Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Published: February 22, 2018 doi: 10.3791/57238
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 1,4, 4
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)

Summary

Vengono presentati due metodi diversi per caratterizzare il moto della particella incipiente di una singola perlina in funzione della geometria del letto di sedimenti da laminare a flusso turbolento.

Abstract

Vengono presentati due diversi metodi sperimentali per la determinazione della soglia di movimento delle particelle in funzione delle proprietà geometriche del letto da laminare per condizioni di flusso turbolento. A tale scopo, l'incipiente movimento di una singola perlina è studiato su substrati regolari che consistono di un monostrato di sfere fissi di dimensioni uniformi regolarmente disposti in simmetrie triangolare e quadratiche. La soglia è caratterizzata dal numero di scudi critico. Il criterio per l'inizio del movimento è definito come lo spostamento dalla posizione di equilibrio originale a quella vicina. Lo spostamento e la modalità di movimento sono identificati con un sistema di imaging. Il flusso laminare è indotta utilizzando un reometro rotazionale con una configurazione del disco parallelo. Numero di Reynolds per taglio rimane inferiore a 1. Il flusso turbolento è indotto in una galleria del vento di bassa velocità con sezione di prova aperta jet. La velocità dell'aria è regolata con un convertitore di frequenza sulla ventola soffiante. Il profilo di velocità viene misurato con una sonda a filo caldo collegata ad un anemometro a pellicola calda. La cesoia numero di Reynolds compreso tra 40 e 150. La legge logaritmica di velocità e la legge di parete modificate presentato da Rotta vengono utilizzati per dedurre la velocità di taglio da dati sperimentali. Quest'ultimo è di particolare interesse quando il tallone mobile è parzialmente esposto al flusso turbolento nel cosiddetto regime di flusso idraulico transitorio. La sollecitazione di taglio è stimata all'inizio del movimento. Alcuni risultati illustrativi che mostra il forte impatto dell'angolo di riposo e l'esposizione del tallone per la tosatura del flusso sono rappresentati in entrambi i regimi.

Introduction

Moto incipiente della particella viene rilevata in una vasta gamma di processi industriali e naturali. Ambientali sono esempi il processo iniziale di sedimento trasporto nel fiume e oceani, erosione del letto o della formazione di dune tra gli altri 1,2,3. 4il trasporto pneumatico, rimozione delle sostanze inquinanti o la pulizia di superfici5,6 sono tipiche applicazioni industriali che comportano l'insorgenza di moto delle particelle.

Dovuto la vasta gamma di applicazioni, l'inizio del moto delle particelle è stato ampiamente studiato oltre un secolo, principalmente in condizioni turbolente7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Molti approcci sperimentali sono stati applicati per determinare la soglia per l'inizio del movimento. Gli studi comprendono parametri quali la particella Reynolds numero13,16,17,18,19,20, la sommersione di flusso relativa 21 , 22 , 23 , 24 o fattori geometrici come l'angolo di riposano16,18,25, esposizione al flusso26,27,28,29, grano relativa protrusione29 o letto longitudinale pendenza30.

I dati correnti per la soglia tra cui condizioni di turbolenza sono ampiamente sparsi in12,31 e i risultati sembrano spesso incoerente24. Ciò è principalmente dovuto la complessità intrinseca di controllo o di determinare i parametri di flusso in condizioni turbolente13,14. Inoltre, la soglia per il movimento dei sedimenti dipende fortemente la modalità di movimento, cioè scivolamento, rotolamento o sollevamento17 e il criterio per caratterizzare il movimento incipiente31. Quest'ultimo può risultare ambiguo in un letto di sedimenti erodibili.

Durante l'ultimo decennio, i ricercatori sperimentali hanno studiato movimento incipiente delle particelle in flussi laminari32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, dove l'ampia gamma di scale di lunghezza, interagendo con il letto è evitato45. In molti scenari pratici che implica la sedimentazione, le particelle sono abbastanza piccole e la particella numero di Reynolds rimane inferiore a circa 546. D'altra parte, i flussi laminari sono in grado di generare schemi geometrici come increspature e dune come flussi turbolenti fanno42,47. Similitudini in entrambi i regimi sono stati indicati per riflettere analogie nel sottostante fisica47 così comprensione importante per il trasporto delle particelle possa essere ottenuti da una migliore controllato sistema sperimentale48.

A flusso laminare, Charru et al ha notato che la riorganizzazione locale un letto granulare di dimensioni perline, cosiddetto letto armatura, ha provocato un progressivo aumento della soglia per l'insorgenza di movimento fino a condizioni di saturazione sono stati raggiunti 32. letteratura, tuttavia, rivela diverse soglie per condizioni di saturazione in letti di sedimento irregolarmente disposte a seconda il set-up sperimentale36,44. Questa dispersione può essere dovuta alla difficoltà di controllare i parametri delle particelle come orientamento, livello di sporgenza e compattezza dei sedimenti.

L'obiettivo principale di questo manoscritto è quello di descrivere in dettaglio come caratterizzare il movimento incipiente delle singole sfere in funzione delle proprietà geometriche del letto orizzontale sedimento. A tal fine, utilizziamo geometrie regolari, costituito da strati monomolecolari di perline fissi regolarmente organizzati secondo configurazioni triangolari o quadratiche. Substrati regolari simili a che usiamo sono trovati in applicazioni come per il modello-assemblaggio di particelle in saggi microfluidici49, auto-assemblaggio di microdispositivi in geometrie strutturato confinati50 o intrinseco indotta da particelle trasporto a microcanali51. Ancora più importante, utilizzando substrati regolare ci permette di evidenziare l'impatto della geometria locale e orientamento e di evitare qualsiasi dubiety circa il ruolo del quartiere.

A flusso laminare, abbiamo osservato che il numero di scudi critico aumentato del 50% solo a seconda della spaziatura tra le sfere di substrato e quindi sull'esposizione del tallone al flusso38. Allo stesso modo, abbiamo trovato che il numero di scudi critico cambiato da fino a un fattore di due a seconda dell'orientamento del substrato per la direzione di flusso38. Abbiamo notato che immobili vicini riguardano solo l'inizio del tallone mobile se fossero più vicini di particella circa tre diametri41. Innescati i risultati dell'esperimento, abbiamo recentemente presentato un rigoroso modello analitico che predice il numero critico di scudi nella strisciante flusso limite40. Il modello copre l'insorgenza di movimento da altamente esposti a perle nascoste.

La prima parte di questo manoscritto si occupa con la descrizione delle procedure sperimentali utilizzata negli studi precedenti a forze di taglio numero di Reynolds, Re *, inferiore a 1. Il flusso laminare è indotta con un reometro rotazionale con una configurazione in parallelo. In questo basso limite di numero di Reynolds, la particella non dovrebbe per sperimentare qualsiasi fluttuazione di velocità20 e il sistema corrisponda il cosiddetto flusso idraulicamente liscio dove la particella è sommerso all'interno il sottolivello viscoso.

Una volta stabilita la incipiente movimento a flusso laminare, il ruolo della turbolenza può diventare più chiaro. Motivati da questa idea, introduciamo una procedura sperimentale romanzo nella seconda parte del protocollo. Utilizzando una galleria di bassa velocità del vento Gottinga con sezione di prova aperta jet, gli scudi critici numero può essere determinato in una vasta gamma di Re * compreso il flusso idraulicamente transitorio e regime turbolento. I risultati sperimentali possono fornire la comprensione importante su come forze e coppie agire su una particella a causa del flusso turbolento a seconda della geometria del substrato. Inoltre, questi risultati utilizzabile come punto di riferimento per i modelli più sofisticati alle alta Re * in un modo simile che lavoro passato a flusso laminare è stato utilizzato per alimentare dei semi modelli probabilistici52 o per convalidare recenti modelli numerici53. Vi presentiamo alcuni esempi rappresentativi delle applicazioni presso Re * che vanno da 40 a 150.

