Granular Flow. , Springer. Berlin. (2007).
  4. Stevanovic, V. D., et al. Analysis of transient ash pneumatic conveying over long distance and prediction of transport capacity. Powder Technol. 254, 281-290 (2014).
  5. Fan, F. -G., Soltani, M., Ahmadi, G., Hart, S. C. Flow-induced resuspension of rigid-link fibers from surfaces. Aerosol. Sci. Tech. 27, 97-115 (1997).
  6. Burdick, G., Berman, N., Beaudoin, S. Hydrodynamic particle removal from surfaces. Thin Solid Films. , 116-123 (2005).
  7. Chang, Y. Laboratory investigation of flume traction and transportation. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. , 1701-1740 (1939).
  8. Paintal, A. A stochastic model of bed load transport. J. Hydraul. Res. 9, 527-554 (1971).
  9. Mantz, P. A. Incipient transport of fine grains and flakes by fluids-extended shield diagram. J. Hydr. Eng. Div.-Asce. 103, (1977).
  10. Yalin, M. S., Karahan, E. Inception of sediment transport. J. Hydr. Eng. Div.-Asce. 105, 1433(1979).
  11. Kuhnle, R. A. Incipient motion of sand-gravel sediment mixtures. J. Hydraul. Eng. 119, 1400-1415 (1993).
  12. Marsh, N. A., Western, A. W., Grayson, R. B. Comparison of methods for predicting incipient motion for sand beds. J. Hydraul. Eng. 130, 616-621 (2004).
  13. Vollmer, S., Kleinhans, M. G. Predicting incipient motion, including the effect of turbulent pressure fluctuations in the bed. Water Resour. Res. 43, (2007).
  14. Valyrakis, M., Diplas, P., Dancey, C. L., Greer, K., Celik, A. O. Role of instantaneous force magnitude and duration on particle entrainment. J. Geophys. Res.-Earth. 115, (2010).
  15. Dey, S., Ali, S. Z. Stochastic mechanics of loose boundary particle transport in turbulent flow. Phys. Fluids. 29, 055103(2017).
  16. Wiberg, P. L., Smith, J. D. Calculations of the critical shear stress for motion of uniform and heterogeneous sediments. Water Resour. Res. 23, 1471-1480 (1987).
  17. Ling, C. -H. Criteria for incipient motion of spherical sediment particles. J. Hydraul. Eng. 121, 472-478 (1995).
  18. Dey, S. Sediment threshold. Appl. Math. Model. 23, 399-417 (1999).
  19. Bravo, R., Ortiz, P., Pérez-Aparicio, J. Incipient sediment transport for non-cohesive landforms by the discrete element method (DEM). Appl. Math. Model. 38, 1326-1337 (2014).
  20. Ali, S. Z., Dey, S. Hydrodynamics of sediment threshold. Phys. Fluids. 28, 075103(2016).
  21. Yalin, M. S. Mechanics of sediment transport. , Pergamon Press. California. (1977).
  22. Graf, W. H., Sueska, L. Sediment transport in steep channels. Journal of Hydroscience and Hydraulic Engineering. 5, 233-255 (1987).
  23. Recking, A. An experimental study of grain sorting effects on bedload. , Lyon. Doctor in Sciences thesis, Institut National des Sciences Appliques de Lyon (2006).
  24. Roušar, L., Zachoval, Z., Julien, P. Incipient motion of coarse uniform gravel. J. Hydraul. Res. 54, 615-630 (2016).
  25. Miller, R. L., Byrne, R. J. The angle of repose for a single grain on a fixed rough bed. Sedimentology. 6, 303-314 (1966).
  26. Fenton, J., Abbott, J. Initial movement of grains on a stream bed: the effect of relative protrusion. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 352, 523-537 (1977).
  27. Kirchner, J. W., Dietrich, W. E., Iseya, F., Ikeda, H. The variability of critical shear stress, friction angle, and grain protrusion in water-worked sediments. Sedimentology. 37, 647-672 (1990).
  28. Armanini, A., Gregoretti, C. Incipient sediment motion at high slopes in uniform flow condition. Water Resour. Res. 41, (2005).