Il criterio di incipiente è stabilito come il moto di una particella singola dalla sua posizione di equilibrio iniziale a quella successiva. Elaborazione delle immagini viene utilizzato per determinare la modalità di inizio del movimento, cioè rotolamento, scorrevole, sollevamento39,41. A tale scopo, viene rilevato l'angolo di rotazione delle sfere mobili che sono stati contrassegnati manualmente. L'algoritmo rileva la posizione dei segni e lo confronta con il centro della sfera. Un primo insieme di esperimenti è stata condotta in due set-up sperimentale per chiarire che il numero di scudi critico rimane indipendente degli effetti di dimensioni finite del set-up e sommersione di flusso relativa. I metodi sperimentali così sono progettati per escludere qualsiasi altro parametro dipendono dal numero di scudi critico oltre proprietà geometriche del letto sedimento e Re *. Re * è vario utilizzando diverse combinazioni di fluido-particelle. Il numero di scudi critico è caratterizzato in funzione del grado sepoltura, Equation 01 , definito da Martino et al. 37 come Equation 02 dove Equation 03 è l'angolo di riposo, cioè l'angolo critico al quale movimento si verifica54, e Equation 04 è il grado di esposizione, definito come il rapporto tra l'area della sezione trasversale efficacemente esposto al flusso all'area della sezione trasversale totale del tallone mobile.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. il moto della particella incipiente nel limite di flusso strisciante.

Nota: Le misurazioni sono effettuate in un reometro rotazionale che è stato modificato per questa specifica applicazione.

  1. Preparando il reometro.
    1. Collegare l'aria compressa per il reometro per evitare di danneggiare i cuscinetti di aria. Aprire la valvola oltre i filtri dell'aria fino a raggiungere una pressione di circa 5 bar nel sistema.
    2. Collegare la pompa di circolazione di fluido per la piastra di riscontro. Assicurarsi che i tubi flessibili dell'elemento Peltier siano collegati a reometro. Accendere la pompa di circolazione fluida e impostare la temperatura desiderata (20 ° C).
    3. Montare il contenitore personalizzato contenente il substrato regolare il reometro.
      1. Prendere il substrato regolare fuori il contenitore e pulire la superficie accuratamente con acqua distillata. Asciugare la superficie con un panno di pulizia delle lenti ed eliminare possibili residui di polvere con un soffietto.
        Nota: I substrati regolari sono monostrati di 15x15 mm2 costruito dai branelli di vetro sodocalcico sferica di µm (405.9 ± 8,7).
      2. Fissare con nastro biadesivo spessore di 0,4 mm, il substrato regolare nel contenitore assicurandosi che il centro di substrato è ad una distanza di 21 mm rispetto all'asse di rotazione.
      3. Posizionare l'adattatore personalizzato sulla piastra reometro.
      4. Montare il contenitore di forma circolare su misura nella piastra assicurandosi che la sezione frontale piatto sia rivolto il sistema di imaging progettato per la registrazione di lato.
        Nota: Assicurarsi che il contenitore sia completamente orizzontale con il livello dell'acqua (0,6 mm/m). A tale scopo, posizionare il livello dell'acqua nel contenitore parallelo alla parte posteriore del dispositivo e livellarla con i piedini regolabili reometro. Ripetere la procedura ruotando il livello dell'acqua di 90 gradi.
    4. Accendere il reometro. Attendere che la procedura di avvio è finita e lo stato "ok" viene visualizzato sullo schermo del dispositivo.
    5. Avviare il computer e il software del reometro. Inizializzare il reometro e impostato il valore desiderato (20 ° C) il controllo della temperatura da pannello di controllo del software.
    6. Montare il sistema di misura su misura. Set-up il zero gap dal software.
      Nota: Prima di impostare il zero gap, assicurarsi che non ci sono nessun mobile perline sul substrato e che i confini di substrato non siano piegati. Un errore nell'impostazione il zero-divario porterà ad un errore sistematico nel calcolo shear rate e pertanto nella misura successiva degli scudi critici numero. Un'incertezza assoluta di 0,05 mm è presupposto nella larghezza del divario nel calcolo del numero di scudi critico.
    7. Sollevare la piastra di riscontro a 30 mm e rimuoverlo.
    8. Riempire il contenitore con circa 70 mL di olio di silicone 100 MPa · s. Assicurarsi che il livello del liquido nel contenitore rimanga superiore a 2 mm. L'olio di silicone non dovrebbe riguardare la parte superiore della piastra trasparente. Attendere circa 15-20 min per l'equilibrio termico. Durante quel tempo, regolare i sistemi di imaging (vedere il passaggio 2 dal protocollo).
      Nota: La temperatura è stato risolto a (295.15 ± 0,5) K qui, è controllata con un elemento Peltier collegato a reometro e misurata con un termometro esterno. Fluttuazioni di meno di 0,5 K sono osservate durante gli esperimenti.
  2. Regolazione del sistema di imaging.
    1. Accendere la lampada allo xeno di 300 W Arc. Regolare la guida della luce flessibile per illuminare il tallone dal lato attraverso le pareti trasparenti del contenitore.
    2. Regolare l'intensità luminosa di LED per evitare la forte riflessione della luce sul substrato.
    3. Regolare il sistema di imaging progettato per la registrazione il moto della particella dall'alto attraverso la piastra di riscontro trasparente.
      1. Start-up il software di imaging dal computer e scegliere il profilo bianco e nero nella finestra di dialogo di avvio.
      2. Aprire la fotocamera CMOS di 768 x 576 di imaging system installato sulla parte superiore del contenitore. Avviare il video dal vivo.
      3. Regolare la fase di posizionamento orizzontale fino a quando la posizione di riferimento che è stata contrassegnata in precedenza al centro del substrato appare al centro dell'immagine.
      4. Regolare la fase di posizionamento verticale di concentrarsi sul substrato.
      5. Posizionare con cura una sfera di vetro sodocalcico contrassegnato di µm (405.9 ± 8,7).
      6. Assicurarsi che almeno uno dei segni è posizionato ad una distanza di circa il 75% del raggio della perla o più grandi rispetto all'asse di rotazione. Se questo non è il caso, spostare manualmente la misura piastra per ottenere il movimento del tallone nella successiva posizione di equilibrio (Vedi Figura 2(a) come riferimento).
        Nota: Per garantire un corretto monitoraggio durante il movimento le perline mobile sono contrassegnate con diversi punti separati da circa 45° (Vedi Figura 3(a)). Il codice include un rendiconto del flusso di controllo semplice per ridurre al minimo segno di misassignment al fine di calcolare l'angolo di rotazione. Per ulteriori dettagli, vi rimandiamo al Agudo et al. 201739.
      7. Aprire la finestra di dialogo per l'impostazione dei parametri di macchina fotografica e regolare il frame rate a 30 fps. Regolare il tempo di esposizione per garantire che i marchi sono correttamente distinti dal perimetro della perla.
        Nota: La sfera di vetro sodocalcico sommersa in un olio di silicone di 100 MPa · s richiede circa 4 secondi per spostarsi dalla sua posizione iniziale lo spartiacque per la vicina posizione di equilibrio. Quindi, un framerate di 30 fps permette un'incertezza di meno dell'1%.
    4. Montare la piastra di riscontro per il reometro.
    5. Impostare la distanza di misurazione a 2 mm.
      Nota: La messa a fuoco della fotocamera superiore dovrà essere regolato leggermente a causa della presenza della piastra di Plexiglas.
    6. Regolare il sistema di imaging progettato per la registrazione il moto delle particelle dal lato attraverso il vetrino trasparente.
      1. Aprire la fotocamera CMOS 4912 x 3684 del sistema di imaging installato nella parte anteriore del contenitore e di start up il video dal vivo.
      2. Regolare la verticale e la fase di posizionamento orizzontale disposto parallelamente il reometro finché il tallone contrassegnato appare al centro dell'immagine.
      3. Regolare lo zoom modulare fino a quando il campo di vista include la superficie superiore del substrato, il tallone e la parte inferiore del disco misura.
      4. Regolare la fase di posizionamento orizzontale posizionata perpendicolare al reometro a concentrarsi sul tallone.
      5. Aprire la finestra di dialogo per l'impostazione dei parametri di macchina fotografica e regolare il frame rate a 30 fps.
  3. Determinare la velocità di rotazione critica per l'inizio del movimento.
    1. Aumentare linearmente la velocità di rotazione, n, da 0,02 a 0,05 giri al secondo in piccoli incrementi di 0,00025 giri al secondo utilizzando il software del reometro.
      1. Nella finestra degli strumenti di misura, fare doppio clic sulla cella per il tipo di controllo e modificare l'intervallo di velocità da 0,02 a 0,05 giri al secondo.
      2. Doppio clic sull'impostazione di tempo e immettere il numero di misurazione punti, 60 e la durata di ogni misura, 5 s.
      3. Impostare una tabella che rappresenta la velocità di rotazione in funzione del tempo.
    2. Aprire il video in diretta dalle telecamere superiore e laterale. Avviare la registrazione di una sequenza video da entrambe le telecamere utilizzando il software di imaging.
    3. Avviare la misurazione utilizzando il software del reometro.
      Nota: Un esperimento preliminare con una maggiore dimensione di passaggio è consigliabile prima del passaggio 1.3.1.1 al fine di stimare approssimativamente la gamma di velocità alla quale il movimento incipiente accadrà. A distanza di 21 mm dall'asse rotazione e usando l'olio di silicone di 100 MPa · s, per esempio, il branello di vetro si muove a rotazione velocità di circa 0,035 giri al secondo. Quindi, una gamma da 0,02 a 0,05 giri al secondo sembra appropriata per l'esperimento.
    4. Guardate attentamente il video in diretta dall'alto o dalla fotocamera sul lato e interrompere la misurazione quando il tallone si sposta dalla sua posizione di equilibrio. Nota la velocità alla quale il tallone attraversa la separatrice per la vicina posizione di equilibrio. La velocità di rotazione indicata rappresenta la velocità critica di rotazione, nC. Interrompere le sequenze di video.
      Nota: Assicurarsi che la dimensione del passo è abbastanza piccolo che l'aumento della velocità durante l'intervallo di tempo che il tallone richiede lo spostamento dalla posizione iniziale a quella vicina non riguarda più di 1% del valore critico.
    5. Posizionare il tallone nella sua posizione originale. Questo può essere fatto spostando manualmente il piatto rotante fino a quando il tallone si sposta indietro di una posizione. Ripetere l'esperimento cinque volte rilevando la velocità critica di media e la deviazione standard.
    6. Ripetere i passaggi 1.3.1 a 1.3.5 con una perlina contrassegnato differente in 2 posizioni adiacenti al centro del substrato.
  4. Analizzando i dati.
    1. Determinare la modalità di movimento: analizzare la sequenza di immagini registrate in precedenza dall'alto o di lato con l'algoritmo come descritto in Agudo et al 201739.
    2. Determinare il numero di scudi critico e la cesoia numero di Reynolds.
      1. Ottenere il numero di scudi critico dalla seguente equazione40
        Equation 05(1)
        dove Equation 06 è stata ottenuta dal punto 1.3.4, Equation 06 è la viscosità cinematica, Equation 08 e Equation 09 sono delle particelle e densità del liquido, rispettivamente, Equation 10 è l'accelerazione di gravità e Equation 11 è il diametro dei grani mobile, tutti li noti. Equation 12 è la larghezza di spacco, definita come la distanza dalla parte superiore delle sfere substrato alla piastra di misurazione, vale a dire 2 mm e r è la distanza radiale della particella dall'asse di rotazione, cioè 21 mm.
      2. Ottenere il taglio numero di Reynolds, Re * base alla velocità di taglio, dalle equazioni seguenti:
        Equation 13(2)
    3. Ripetere la procedura da 1.1.3 a 1.4.2 usando un substrato di regolare diverso.
    4. Utilizzare perlina diverse densità e viscosità dei fluidi diversi al fine di coprire una vasta gamma di Re * da strisciante condizioni di flusso fino a 1.

2. il moto della particella incipiente al Regime turbolento idraulicamente transitorio e ruvido.

Nota: Le misure sono condotte in un su misura bassa velocità vento-tunnel con sezione di prova aperta jet, tipo di Gottinga.

  1. Preparare il sistema di imaging.
    1. Difficoltà il substrato quadratico nel mezzo della sezione di prova.
    2. Posto una perlina di allumina 5mm segnata in precedenza sulla posizione iniziale desiderata (110 mm dal bordo superiore e 95 mm dal bordo laterale).
    3. Collegare la fotocamera ad alta velocità accoppiata alla lente macro al computer e accenderlo. Regolare l'obiettivo macro fino a quando il tallone di destinazione è chiaro nell'immagine.
    4. Avviare il software di imaging sul computer. Attivare "Videocamera Live" e impostare il "Sample rate" a 1000 fps.
    5. Accendere la sorgente luminosa a LED e regolare l'intensità, come pure la messa a fuoco della fotocamera per ottenere un'immagine chiara della particella e relativi contrassegni.
      Nota: Assicurarsi che almeno uno dei segni è posizionato ad una distanza di circa il 75% del raggio della perla o più grandi rispetto all'asse di rotazione (Vedi Figura 3(a) come riferimento).
  2. Determinare la velocità della ventola critico per l'inizio del movimento.
    1. Impostare la velocità del ventilatore ben di sotto del valore critico (circa 1400 giri/min per il tallone di allumina di 5 mm).
    2. Avviare la registrazione premendo il grilletto il software di imaging.
    3. Aumentare la velocità in passi di circa 4 a 6 giri/min ogni 10 s fino a quando si verifica il movimento incipiente.
    4. Nota il valore di velocità critica alle quali movimento incipiente si verifica e interrompere la sequenza video.
    5. Inserire una nuova perlina contrassegnata nella stessa posizione iniziale e ripetere la procedura da 2.2.1 a 2.2.4 dieci volte. Nota la velocità critica per ogni misurazione.
    6. Ripetere la procedura da 2.2.1 a 2.2.5 alla stessa distanza dal bordo superiore ma a 65 e 125 mm dal bordo laterale, rispettivamente. Nota la velocità critica per ogni misurazione.
  3. Preparando la temperatura costante anemometro (CTA) a filo caldo.
    1. Impostare la funzione di controllo CTA al tuo fianco e la resistenza del decennio alle 00.00. Accendere l'alimentazione principale e attendere circa 15-20 minuti per riscaldarsi.
    2. Collegare la sonda in corto circuita e attivare la funzione di controllo CTA per misura di resistenza. Regolare gli zero ohm fino a quando l'ago è posizionato nel marchio rosso e passare nuovamente la funzione di controllo in modalità standby.
    3. Sostituire la sonda corto dalla sonda a filo caldo in miniatura. Attivare la funzione di controllo CTA per misura di resistenza. Regolare i parametri di resistenza fino a quando l'ago è posto nel segno rosso.
      Nota: La resistenza misurata corrisponde alla resistenza al freddo della sonda in miniatura. Il valore misurato deve essere in accordo con il valore fornito dal produttore (3.32 Ω).
    4. Attivare la funzione CTA per stand by e regolare il decennio di resistenza a 5,5 Ω per raggiungere un rapporto di surriscaldamento di circa il 65%.
    5. Misurare la risposta in frequenza del CTA alla media velocità critica (punto 2.2.4).
      1. Accendere il ventilatore e impostare la velocità di rotazione del ventilatore sul valore critico, circa 1400 giri/min. Accendere l'oscilloscopio.
      2. Accendere il generatore di onda quadra del CTA.
      3. Avviare il software dell'oscilloscopio sul computer e aprire il modulo CSV per abilitare la registrazione dei dati. Scegliere il canale (CH1) e salvare i dati di registrazione cioè tempi e tensione, sotto il nome di file desiderato. Attendere fino a quando le misurazioni finitura (circa 3 min).
        Nota: La frequenza di taglio viene calcolata dal tempo di risposta in cui la tensione è scesa ad un livello di - 3db (Vedi Figura 4(a)).
      4. Spegnere il generatore di onda quadra e impostato la funzione CTA in modalità standby.
  4. Calibrare il CTA.
    1. Attivare la funzione CTA di operare. Assicurarsi che la sonda è regolata ad un'altezza sufficiente lontano la piastra in modo che si trova nella zona di flusso libero.
    2. Impostare la velocità di rotazione del ventilatore a 200 giri/min. Misurare la velocità longitudinale nella zona streaming gratis usando l'anemometro girante e leggere la tensione sull'oscilloscopio.
    3. Ripetere il passaggio 2.4.2 per diverse velocità di rotazione con un incremento fisso di 50 giri/min fino a circa 1450 rpm (un totale di 26 letture).
    4. Stabilire una correlazione tra il numero di giri e la velocità calcolata gratis-flusso longitudinale, Equation 14 . Ottenere la velocità critica, Equation 15 , corrispondente alla velocità di rotazione critica per ciascuna delle misure effettuate da passaggi 2.2.5 a 2.2.6. Calcolare la velocità media di flusso libero critica, Equation 16 e la deviazione standard delle misurazioni.
    5. Stabilire una correlazione tra la velocità e la tensione secondo un adattamento polinomiale di terzo grado:
      Equation 17(3)
      Qui, Equation 18 è la velocità longitudinale misurata in m/s, Equation 04 è la tensione misurata in Volt (V), e Equation 19 sono i coefficienti di forma. Le curve di calibrazione sono illustrate in Figura 4(b) prima e dopo le misurazioni del profilo di velocità.
  5. Misurare la velocità longitudinale con la posizione di muro-normale in condizioni critiche.
    1. Rimuovere il tallone contrassegnato dal substrato.
    2. Regolare il volantino dello stage posizionamento orizzontale fino a quando la sonda a filo caldo è posta nella posizione iniziale desiderata (110 mm dal bordo superiore e 95 mm dal bordo laterale).
    3. Regolare accuratamente il volantino della verticale fase di posizionamento fino a quando la sonda è posizionata come vicino possibile alla superficie del substrato. Vedere attraverso la telecamera accoppiata alla lente macro per assicurarsi che il filo non tocchi la superficie del substrato. Impostare il valore zero nell'indicatore di livello digitale in quella posizione.
      Attenzione: Il filo caldo è molto sensibile e se tocca la superficie si romperà. Per motivi di sicurezza, abbiamo posto la sonda ad una distanza di 0,05 mm sopra il piano della sfera substrato (Vedi Figura 1(e) come riferimento). Questo rappresenta un componente di muro-normale normalizzato Equation 20 dove Equation 21 è la misurazione del valore, a partire Equation 22 è la velocità di taglio e Equation 23 è la viscosità cinematica dell'aria alla temperatura di funzionamento. Si noti che il valore iniziale è inferiore a Equation 24 dove la viscosità è dominante55.
    4. Impostare la velocità di rotazione del ventilatore per la velocità di rotazione media in cui si verifica il movimento incipiente, vedi punto 2.2.4. La velocità di flusso libero corrisponde dunque a Equation 25 .
    5. Regolare la frequenza di campionamento a 1 kSa e il numero di campioni da 6000 sull'oscilloscopio (Totale tempo di campionamento di 6 s). Scegliere il canale (CH1) e avviare la misurazione. Salvare i dati di registrazione sotto il nome di file desiderato. Attendere fino a quando le misurazioni finitura (circa 3 min).