  29. Chin, C., Chiew, Y. Effect of bed surface structure on spherical particle stability. J. Waterw. Port Coast. 119, 231-242 (1993).
  30. Whitehouse, R., Hardisty, J. Experimental assessment of two theories for the effect of bedslope on the threshold of bedload transport. Mar. Geol. 79, 135-139 (1988).
  31. Buffington, J. M., Montgomery, D. R. A systematic analysis of eight decades of incipient motion studies, with special reference to gravel-bedded rivers. Water Resour. Res. 33, 1993-2029 (1997).
  32. Charru, F., Mouilleron, H., Eiff, O. Erosion and deposition of particles on a bed sheared by a viscous flow. J. Fluid Mech. 519, 55-80 (2004).
  33. Loiseleux, T., Gondret, P., Rabaud, M., Doppler, D. Onset of erosion and avalanche for an inclined granular bed sheared by a continuous laminar flow. Phys. Fluids. 17, 103304(2005).
  34. Charru, F., Larrieu, E., Dupont, J. -B., Zenit, R. Motion of a particle near a rough wall in a viscous shear flow. J. Fluid Mech. 570, 431-453 (2007).
  35. Ouriemi, M., Aussillous, P., Medale, M., Peysson, Y., Guazzelli, É Determination of the critical Shields number for particle erosion in laminar flow. Phys. Fluids. 19, 061706(2007).
  36. Lobkovsky, A. E., Orpe, A. V., Molloy, R., Kudrolli, A., Rothman, D. H. Erosion of a granular bed driven by laminar fluid flow. J. Fluid Mech. 605, 47-58 (2008).
  37. Martino, R., Paterson, A., Piva, M. Onset of motion of a partly hidden cylinder in a laminar shear flow. Phys. Rev. E. 79, 036315(2009).
  38. Agudo, J., Wierschem, A. Incipient motion of a single particle on regular substrates in laminar shear flow. Phys. Fluids. 24, 093302(2012).
  39. Agudo, J., et al. Detection of particle motion using image processing with particular emphasis on rolling motion. Rev. Sci. Instrum. 88, 051805(2017).
  40. Agudo, J., et al. Shear-induced incipient motion of a single sphere on uniform substrates at low particle Reynolds numbers. J. Fluid Mech. 825, 284-314 (2017).
  41. Agudo, J., Dasilva, S., Wierschem, A. How do neighbors affect incipient particle motion in laminar shear flow? Phys. Fluids. 26, 053303(2014).
  42. Seizilles, G., Lajeunesse, E., Devauchelle, O., Bak, M. Cross-stream diffusion in bedload transport. Phys. Fluids. 26, 013302(2014).
  43. Seizilles, G., Devauchelle, O., Lajeunesse, E., Métivier, F. Width of laminar laboratory rivers. Phys. Rev. E. 87, 052204(2013).
  44. Hong, A., Tao, M., Kudrolli, A. Onset of erosion of a granular bed in a channel driven by fluid flow. Phys. Fluids. 27, 013301(2015).
  45. Derksen, J., Larsen, R. Drag and lift forces on random assemblies of wall-attached spheres in low-Reynolds-number shear flow. J. Fluid Mech. 673, 548-573 (2011).
  46. Happel, J., Brenner, H. Low Reynolds Number Hydrodynamics: With Special Applications to Particulate Media. , Martinuis Nijhoff. The Hague. (1983).
  47. Lajeunesse, E., et al. Fluvial and submarine morphodynamics of laminar and near-laminar flows: A synthesis. Sedimentology. 57, 1-26 (2010).
  48. Aussillous, P., Chauchat, J., Pailha, M., Médale, M., Guazzelli, É Investigation of the mobile granular layer in bedload transport by laminar shearing flows. J. Fluid Mech. 736, 594-615 (2013).
  49. Thompson, J. A., Bau, H. H. Microfluidic, bead-based assay: Theory and experiments. J. Chromatogr. B. 878, 228-236 (2010).
  50. Sawetzki, T., Rahmouni, S., Bechinger, C., Marr, D. W. In situ assembly of linked geometrically coupled microdevices. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 20141-20145 (2008).