    6. Aumentare la posizione di muro-normale della sonda in incrementi di 0,01 mm fino a 0,4 mm e da un incremento di 0,1 mm fino all'altezza di 10mm. Ciò corrisponde ad un totale di 137 punti per la curva del profilo di velocità. Salvare i dati registrati per ogni altezza.
  6. Analizzando i dati.
    1. Calcolare la velocità media longitudinale e l'intensità turbolenta per ogni posizione di parete normale.
      1. Eseguire l'algoritmo di auto-sviluppato per valutare le grandezze statistiche. Aprire lo script e selezionare la cartella contenente la curva di taratura e i dati memorizzati per ogni altezza misurata.
        Nota: Lo script prima calcola i coefficienti di forma dalla curva di taratura come mostrato in EQ. 3. Per ogni altezza, calcola la velocità istantanea longitudinale, Equation 26 tramite EQ. 3 e calcola la scala di tempo integrale con il metodo di autocorrelazione56. Successivamente, calcola la media di tempo, Equation 27 e la velocità di radice quadrata, Equation 28 , per i campioni che sono separati da due volte il tempo integrale necessario per l'analisi tempo-mediata.
      2. Tracciare la posizione verticale adimensionale, Equation 29 contro la velocità media di tempo longitudinale adimensionale Equation 30 , dove Equation 31 è il diametro delle sfere substrato. Trama Equation 29 contro la velocità di adimensionale radice quadrata Equation 32 . Figura 4 (c)-(d) raffigura i risultati per il caso di microsfera di allumina di 5 mm.
    2. Calcolare la velocità di taglio da dati sperimentali.
      1. Misura la velocità media di tempo adimensionale con la distribuzione di velocità logaritmica57
        Equation 33(5)
        dove Equation 34 è la velocità di taglio, Equation 35 è la costante di von Kármán e Equation 36 è una costante che dipende la cesoia Reynolds numero26. La linea continua in Figura 4(c) è una misura logaritmica per la velocità media di tempo.
        Nota: Dal fit ai dati sperimentali, può essere dimostrato che la velocità di taglio, Equation 34 è dato da:
        Equation 37(6)
        dove Equation 38 è il coefficiente di forma logaritmico e Equation 39 20.
        Il sottolivello viscoso, Equation 40 rimane sopra la parte superiore delle sfere substrato nei nostri esperimenti. Nello scenario più rigoroso, EQ. 5 dovrebbe essere sostituita dalla legge modificate velocità presentata da Rotta20,58.
        Equation 41(7)
        dove Equation 42 e Equation 43 . Equation 40 è lo spessore di sottolivello viscoso che può essere calcolato approssimativamente da Equation 44 55.
        L'algoritmo calcola direttamente la velocità di taglio dal fit di dati sperimentali a EQ. 5 e 7 EQ.. I simboli blu in Figura 4(c) rappresentano l'adattamento ai dati sperimentali secondo EQ. 7.
        Al Re * sopra 70, Equation 40 rappresenta fino al 5% del diametro della perla mobile e utilizzando una vestibilità da EQ. 5 o 7 EQ. comporta una variazione su Equation 22 all'interno della gamma adottata di incertezza. Confrontare la linea continua e simboli blu in Figura 4(c) a un Re * di circa 87,5.
    3. Determinare la modalità di movimento: analizzare la sequenza di immagini registrate in precedenza dal lato con l'algoritmo come descritto in Agudo et al 201739.
    4. Determinare il numero di scudi critico e la cesoia numero di Reynolds.
      1. Ottenere il numero di scudi critico dal seguente equazione22
        Equation 34(8)
        dove Equation 34 è stata ottenuta dal punto 10.2, Equation 08 e Equation 46 sono delle particelle e densità fluida, rispettivamente, Equation 10 è l'accelerazione di gravità e Equation 11 è il diametro dei grani mobile, tutti loro noto.
      2. Ottenere la particella Reynolds numero, Re *, dalle equazioni seguenti:
        Equation 47(9)
      3. Ripetere la procedura per la misurazione del profilo di velocità in funzione della coordinata della parete normale, passo 2.5, alla stessa distanza dal bordo superiore ma a 65 e 125 mm nella direzione della larghezza, rispettivamente.
      4. Ripetere la procedura dal 2.1 al 2.6.4.3 utilizzando formati del branello differenti e substrati regolari.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figura 1 (a) rappresenta uno schizzo della disposizione sperimentale usato per caratterizzare il numero critico di scudi nel limite flusso strisciante, sezione 1 del protocollo. Le misurazioni sono effettuate in un reometro rotazionale che è stato modificato per questa specifica applicazione. Una piastra di Plexiglas trasparente di 70 mm di diametro con attenzione è stata fissata ad una piastra parallela di 25 mm di diametro. L'inerzia del sistema di misurazione è stato riadattato pertanto prima della misurazione. Un contenitore di forma circolare su misura di 176 mm di diametro, con pareti trasparenti concentrico è stato accoppiato a reometro. Un taglio verticale è stato effettuato nella parte anteriore. Un vetrino da microscopio è stato riparato con attenzione la sezione frontale per migliorare l'imaging. Il profilo di impostazione di gap è stato riadattato per tener conto della presenza del contenitore. La velocità di targa è stata minimizzata vicino l'interfaccia fluida per evitare il movimento del tallone prima di iniziare la misurazione. In tale sistema, il tallone singolo possono essere otticamente monitorati dall'alto attraverso la piastra trasparente, Vedi Figura 1(b)o dal lato attraverso le pareti laterali trasparenti, Vedi Figura 1(c). Un profilo di flusso di Couette è indotta fra il piatto rotante ed il substrato. Di conseguenza, la velocità di taglio critico è dato da Equation 48 . Di conseguenza, il numero di scudi critico e la cesoia numero di Reynolds possono essere definiti come EQ. 1 e 2 EQ., rispettivamente. Il set-up utilizzato nella sezione 2 del protocollo è illustrato in Figura 1(d). Le misure sono condotte in un su misura bassa velocità vento-tunnel con sezione di prova aperta jet, tipo di Gottinga. I substrati regolari di 19x25 cm2 si trovano nel mezzo della sezione di prova. La velocità della ventola e quindi la velocità del fluido è regolata con un convertitore di frequenza connesso al ventilatore soffiante. Un strato limite turbolento è indotta sopra il substrato regolare. Il profilo di velocità viene misurato con un filo caldo sonda in miniatura specializzato progettato per misurare lo strato di contorno (Vedi Figura 1(e)) accoppiato ad un anemometro a temperatura costante (CTA). La posizione di parete normale, y, è controllata con una fase verticale che può essere riposizionata all'interno di circa 0,01 mm. La posizione è misurata con un indicatore di livello digitale con una risoluzione di 0,01 mm. In regime turbolento completamente grezzo (in genere Re * > 70), la velocità di taglio può essere dedotto da una vestibilità dei dati sperimentali alla legge logaritmica parete, 5 EQ.59. Nell'idraulicamente regime di transizione, la velocità di taglio viene dedotto da una vestibilità alla legge muro modificate, 7 EQ.58. Il numero critico di scudi e la cesoia numero di Reynolds può essere ottenuti dalla velocità di taglio, come espresso in EQ. 8 e 9 EQ., rispettivamente.

Figure 1
Figura 1: schizzo della disposizione sperimentale utilizzato alle condizioni laminare (a). una perlina mobile di µm di diametro (405.9 ± 8,7) che riposa sul substrato quadratico fatto delle sfere delle stesse dimensioni con una spaziatura di 14 µm tra di loro hanno visto dall'alto (b) e dal lato (c), rispettivamente. Schizzo della disposizione sperimentale utilizzato alle condizioni di turbolenza (d). Due perle mobile di (3.00 ± 0.15) mm e (5.00 ± 0.25) mm che riposa su un substrato quadratico con nessuna distanza tra sfere di (2.00 ± 0.10) mm vicino la sonda di filo caldo in miniatura (e). La sonda va posizionata ad una distanza di circa 0,05 mm dalla parte superiore della sfera substrato. Figura 1 (d) è riprodotto dal 2017a et al. Agudo39, con il permesso di pubblicazione AIP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Una routine di processo di immagine che analizza perline contrassegnati è stata sviluppata in precedenti studi39 per calcolare l'angolo di rotazione del tallone all'inizio del movimento. Figura 2 e Figura 3 mostrano esempi di applicabilità alle laminare, Re * = 0.06 e turbolente condizioni, Re * = 87.5, rispettivamente. Utilizzando sfere contrassegnati, abbiamo ottenuto lo stesso numero di scudi critico per quanto riguarda le perline senza contrassegni all'interno di incertezza di misura. Basato sul rilevamento dei bordi Canny e trasformata di Hough, la routine è in grado di riconoscere il tallone con incertezze relative compresa tra 1,2 e 4%39. L'angolo di rotazione è determinato tracciando segni basati su una soglia di scala di grigi. L'incertezza, in questo caso, aumenta fino a valori assoluti che vanno dal 7 ° al 17 °, a seconda l'imaging system39. Istantanee in Figura 2(a) – (f) illustrano esempi rappresentativi per il branello di vetro singolo di (405.9 ± 8,7) µm spostando dalla sua posizione di equilibrio iniziale a quella successiva su un substrato quadratico di perline dello stesso dimensioni con un gap di 14 µm tra sfere. Il video è stato registrato dall'alto attraverso il sistema di misura trasparente come descritto nella sezione 1 (Vedi punto 1.2.3). Figura 2 (g) Mostra l'angolo di rotazione durante lo spostamento in funzione della traiettoria curva Equation 49 lungo il substrato (si veda il riquadro della Figura 2(g)). La traiettoria è normalizzata per la distanza percorsa dal tallone lungo il percorso curvo tra due posizioni di equilibrio, Equation 50 . La linea tratteggiata in Figura 2(g) rappresenta l'angolo per puro rotolamento. Il tallone singolo esperienze una rotazione totale di ° (140 ± 8,5) che coincide con l'angolo per il moto di rotolamento puro, che ha anche un valore di circa 140°. Rotolamento è dunque la modalità di movimento incipiente ed EQ. 1 può essere utilizzato per caratterizzare il moto della particella incipiente.

Figure 2
Figura 2: istantanee durante il movimento incipiente di una marcata perlina di diametro µm (405.9 ± 8,7) sul substrato quadratico con una spaziatura di 14 µm al Re * di circa 0,06 (a)-(f). La croce rossa e la linea verde rappresentano il centro della sfera, e il contorno della perla ottenuti dall'algoritmo, rispettivamente. I cerchi blu rappresentano la traiettoria del centro geometrico del marchio. Flusso da sinistra a destra. Le istantanee sono riprodotte da Agudo et al (2017) un39, con il permesso di pubblicazione AIP. Angolo di rotazione in funzione della traiettoria curva lungo due posizioni di equilibrio (g). Le istanze di tempo di istantanee sono indicate nel diagramma. La linea tratteggiata indica l'angolo di rotazione per un moto di rotolamento puro. Figura 2 (g) viene riprodotto da Agudo et al (2014)41, con il permesso di pubblicazione AIP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Istantanee in Figura 3(b) – (e) rappresentano un esempio per un tallone di allumina (5 ± 0.25) mm dislocante quattro posizioni sopra un substrato quadratico fatto delle sfere di (2.00 ± 0.10) mm con no-spazio tra di loro. Il video è stato registrato dal lato come sezione 2 (Vedi passi 2.2.1-2.2.4). L'angolo misurato concorda con quella teorica durante un percorso che copre circa la prima posizione di due equilibrio (Vedi Figura 3(g)). Quindi, rotolamento si presume per essere la modalità di movimento incipiente ed EQ. 8 può essere utilizzato per calcolare il numero di scudi critico. Dopo la seconda posizione di equilibrio, tuttavia, l'angolo di rotazione misurato sembra discostarsi dal moto di rotolamento puro. La linea rossa in Figura 3(f) rappresenta la traiettoria del tallone durante un percorso più lungo di circa 17 posizioni sopra il substrato. Dalla traiettoria, possono essere individuata come la particella sperimenta piccoli voli durante il suo moto lungo il substrato.