  51. Amini, H., Sollier, E., Weaver, W. M., Di Carlo, D. Intrinsic particle-induced lateral transport in microchannels. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109, 11593-11598 (2012).
  52. Soepyan, F. B., et al. Threshold velocity to initiate particle motion in horizontal and near-horizontal conduits. Powder Technol. 292, 272-289 (2016).
  53. Deskos, G., Diplas, P. Incipient motion of a non-cohesive particle under Stokes flow conditions. International Journal of Multiphase Flow. , (2017).
  54. Julien, P. Y. Erosion and sedimentation. , Cambridge University Press. Cambridge. (2010).
  55. Jimenez, J. Turbulent flows over rough walls. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 173-196 (2004).
  56. O’neill, P., Nicolaides, D., Honnery, D., Soria, J. 15th Australasian Fluid Mechanics Conference. , The University of Sydney. 1-4 (2006).
  57. Schlichting, H. Boundary-Layer Theory. , McGraw-Hill. New York. (1979).
  58. Rotta, J. Das in wandnähe gültige Geschwindigkeitsgesetz turbulenter Strömungen. Arch. Appl. Mech. 18, 277-280 (1950).
  59. Schlichting, H., Gersten, K., Krause, E., Oertel, H. Boundary-layer theory. 7, Springer. (1955).
  60. Bruun, H. H. Hot-wire anemometry-principles and signal analysis. , Oxford: University Express. Oxford. (1995).
  61. Fan, D., Cheng, X., Wong, C. W., Li, J. -D. Optimization and Determination of the Frequency Response of Constant-Temperature Hot-Wire Anemometers. AIAA J. , 1-7 (2017).
  62. Valyrakis, M., Diplas, P., Dancey, C. L. Entrainment of coarse particles in turbulent flows: An energy approach. J. Geophys. Res.-Earth. 118, 42-53 (2013).
  63. Valyrakis, M., Diplas, P., Dancey, C. L. Entrainment of coarse grains in turbulent flows: An extreme value theory approach. Water Resour. Res. 47, (2011).
  64. Dey, S., Das, R., Gaudio, R., Bose, S. Turbulence in mobile-bed streams. Acta Geophys. 60, 1547-1588 (2012).
  65. Wu, F. -C., Chou, Y. -J. Rolling and lifting probabilities for sediment entrainment. J. Hydraul. Res. 129, 110-119 (2003).
  66. Leighton, D., Acrivos, A. The lift on a small sphere touching a plane in the presence of a simple shear flow. Z. Angew. Math. Phys. 36, 174-178 (1985).
  67. Tuyen, N. B., Cheng, N. -S. A single-camera technique for simultaneous measurement of large solid particles transported in rapid shallow channel flows. Exp. Fluids. 53, 1269-1287 (2012).
  68. Gollin, D., Bowman, E., Shepley, P. Methods for the physical measurement of collisional particle flows. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 26, 012017(2015).
  69. Amon, A., et al. Focus on Imaging Methods in Granular Physics. Rev. Sci. Instrum. 88, (2017).
  70. Mouilleron, H., Charru, F., Eiff, O. Inside the moving layer of a sheared granular bed. J. Fluid Mech. 628, 229-239 (2009).
  71. Diplas, P., et al. The role of impulse on the initiation of particle movement under turbulent flow conditions. Science. 322, 717-720 (2008).
  72. Coleman, N. L. A theoretical and experimental study of drag and lift forces acting on a sphere resting on a hypothetical streambed. International Association for Hydraulic Research, 12th Congress, proceedings. 3, 185-192 (1967).
  73. El-Gabry, L. A., Thurman, D. R., Poinsatte, P. E. Procedure for determining turbulence length scales using hotwire anemometry. , NASA Technical Reports NASA/TM-2014-218403 (2014).
  74. Roach, P. The generation of nearly isotropic turbulence by means of grids. Int. J. Heat Fluid Fl. 8, 82-92 (1987).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Incipient Particle MotionRegular SubstratesCritical Shields NumberRotational RheometerLow Speed Wind TunnelHot Wire ProbeShear Reynolds NumberLogarithmic Velocity LawModified Wall LawAngle of Repose

Related Articles