Figure 3
Figura 3: istantanee durante il movimento incipiente di un cordone di contrassegnato (5.00 ± 0.25) mm di diametro sul substrato quadratico con nessuna distanza tra sfere al Re * di circa 87.5 (a) - (e). La croce rossa e la linea verde rappresentano il centro della sfera, e il contorno della perla ottenuti dall'algoritmo, rispettivamente. I cerchi blu rappresentano la traiettoria del centro geometrico del marchio. Le croci rosse in (f) rappresentano la traiettoria del centro della perlina lungo circa 17 posizioni lungo il substrato. Flusso da sinistra a destra. Angolo di rotazione in funzione della traiettoria curva lungo quattro posizioni di equilibrio (g). Le istanze di tempo di istantanee sono indicate nel diagramma. La linea tratteggiata indica l'angolo di rotazione per un moto di rotolamento puro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4 (a) illustra il test di onda quadra per stimare la risposta in frequenza del CTA alle velocità di flusso libero critica per il tallone di allumina di (5 ± 0.25) mm (Vedi punto 2.3.5). Il tempo richiesto per la tensione di cadere dal 97%, Equation 51 , è di circa 0,1 ms. di conseguenza, la risposta in frequenza, data da Equation 52 60, si traduce in circa 7,7 kHz. Dalla Figura 4(a), possono essere individuata che il undershoot rimane ben di sotto del 15% della risposta massima. Questo indica che i parametri CTA, compreso il rapporto di surriscaldamento a filo caldo, sono correttamente tunned61. La taratura delle curve per esempio illustrativo sono mostrati in Figura 4(b) prima (quadrati rossi), e dopo le misurazioni della velocità del profilato (cerchi neri). Entrambe le curve si sovrappongono a vicenda che indica che nessun cambiamento si è verificato durante l'esperimento. Per il tallone di allumina di (5 ± 0.25) mm, la velocità media e la velocità di radice quadrata vengono tracciate come una funzione del componente muro-normale normalizzato in Figura 4(c) e 4 (d), rispettivamente. Sono ottenuti come descritto nei passaggi da 2.5.1 a 2.6.1 del protocollo. Entrambe le velocità sono normalizzate con la velocità di flusso libero critica. Dal valore massimo a Equation 32 , si può dimostrare che lo spessore misurato sottolivello viscoso è circa 0,25 mm. La linea continua in Figura 4(c) rappresenta una misura ai dati sperimentali secondo la legge logaritmica velocità, 5 EQ., mentre la linea blu rappresenta una misura dei dati secondo la legge di velocità modificata proposta dal Rotta20 , 58, EQ. 7. In questo caso, entrambi fit sono in buon accordo poiché il sottolivello viscoso rappresenta solo un 5% del diametro del tallone mobile. Di conseguenza, la velocità di taglio ottenute da entrambi si adatta differisce da meno dell'8%. Figura 4 (e) illustra l'azione delle forze fluttuante sul moto incipiente dalla prospettiva di criterio di energia come dichiarato da Valyrakis et al 201362. La linea continua Mostra una parte della storia temporale del cubo della velocità istantanea longitudinale, Equation 53 , misurato ad una distanza di metà del diametro del tallone di allumina mobile dal substrato. La velocità è stata conservata a una frequenza di campionamento di 25 kSa per questa misura specifica. La linea blu rappresenta il cubo della velocità media, Equation 54 . La linea rossa tratteggiata rappresenta il cubo della velocità critica calcolata come in Valyrakis et al. 201163

Equation 55(10)

dove Equation 56 è il coefficiente di massa idrodinamico, approssimativamente uguale a 1 nei nostri esperimenti, e Equation 57 è il coefficiente di resistenza considerato uguale a 0,9 come considerato nel Valyrakis et al. 201163. Equation 58 e Equation 04 sono calcolate come indicato in EQ. 11 e 12, rispettivamente. La potenza di flusso istantaneo è una funzione lineare del cubo della velocità62. Di conseguenza, i picchi su Equation 53 sopra il valore critico può essere considerato come un potenziale innesco per moto incipiente della particella se la durata di tali eventi di flusso durano abbastanza62. L'algoritmo di auto-sviluppato stima la durata degli eventi di flusso energetico valutando l'intersezione di Equation 53 con la linea orizzontale Equation 59 lungo l'intero esperimento. Nell'esperimento illustrativo raffigurato nella Figura 4, la durata degli eventi di flusso energetico è dell'ordine di 1-2 ms con un massimo di 2,1 ms.

Figure 4
Figura 4: risultati rappresentativi ottengono con il filo caldo CTA nel tratto di prova della galleria del vento di bassa velocità all'inizio del movimento del tallone dell'allumina di (5 ± 0.25) mm che riposa su un substrato quadratico con nessuna distanza tra sfere (a) risposta in frequenza del CTA dopo una prova di onda quadra (b) curve prima (quadrati rossi) e dopo le misure del profilo di velocità (cerchi neri). La linea continua indica una terza tendenza polinomiale adatta ai dati. I coefficienti di forma sono raffigurati nella rientranza della figura (c) profilo di velocità longitudinale mediato nel tempo. La linea continua e simboli blu indicano una misura secondo la legge logaritmica e modificate la parete, rispettivamente la gamma (d) il profilo di velocità longitudinale quadratico medio all'interno di una piccola altura. Il sottolivello viscoso misurato è circa 0,25 mm (e) una parte della storia temporale del cubo della velocità longitudinale istantanea misurato ad una distanza di metà del diametro del tallone di allumina mobile dal substrato. La linea blu indica il cubo della velocità longitudinale mediato nel tempo. La linea rossa tratteggiata indica che il cubo della velocità critica calcolata come in Valyrakis et al. 201164. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5 (a) rappresenta la critica dipendenza numero di scudi in funzione del grado sepoltura definita come Martino et al. 2009 di Equation 60 37. I simboli segnati in rosso sono la soglia ottenuta dagli esempi illustrativi nel protocollo. L'angolo di riposo e il grado di esposizione sono geometricamente accoppiati nelle nostre strutture regolari. L'angolo di riposo può essere analiticamente calcolato come segue:

Equation 61(11)
dove l'apice Equation 62 si riferisce alla geometria triangolare e Equation 63 si riferisce alla geometria quadratica con spaziatura Equation 64 tra sfere. Allo stesso modo, il grado di esposizione definito come l'area della sezione trasversale esposto al flusso produce:

Equation 65(12)
dove Equation 66 è l'angolo l'angolo tra la superficie della perla efficace livello zero e l'asse verticale (si veda il riquadro della Figura 5). Per il triangolare e il substrato quadratico con spaziatura Equation 64 tra sfere, si può dimostrare che:

Equation 67(13)
dove Equation 68 è un efficace livello zero sotto la parte superiore del substrato (si veda il riquadro della Figura 5). Nel limite di flusso strisciante, simulazioni numeriche indicano che l'efficace livello zero aumenta linearmente con la spaziatura Equation 64 : Equation 69 . Alle più grandi Re *, l'efficace livello zero è presupposto per essere costante Equation 70 come sperimentalmente dimostrato da Dey et al. 201264. Per Re * compresa tra 40 e 150, la sollecitazione di taglio è stata arguita usando la legge di parete modificate che include il regime di flusso idraulico transitorio. La linea punteggiata e tinta sono le tendenze di potenza montate ai dati sperimentali. Come illustrato nella Figura 5, il numero aumenta critico di scudi in funzione del grado sepoltura che mostra la forte influenza di schermatura parzialmente la particella per il taglio di flusso. Questo include confronto triangolare per configurazioni di substrato quadratica e diametri differenti perline mobile. L'influenza della geometria del letto di sedimento sembra essere più pronunciato a Re maggiore *. Per lo stesso grado di protrusione, il numero critico di scudi al Re * sotto 1 rimane ben di sopra del valore a Re * compresa tra 40 e 150.

Figure 5
Figura 5: dipendenza del numero di scudi critico il grado di sepoltura da laminare a condizioni di flusso turbolento. Al Re * < 1, triangoli, quadrati, cerchi e rombi indicano i risultati ottenuti con substrati triangolari e quadratici con una spaziatura di µm 14, 94, 109, rispettivamente. Aperto e solido simboli rappresentano esperimenti effettuati con meno viscoso e più viscoso oli, rispettivamente. A 40 < Re * < 150, triangoli e quadrati indicano gli esperimenti eseguiti con substrati triangolari e quadratici con nessuna distanza, rispettivamente. Nero, blu, rosso, verde e viola indicano gli esperimenti eseguiti con vetro, acciaio, allumina, polistirene sulfonato e Plexiglas, rispettivamente. I dati al Re * < 1 sono riprodotti da Agudo et al (2012)38, con il permesso di pubblicazione AIP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Presentiamo due diversi metodi sperimentali per caratterizzare il moto della particella incipiente in funzione della geometria del letto di sedimenti. A tal fine, utilizziamo un monostrato di sfere regolarmente organizzato secondo una simmetria triangolare o quadrata in modo tale che il parametro geometrico si semplifica in una singola geometria. Nel limite di flusso strisciante, descriviamo il metodo sperimentale utilizzando un rotametro rotazionale per indurre il flusso laminare al taglio come in precedenti studi39,40,41. Esperimenti preliminari hanno mostrato che l'incipiente movimento rimase indipendente degli effetti di dimensione finita del substrato come la posizione radiale, o la distanza dal confine a Monte del substrato38. Allo stesso modo, il numero di scudi critico è stato trovato per essere indipendente la sommersione di scorrimento relativo all'interno di un intervallo Equation 71 che vanno da 2 a 12 e indipendente di inerzia fino a un Equation 72 di circa 338. Superiore a questo valore, è stato osservato un aumento del numero di scudi critici in conseguenza di interferenze dovute ad un flusso secondario indotto da piatto rotante. Questo fattore limitato il massimo Equation 72 per la procedura sperimentale descritta nella prima parte del manoscritto. Il secondo metodo sperimentale è progettato per affrontare l'idraulicamente transitorio e il regime di flusso turbolento agitato. La sollecitazione di taglio è indotta da una galleria del vento di bassa velocità. Al fine di stabilire un range di parametri indipendenti di qualsiasi dimensione o contorno effetto del substrato, abbiamo intrapreso misure dello strato limite turbolento a distanze di 50, 80, 110, 140, 170 e 200 mm dal bordo superiore. A 50, 80, 110 e 200 mm, lo strato limite è stato misurato in 4 diverse posizioni nella direzione della larghezza, 55, 65, 95 e 125 mm da uno dei bordi del substrato. A 140 e 170 mm, lo strato limite è stato misurato a due diverse posizioni nella direzione della larghezza, 65 e 95 mm da uno del bordo di substrato. Tutte le misurazioni sono state effettuate alle condizioni di velocità di flusso libero critica, Equation 73 per un (5.00 ± 0.25) mm perle di vetro che riposa su un substrato triangolare composto (2.00 ± 0,10) mm perline. Entro l'intervallo compreso tra 80 e 200 mm, il fattore di forma ha variato fra 1.3 e 1.5 come previsto per strati limite turbolento57. I profili di velocità alla stessa distanza dal bordo superiore erano in buon accordo con a vicenda, rivelando logaritmici coefficienti che variano dal 5% fino al 10% indipendentemente dalla direzione della larghezza. Intervallo di parametri nella descrizione del protocollo selezionato viene scelto con cura per garantire che gli scudi critici numero rimasto indipendente di qualsiasi effetto di contorno della disposizione sperimentale. Questo vale per entrambi i metodi sperimentali.

La soglia di incipiente movimento dipende dalla modalità di movimento che a sua volta è una funzione di proprietà geometriche del letto come l'esposizione della particella. Agli alti numeri di Reynolds, incipiente movimento è probabile che accada da dolci se la particella è molto esposto alla portata14,65. Per singole particelle che sono quasi completamente schermate dai vicini, tuttavia, di sollevamento può essere una modalità più appropriato14. Alle condizioni di laminare, la situazione semplifica poiché portanza è solitamente trascurato16,17,40,44,45,66 e rotolamento o scorrevole è presupposto per essere la principale modalità per movimento incipiente. Per caratterizzare correttamente il numero di scudi critico come una funzione della geometria del letto, la modalità di movimento deve prima essere analizzata a fondo. A tale scopo, abbiamo registrato il moto della particella e abbiamo usato un algoritmi di processo di immagine che calcola l'angolo di rotazione del tallone39. Se questo valore corrisponde l'angolo teorico per puro rotolamento come raffigurato in Figura 2 (g) o nell'intervallo iniziale di Figura 3(g), gli scudi critici numero può essere dedotto tramite EQ. 1 e 8 EQ. per le sezioni 1 e 2 del protocollo , rispettivamente. L'algoritmo identifica posizioni delle particelle e contrassegni per studiare il movimento rotatorio e scorrevole con un minimo di interventi di uomo. Il tracciamento della particella è basato su un rivelatore di Canny edge e la trasformata di Hough. Questa combinazione ha dimostrata di fornire uno strumento robusto e affidabile nello studio trasporto granulare processi1,39,67,68. D'altra parte, il rilevamento dei segni si basa sulla semplice soglia di scala di grigi. Lo svantaggio principale dell'algoritmo è che la soglia dovrà essere regolata a seconda del sistema di imaging. Sebbene l'algoritmo prende in considerazione geometrica sanzioni s i marchi, il monitoraggio è più suscettibile di errori causati da livelli di soglia differenti e fluttuazioni di intensità della luce, come si può vedere, per esempio, dal cerchio blu che indica la centroide di un marchio vicino al centro della perla nello snapshot di Figura 3 (e) e 3. Per ulteriori applicazioni, ci proponiamo di utilizzare tecniche di cross-correlazione per rilevare marchio spostamenti tra i fotogrammi successivi. Questo potrebbe permetterci di realizzare un sub-pixel risoluzione69 e può migliorare la rilevazione dell'angolo quando molti contrassegni sono presenti.

Definizioni differenti per la soglia delle particelle sono trovate nella letteratura. Alle condizioni di laminare, come considerato nella sezione 1, il numero di scudi critico come un parametro adimensionale per l'inizio del movimento solitamente è definito come indicato in EQ. 1, cioè con la sollecitazione di taglio caratteristica come Equation 74 32,34 ,36,70. Altri parametri adimensionali come il numero di Galileo si trovano anche nel flusso laminare37. Questa scelta, tuttavia, potrebbe sembrare sufficiente alle particelle più alte numeri di Reynolds dove inerzia è più rilevante di attrito. La definizione data in EQ. 1 sembra essere particolarmente adeguato nel limite strisciante-flusso di cui è stato dimostrato che un approccio di modellazione deterministico è valido quando il parametro geometrico è semplificato per una struttura regolare40. Questa affermazione è in accordo con deviazioni standard massime dell'ordine di 5-7%, misurata con il sistema sperimentale descritto nella sezione 1. La deviazione standard come previsto al punto 1.4.2.3, caratterizza casuale errore associato con il reometro e con fluttuazioni a causa di imperfezioni locali sul substrato o nella dimensione del tallone. Si noti che le fluttuazioni nelle forze idrodinamiche non sono attesi al Re * di sotto di uno. Usando il substrato quadratico con una spaziatura fra le perle di 14 µm, abbiamo ottenuto un numero critico di scudi uguale a 0.040 ± 0.00238. La deviazione standard è stata determinata tenendo conto di tutte le misure individuali di Figura 5, i. e., cinque diverse viene eseguito per ogni combinazione di materiali in tre diverse posizioni locali. Valori fino a 7% per la deviazione standard sono disponibili per altre configurazioni di substrato che dimostra la precisione del metodo. Vale la pena qui di osservazione, che oltre a deviazioni nel filo maglia taglia, i substrati presentano a volte più grandi imperfezioni locali come cavità dove è stato scollegato il tallone fisso o come variazioni in altezza. Un'ispezione visiva della macchina fotografica sia superiore e laterale è pertanto consigliata prima di iniziare la misurazione. Stampa 3D laser ad alta risoluzione può essere utilizzata per costruire i substrati in altre applicazioni dove è richiesta una risoluzione sub-micron.

Quando il tallone è parzialmente o completamente esposti al flusso turbolento, come considerato nella sezione 2, il ruolo dei valori di picco turbolento-velocità e la sua durata deve essere considerato quando si tenta di individuare il moto della particella incipiente. L'impulso14,71 o il criterio di energia62 appaiono come una valida alternativa al classico criterio di scudi. Essi propongono che a parte la forza idrodinamica, la scala temporale caratteristica delle strutture di flusso deve essere correttamente parametrizzato71. A tal fine, l'algoritmo stesso che ottiene una media di tempo e velocità medio quadrato della radice, stima la durata degli eventi di flusso energetico sulla base della condizione Equation 75 . Per l'esperimento illustrativo di Figura 4, la durata degli eventi di flusso energetico rimane dell'ordine di 1-2 ms se abbiamo usato un coefficiente di resistenza aerodinamica dato da Equation 76 in EQ. 10 come suggerito da Vollmer e Kleinhans 200713 o Ali e Dey 201620 base esperimenti72, modificato di Coleman Equation 77 rimane di sopra del valore precedente e la durata massima misurata diminuisce a circa 1,6 ms. In ogni caso, la durata resta ben di sotto l'ordine di 10 ms, come osservato nel precedente esperimenti di Valyrakis, Diplas et al 2013 condotti in un canale di acqua62. Inoltre, l'algoritmo determina la scala di lunghezza integrale, come mostrato da El-Gabry, Thurman et al 201473 basato su Roach metodo74. Ad una distanza di mezzo il diametro dei grani dal substrato, la scala di lunghezza di macroscala stimato è circa 1,5 mm. È stato dimostrato che la maggior parte degli eventi in grado di innescare l'incipiente movimento energici dovrebbe avere una lunghezza caratteristica di circa due-quattro particelle diametri62. Questa istruzione può quindi indicano che l'energici eventi indotti nel nostro tunnel a vento bassa velocità non sono in grado di innescare il movimento incipiente. Questo è in accordo con una velocità media leggermente di sopra del valore critico come mostrato in Figura 4(e)e con deviazioni standard inferiore all'8% in Equation 73 per perline 5mm indipendente dal materiale come notato negli esperimenti. La deviazione standard in Equation 73 come calcolato in passaggi 2.2.5-2.2.6 fornita una stima della fluttuazione casuale associata con i parametri di flusso, ma anche per le imperfezioni locali sul substrato regolare. Per il tallone di allumina di 5 mm di diametro, abbiamo ottenuto un Equation 73 uguale a 12,30 ± 0,23 m/s. Questa deviazione standard è stata determinata tenendo conto 10 singole esecuzioni in tre diverse posizioni alla stessa distanza dal bordo superiore. Per perline di 2 mm, la deviazione standard aumenta fino a circa il 14%. In considerazione di questo risultati, abbiamo deciso di utilizzare il criterio di scudi con un numero critico di scudi come definito nello EQ. 8 per caratterizzare il movimento incipiente. Inoltre, invece di presentare una probabilità di trascinamento, optiamo per fornire un valore specifico del numero di scudi critico con un rappresentanza grado di incertezza. Ci sono due principali fonti di incertezza in EQ. 6 al fine di valutare la velocità di taglio: Equation 73 e Equation 78 . L'incertezza relativa su Equation 73 viene dedotto dalla deviazione standard delle misurazioni. L'incertezza relativa a Equation 78 è relativo alla misura dello strato limite turbolento. Alla stessa distanza dal bordo superiore, tipiche deviazioni sulla gamma fit coefficiente compreso tra 5 e 10% a seconda della velocità del ventilatore che a sua volta dipende la geometria del substrato e la densità della perla. L'incertezza relativa a Equation 78 è stata presupposta per essere 10% nell'analisi più conservatore. Di conseguenza, l'incertezza del Equation 79 varia tra il 7 e il 18% a seconda dell'esperimento. Barre di errore nella Figura 5 visualizzano l'incertezza del numero scudi dopo l'applicazione di analisi della suddetta compreso relative incertezze sul diametro della particella e densità aria e particelle.

Il protocollo sperimentale permette la caratterizzazione del moto incipiente delle particelle in funzione del grado sepoltura in regimi di flusso diverse. L'utilizzo di geometrie regolari semplifica il fattore geometrico di una singola geometria ed evita qualsiasi dubbio circa il ruolo del quartiere. Il criterio per l'incipiente movimento è soddisfatta quando il tallone si muove dalla posizione iniziale all'equilibrio successivo uno. L'uso di un algoritmo di elaborazione delle immagini chiarisce la modalità di movimento incipiente. Il metodo sperimentale descritto nella sezione 1 del protocollo è stato utilizzato negli studi precedenti, a sottolineare il forte impatto della disposizione del locale letto sul moto incipiente sotto condizioni laminare38,39,40 , 41. il sistema, tuttavia, era limitato a Re * inferiore a 3. A Re maggiore *, proponiamo un nuovo metodo sperimentale che ci permette di affrontare idraulicamente transitorio e il regime di flusso turbolento agitato. È interessante notare che, le caratteristiche di turbolenza del sistema in combinazione con un parametro geometrico semplificato permette di caratterizzare il movimento incipiente con un numero critico di scudi con le incertezze che spazia tra il 14 e 25%. Vi presentiamo solo alcuni esempi rappresentativi dell'applicazione al Re * compresa tra 40 e 150. Come un futuro ambito della ricerca, una gamma più ampia di Re * deve essere coperto con particolare enfasi sul regime di flusso idraulico transitorio dove pochi dati sono disponibili in letteratura. Allo stesso modo, dovrebbero essere condotti esperimenti a più gradi di sepoltura. Questi risultati possono essere utilizzati come punto di riferimento per i modelli più complessi. Ad esempio, il modello realistico recentemente proposto da Ali e Dey 2016 è basato su un coefficiente di ostacolo che viene dedotto dai risultati sperimentali solo per il caso di sedimenti molto attentamente imballate perline20. Risultati sperimentali per le particelle che sono che meno esposti al flusso come affrontate nel limite di flusso strisciante possono innescare un'estrapolazione del modello a più gradi di sepoltura. In aggiunta, il metodo sperimentale proposto può permettere noi enfatizzare il ruolo di strutture coerenti turbolente sul moto della particella incipiente con una forte semplificazione del fattore geometrico. Questo è ancora poco conosciuto in letteratura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare

Acknowledgments

Gli autori sono grati agli arbitri sconosciuti per preziosi consigli e Sukyung Choi, Byeongwoo Ko e Baekkyoung Shin per la collaborazione nella creazione di esperimenti. Questo lavoro è stato supportato dal cervello Busan 21 progetto nel 2017.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MCR 302 Rotational Rheometer Anton Paar Induction of shear laminar flow
Measuring Plate PP25 Anton Paar Induction of shear laminar flow
Peltier System P-PTD 200 Anton Paar Keep temperature of silicon oils constant in the system at laminar flow
Silicone oils with viscosities of approx. 10 and 100 mPas Basildon Chemicals Fluid used to induced the shear in the particles
Soda-lime glass beads of (405.9 ± 8.7) μm The Technical Glass Company Construction of the regular substrates for laminar flow conditions
Opto Zoom 70 Module 0.3x-2.2x WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
2 x TV-Tube 1.0x, D=35 mm, L=146.5 mm WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
UI-1220SE CMOS Camera IDS Imaging Development Systems GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
UI-3590CP CMOS Camera IDS Imaging Development Systems GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
Volpi IntraLED 3 - LED light source  Volpi USA Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
Active light guide diameter 5mm Volpi USA Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
300 Watt Xenon Arc Lamp Newport Corporation Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
Wind-tunnel with open jet test section, Göttingen type  Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG Induction of turbulent flow
Glass spheres of (2.00 ± 0.10) mm Gloches South Korea Construction of the regular substrates for turbulent flow conditions
Alumina spheres of (5.00 ± 0.25) mm Gloches South Korea Targeted bead for experiments
CTA Anemometer DISA 55M01 Disa Elektronik A/S  Measurement of  flow velocity in the wind tunnel
Miniaure Wire Probe Type 55P15 Dantec Dynamics Measurement of  flow velocity in the wind tunnel
HMO2022 Digital Oscilloscope, 2 Analogue. Ch., 200MHz Rohde & Schwarz Measurement of  flow velocity in the wind tunnel
Phantom Miro eX1 High-speed Camera Vision Research IncVis Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel
Canon ef 180mm f/3.5 l usm macro lens Canon Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel
Table LED Lamp Gloches South Korea Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Ingegneria problema 132 flusso granulare particella/fluido flusso trasporto di sedimenti incipiente movimento
Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Agudo, J. R., Han, J., Park, J.,… More

Agudo, J. R., Han, J., Park, J., Kwon, S., Loekman, S., Luzi, G., Linderberger, C., Delgado, A., Wierschem, A. Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions. J. Vis. Exp. (132), e57238, doi:10.3791/57238 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter