Waiting
Login processing...

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

Engineering

Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden

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

Twee verschillende methoden voor het karakteriseren van de motie van de beginnende deeltje van een enkele kraal als een functie van de geometrie van het sediment bed van laminaire naar een turbulente stroming worden gepresenteerd.

Abstract

Twee verschillende experimentele methoden voor het bepalen van de drempel van de beweging van het deeltje als een functie van de geometrische eigenschappen van het bed van laminaire turbulente stroming voorwaarden worden gepresenteerd. Te dien einde, wordt de beginnende beweging van een enkel kraal bestudeerd op regelmatige substraten die bestaan uit een monolayer van vaste bollen van uniforme grootte, die regelmatig in driehoekige en kwadratische symmetrieën zijn gerangschikt. De drempel wordt gekenmerkt door de kritische Shields-nummer. Het criterium voor het begin van de beweging wordt gedefinieerd als de verplaatsing van de oorspronkelijke positie van het evenwicht naar de naburige. De verplaatsing en de wijze van beweging worden geïdentificeerd met een imaging systeem. De laminaire flow wordt geïnduceerd met behulp van een roterende rheometer met een parallelle schijfconfiguratie. De shear Reynolds-getal blijft onder 1. De turbulente stroming wordt geïnduceerd in een windtunnel lage snelheid met open jet test sectie. De luchtsnelheid wordt geregeld met een frequentie-omzetter de aanjager ventilator. Het profiel van de snelheid wordt gemeten met een sonde van de hete draad aangesloten op een hete film anemometer. De shear Reynolds getal varieert tussen de 40 en 150. De logaritmische snelheid wet en de wet van de gemodificeerde muur gepresenteerd door Rotta worden gebruikt voor het afleiden van de snelheid van de afschuiving van de experimentele gegevens. Dit laatste is van bijzonder belang wanneer de mobiele Parel is gedeeltelijk blootgesteld aan de turbulente stroming in het zogenaamde hydraulisch overgangsperiode flow regime. De schuifspanning wordt geschat op begin van de beweging. Aantal illustratieve resultaten weergegeven: de sterke invloed van de hoek van de rust, en de blootstelling van de kraal wilt schuintrekken stroom zijn in beide regimes vertegenwoordigd.

Introduction

Beginnende particle beweging wordt aangetroffen in een breed scala aan industriële en natuurlijke processen. Milieu voorbeelden zijn het eerste proces van sediment transport in rivier en oceanen, erosie van het bed of de vorming van het Duin o.a. 1,2,3. Pneumatische transport4, verwijdering van verontreinigende stoffen of het reinigen van oppervlakken5,6 zijn typische industriële toepassingen waarbij van het begin van de beweging van de deeltjes.

Vanwege de brede waaier van toepassingen, heeft het begin van de beweging van de deeltjes uitvoerig bestudeerd meer dan een eeuw, meestal onder turbulente omstandigheden7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Vele experimentele benaderingen zijn toegepast om te bepalen van de drempel voor het intreden van de beweging. De studies omvatten parameters zoals het deeltje Reynolds nummer13,16,17,18,19,20, de relatieve stroom onderdompeling 21 , 22 , 23 , 24 of geometrische factoren als de hoek van rust16,18,25, blootstelling aan de stroom26,27,28,29, relatieve graan uitsteeksel29 of30helling streamwise bed.

De huidige gegevens voor de drempelwaarde waaronder turbulente omstandigheden verspreid zijn in grote lijnen12,31 en de resultaten lijken vaak inconsistent24. Dit is vooral te wijten aan de inherente complexiteit van beheren van of het bepalen van de parameters van de stroom onder turbulente omstandigheden13,14. Bovendien, de drempel voor sediment motie sterk afhankelijk van de modus van de beweging, d.w.z. glijden, glooiende of hijs17 en het criterium te karakteriseren de beginnende beweging31. De laatste kan dubbelzinnig of worden in een bed van erosiegevoelige sediment.

Tijdens het laatste decennium, hebben experimentele onderzoekers bestudeerd beginnende particle beweging in laminaire stromen32,33,34,35,,36,,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, waar het brede spectrum van lengte schalen interactie met het bed is vermeden45. In vele praktische scenario's impliceert sedimentatie, de deeltjes zijn vrij klein en het deeltje Reynolds getal blijft lager dan ongeveer 546. Aan de andere kant, kunnen laminaire stromen genereren van geometrische patronen als rimpelingen en de duinen als turbulente stromen42,47. Similitudes in beide regimes is aan analogieën in de onderliggende natuurkunde47 dus belangrijk inzicht voor het vervoer van deeltje kan worden verkregen bij een beter gecontroleerd experimenteel systeem48aangetoond.

In het laminaire flow, Charru et al. opgemerkt dat de lokale omlegging van een granulaire bed van uniform formaat kralen, zogenaamde bed pantser, geleid tot een geleidelijke verhoging van de drempel voor het intreden van de beweging tot verzadigde voorwaarden werden bereikt 32. literatuur, onthult echter verschillende drempels voor verzadigde voorwaarden in onregelmatig gearrangeerde sediment bedden afhankelijk van de experimentele opstelling36,44. Deze verstrooiing kan te wijten zijn aan de moeilijkheid van controlerende deeltje parameters zoals afdrukstand, uitsteeksel niveau en compactheid van de sedimenten.

Het hoofddoel van dit manuscript is in detail te beschrijven hoe de beginnende beweging van één sferen te karakteriseren als een functie van de geometrische eigenschappen van de horizontale sediment bed. Voor dat doel gebruiken we regelmatig geometrieën, bestaande uit monolayers van vaste kralen regelmatig gerangschikt volgens driehoekige of kwadratische configuraties. Regelmatige substraten vergelijkbaar met die we gebruiken zijn gevonden in toepassingen zoals voor de sjabloon-montage van deeltjes in microfluidic assays49, zelf-assemblage van microdevices in begrensde gestructureerde geometrieën50 of intrinsieke deeltje-geïnduceerde vervoer in microchannels51. Nog belangrijker, met behulp van reguliere substraten stelt ons in staat wil het effect van lokale geometrie en oriëntatie en om te voorkomen dat eventuele angst over de rol van de buurt.

In laminaire flow vastgesteld we hebben dat de kritische Shields aantal verhoogd met 50% alleen afhankelijk van de afstand tussen de ondergrond en dus ook op de blootstelling van de parel aan de stroom-38. Ook vonden we dat het kritisch Shields-nummer gewijzigd door tot een factor twee afhankelijk van de oriëntatie van het substraat tot en met de stroom richting38. We hebben gemerkt dat immobiel buren alleen van invloed op het begin van de mobiele Parel als ze dichterbij dan ongeveer drie deeltje diameter41 waren. Veroorzaakt door de bevindingen van het experiment, hebben we onlangs een rigoureuze analytische model dat het nummer van de kritische Shields in de sluipende stroom limiet40 voorspeltgepresenteerd. Het model heeft betrekking op het begin van de beweging van sterk blootgesteld aan verborgen parels.

Het eerste deel van dit manuscript behandelt van de beschrijving van de experimentele procedure gebruikt in eerdere studies aan schuintrekken Reynolds getal, Re *, lager dan 1. De laminaire flow wordt geïnduceerd met een roterende rheometer met een parallelle configuratie. In deze Reynolds getal onderlimiet, het deeltje is niet verondersteld om te ervaren elke snelheid schommelingen20 en het systeem overeenkomt met de zogenaamde hydraulisch vlotte doorstroming waar het deeltje binnen de viskeuze sublaag wordt ondergedompeld.

Zodra de beginnende beweging bij laminaire flow is gevestigd, kan de rol van turbulentie kan duidelijker zijn. Gemotiveerd door dit idee, introduceren wij een nieuwe experimentele procedure in het tweede deel van het protocol. Met behulp van een windtunnel van Göttingen lage snelheid met open jet test sectie, de kritische schilden nummer kan worden bepaald in een breed scala van Re * inclusief de hydraulisch overgangsperiode flow en de turbulente regime. De experimentele resultaten kunnen belangrijk inzicht over hoe de krachten en koppels op een deeltje als gevolg van de turbulente stroming afhankelijk van de geometrie van het substraat handelen. Bovendien, deze resultaten kunnen worden gebruikt als een maatstaf voor meer geavanceerde modellen op hoge Re * op een vergelijkbare manier dat afgelopen werk in laminaire flow is gebruikt om te voeden halve probabilistische modellen52 of valideren van recente numerieke modellen53. Wij presenteren representatieve voorbeelden van toepassingen op Re * variërend van 40 tot 150.

De beginnende criterium is opgericht als de beweging van de enkel deeltje van de initiële evenwicht positie naar de volgende. Beeldverwerking is gebruikt om te bepalen van de wijze van begin van de beweging, d.w.z. rollen, glijden, heffen39,41. Te dien einde, wordt de hoek van de rotatie van mobiele bollen die handmatig zijn gemarkeerd gedetecteerd. Het algoritme tracks van de positie van de merken en vergelijkt deze met het midden van het gebied. Een voorlopige reeks experimenten werd uitgevoerd in beide experimentele opstellingen te verduidelijken dat de kritische Shields nummer onafhankelijk van eindige grootte effecten van de set-up en de relatieve stroom onderdompeling blijft. De experimentele methoden zijn zo ontworpen om uit te sluiten van een andere parameter afhankelijk van de kritische Shields nummer buiten Re * en geometrische eigenschappen van het sediment bed. De Re * is gevarieerd, met behulp van verschillende combinaties van de vloeistof-deeltjes. De kritische Shields nummer wordt gekenmerkt als een functie van de begrafenis graad, Equation 01 , gedefinieerd door Martino et al. 37 als Equation 02 waar Equation 03 is de hoek van rust, d.w.z. de kritische hoek op welke motion treedt op54, en Equation 04 is de mate van blootstelling, gedefinieerd als de verhouding tussen de oppervlakte van de dwarsdoorsnede effectief blootgesteld aan de stroom om de totale oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de mobiele Parel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. beginnende Particle beweging in de sluipende Flow-limiet.

Let op: De metingen zijn uitgevoerd in een roterende rheometer dat is gewijzigd voor deze specifieke toepassing.

  1. Voorbereiding van de Rheometer.
    1. Sluit de luchttoevoer op de rheometer om te voorkomen beschadiging van de lagers van de lucht. Open de klep naast de luchtfilters totdat een druk van ongeveer 5 bars in het systeem wordt bereikt.
    2. De vloeistof rondpompthemostaat verbinden met de metende plaat. Zorg ervoor dat de slangen van het Peltier element zijn verbonden met de rheometer. Zet de vloeistof rondpompthemostaat en stel de gewenste temperatuur (20 ° C).
    3. Monteer de aangepaste container met de reguliere substraat op de rheometer.
      1. Het regelmatige substraat uit de container nemen en reinig het oppervlak zorgvuldig met gedestilleerd water. Droog het oppervlak met een lens reinigingsdoek en verwijder eventuele resterende stof met een blower.
        Opmerking: De reguliere substraten zijn monolayers van 15 x 15 mm2 gebouwd van sferische ademkalk glaskralen (405.9 ± 8,7) µm.
      2. Met behulp van 0,4 mm dikte dubbelzijdige tape, bevestigen het regelmatige substraat in de container ervoor te zorgen dat het substraat center op een afstand van 21 mm vanaf de as draaien is.
      3. Plaats de aangepaste adapter op de rheometer plaat.
      4. Monteer de aangepaste circulaire container in de plaat ervoor te zorgen dat het plat voorste gedeelte wordt geconfronteerd met de imaging systeem ontworpen voor opname van de kant.
        Opmerking: Zorg ervoor dat de container volledig horizontaal met de waterstand (0.6 mm/m is). Voor dat doel, plaats de waterstand op de container parallel aan de achterkant van het apparaat en het niveau met de rheometer in hoogte verstelbare voetjes. Herhaal de procedure draaien van de waterstand: hoek van 90 graden.
    4. Schakel in de rheometer. Wacht totdat de procedure voor het opstarten is voltooid en de status 'ok' op het apparaatscherm verschijnt.
    5. Start de computer en de software van de rheometer. Initialiseren van de rheometer en stel de temperatuurregeling vanaf het bedieningspaneel van de software op de gewenste waarde (20 ° C).
    6. Monteer de aangepaste meetinstallatie. Set-up de nul kloof van de software.
      Opmerking: Voordat u de nul kloof, zorgen ervoor dat er geen mobiele kralen op de drager vervagen en dat de grenzen van het substraat niet gebogen. Een fout bij het vaststellen van de nul-kloof zal leiden tot een systematische fout in de berekening van de shear beoordelen en daarom in de latere waardering voor de kritische schilden nummer. Een absolute onzekerheid van 0.05 mm wordt aangenomen in de breedte van de tussenruimte bij de berekening van het kritische Shields-nummer.
    7. Til de meten plaat tot 30 mm en verwijderen.
    8. Vul de container met ongeveer 70 mL 100 mPa·s Silicone olie. Ervoor zorgen dat het niveau van de vloeistof in de container boven 2 mm blijft. De Silicone olie dient niet het bovenste gedeelte van de transparante plaat. Wacht ongeveer 15-20 min. voor het thermisch evenwicht. Gedurende die tijd, pas de imaging systemen (zie stap 2 van het protocol).
      Opmerking: De temperatuur die is bevestigd aan (295.15 ± 0.5) K hier wordt beheerd met een Peltier element verbonden met de rheometer en gemeten met een externe thermometer. Schommelingen van minder dan 0,5 K worden waargenomen tijdens de experimenten.
  2. Aanpassing van het imaging systeem.
    1. Schakel de 300 W Arc Xenon Lamp. Aanpassen van de flexibele lichtgeleider om te verlichten van de parel van de kant door de transparante muren van de container.
    2. Aanpassen van de lichtsterkte van de LED Voorkom sterke licht reflectie op het substraat.
    3. De imaging systeem ontworpen voor het opnemen van de particle beweging vanaf de bovenkant door de transparante meten plaat aanpassen.
      1. Start-up de denkbaar software van de computer en kies de monochrome profiel in het dialoogvenster start.
      2. Open de CMOS-camera van 768 x 576 van de imaging systeem geïnstalleerd op de bovenkant van de container. Opstarten van de live videobeelden.
      3. Pas de horizontale positionering fase tot het referentiepunt dat eerder is gemarkeerd in het midden van het substraat in het midden van de afbeelding wordt weergegeven.
      4. Pas de verticale positionering fase te concentreren op het substraat.
      5. Plaatst zorgvuldig een gemarkeerde ademkalk glazen bol (405.9 ± 8,7) µm.
      6. Zorg ervoor dat ten minste één van de merken geplaatst op een afstand van ongeveer 75% van de straal van de kraal of grotere uit de as van rotatie. Als dit niet het geval, verplaats handmatig het meten plaat om de beweging van de kraal naar de volgende positie van het evenwicht (Zie Figuur 2(a) als een referentie).
        Opmerking: Om ervoor te zorgen dat passende controle tijdens beweging de mobiele kralen zijn gemarkeerd met verschillende plekken gescheiden door ongeveer 45° (Zie Figuur 3(a)). De code bevat een eenvoudig besturingselement stroom instructie om te minimaliseren van mark misassignment ter berekening van de hoek van de rotatie. Voor verdere details verwijzen we naar Agudo et al. 201739.
      7. Open het dialoogvenster voor het instellen van de camera parameters en pas van de framerate tot 30 fps. Aanpassen van de blootstellingstijd om ervoor te zorgen dat de merken goed worden onderscheiden van de omtrek van de kraal.
        Opmerking: De ademkalk glazen bol ondergedompeld in een Silicone olie van 100 mPa·s vereist ongeveer 4 seconden van haar aanvankelijke standpunt naar de waterscheiding naar de naburige evenwicht positie te verplaatsen. Vandaar, een framerate van 30 fps toelaat een meetonzekerheid van minder dan 1%.
    4. Monteer de meten plaat aan de rheometer.
    5. Stel de meetafstand tot 2 mm.
      Opmerking: De focus van de top camera moet enigszins worden aangepast als gevolg van de aanwezigheid van de plaat van Plexiglas.
    6. De imaging systeem ontworpen voor het opnemen van de motie van de deeltjes uit de kant door de transparante microscoopglaasje aanpassen.
      1. Open de 4912 x 3684 CMOS-camera van de imaging systeem geïnstalleerd aan de voorzijde van de container en het opstarten van de live videobeelden.
      2. De verticale en de horizontale positionering fase geplaatst, parallel aan de rheometer totdat de gemarkeerde parel in het midden van de afbeelding verschijnt aanpassen.
      3. Pas de modulaire zoomlens totdat het gezichtsveld het bovenoppervlak van de ondergrond, de parel en het onderste deel van de meetinstrumenten schijf omvat.
      4. Pas de horizontale positionering fase geplaatst loodrecht op de rheometer te concentreren op de kraal.
      5. Open het dialoogvenster voor het instellen van de camera parameters en pas van de framerate tot 30 fps.
  3. Het bepalen van de kritische roterende snelheid voor het begin van de beweging.
    1. Lineair verhoging van de rotatiesnelheid, n, 0.02 0,05 omwentelingen per seconde in kleine stappen van 0.00025 omwentelingen per tweede met behulp van de rheometer software.
      1. In het venster van de meting, dubbelklik op de cel voor het besturingselementtype en het bereik van de snelheid van 0.02 tot 0.05 omwentelingen per seconde bewerken.
      2. Dubbelklik op de tijdsinstelling en voer het aantal meting wijst, 60, en de duur van elke meting, 5 s.
      3. Een tabel vertegenwoordigen de rotatiesnelheid als functie van de tijd instellen.
    2. Open de live videobeelden van de boven- en zijkant camera's. Beginnen met het opnemen van een video-sequence van beide camera's met behulp van het imaging software.
    3. Start de meting met de rheometer software.
      Opmerking: Een apart experiment met een grotere stap-grootte wordt aanbevolen om ongeveer schatten het snelheidsbereik waarbij de beginnende beweging zal gebeuren vóór stap 1.3.1.1. Op een afstand van 21 mm vanaf de as draaien en met behulp van de siliconenolie van 100 mPa·s, bijvoorbeeld, beweegt de glazen kraal met roterende snelheden van ongeveer 0,035 omwentelingen per seconde. Vandaar, dienstig is een bereik van 0.02 tot 0.05 omwentelingen per seconde voor het experiment.
    4. Zorgvuldig kijken naar de live videobeelden vanuit de top of vanuit de camera kant en de parel uit zijn evenwicht standpunt verdringt de meting vastloopt. Noteer de snelheid bij die de parel de separatrix naar de naburige evenwicht positie kruist. Het bekende roterende snelheid vertegenwoordigt de kritische roterende snelheid, nC. Het stoppen van de video-sequenties.
      Opmerking: Zorg ervoor dat de stap-grootte klein genoeg is dat de verhoging van de snelheid tijdens het tijdsinterval waarvoor de kraal verplaatsen van haar aanvankelijke standpunt naar de naburige niet meer dan 1% van de kritische waarde houdt.
    5. Plaats de kraal terug naar de oorspronkelijke positie. Dit kan gebeuren door handmatig de roterende plaat verplaatsen totdat de kraal één positie terug verdringt. Herhaal het experiment vijfmaal overwegende de gemiddelde kritische snelheid en de standaardafwijking.
    6. Herhaal de stappen 1.3.1 aan 1.3.5 met een verschillende gemarkeerde kraal in 2 aangrenzende posities naar het midden van het substraat.
  4. Het analyseren van de gegevens.
    1. Bepalen van de wijze van motie: de volgorde van de afbeeldingen eerder opgenomen vanaf de bovenkant of de kant met de algoritme zoals beschreven in Agudo et al. 201739analyseren.
    2. Bepalen van het kritische Shields-nummer en de afschuiving Reynolds getal.
      1. De kritische Shields-nummer te verkrijgen door de volgende vergelijking40
        Equation 05(1)
        waar Equation 06 is verkregen van stap 1.3.4, Equation 06 is de kinematische viscositeit, Equation 08 en Equation 09 zijn respectievelijk, deeltjes en vloeibare dichtheden, Equation 10 is de standaardversnelling van de zwaartekracht en Equation 11 is de diameter van de mobiele Parel, aller ze bekend. Equation 12 is de breedte van de tussenruimte, gedefinieerd als de afstand van de bovenkant van het substraat bollen aan de meet plaat, dat wil zeggen 2 mm en r is de radiale afstand van het deeltje van de as draaien, dat wil zeggen 21 mm.
      2. Verkrijgen van de shear Reynolds getal, Re * gebaseerd op de snelheid van de shear, uit de volgende vergelijkingen:
        Equation 13(2)
    3. Herhaal de procedure vanaf 1.1.3 aan 1.4.2 met behulp van een verschillende reguliere substraat.
    4. Gebruik verschillende kraal dichtheden en verschillende vloeibare viscositeiten om te bestrijken een breed scala van de Re * van kruipende stromingscondities tot 1.

2. beginnende Particle beweging op het hydraulisch overgangs- en ruwe turbulente Regime.

Let op: De metingen zijn uitgevoerd in een aangepaste lage snelheid Wind-tunnel met open jet test sectie, Göttingen type.

  1. De imaging systeem voorbereiden.
    1. Fix het kwadratische substraat in het midden van het gedeelte van de test.
    2. Plaats een 5 mm aluminiumoxide kraal eerder gemarkeerde op de gewenste aanvangspositie (110 mm uit de voorrand en 95 mm van de zijrand).
    3. Sluit de high-speed camera gekoppeld aan de macrolens op de computer en de server inschakelt. Pas de macrolens totdat het doel parel duidelijk in de afbeelding is.
    4. De imaging-software op de computer te starten. Activeer "Live Camera", en de "Sample rate" ingesteld op 1000 fps.
    5. Zet de LED-lichtbron en aanpassen van de intensiteit, evenals de focus van de camera om een duidelijk beeld van het deeltje en haar merken.
      Opmerking: Zorg ervoor dat ten minste één van de merken geplaatst op een afstand van ongeveer 75% van de straal van de kraal of groter van de rotatie-as is (Zie Figuur 3(a) als een referentie).
  2. Het bepalen van de kritische ventilatorsnelheid voor het begin van de beweging.
    1. Stel de snelheid van de ventilator ver beneden de kritische waarde (ongeveer 1400 rpm voor de 5 mm aluminiumoxide parel).
    2. Start de opname door het indrukken van de trekker op de beeldbewerkingssoftware.
    3. Verhoging van de snelheid in stappen van ongeveer 4 tot 6 rpm elke 10 s tot beginnende beweging optreedt.
    4. Opmerking de waarde van de kritische snelheid op welke beginnende motion optreedt en de video-opname te stoppen.
    5. Zet een nieuwe gemarkeerde kraal op de dezelfde eerste plaats en herhaal de procedure vanaf 2.2.1 2.2.4 tien keer. Noteer de kritische snelheid voor elke meting.
    6. Herhaal de procedure vanaf 2.2.1 2.2.5 op dezelfde afstand van de voorrand maar op 65 en 125 mm van de zijrand, respectievelijk. Noteer de kritische snelheid voor elke meting.
  3. Voorbereiding van de constante temperatuur hot-wire anemometer (CTA).
    1. Stel de CTA controlefunctie naar stand-by en de weerstand van het decennium op 00.00. Overschakelen op het stopcontact en wacht ongeveer 15-20 min om op te warmen.
    2. Sluit de kortsluiting sonde en de controlefunctie CTA naar de weerstandsmeting. Pas de nul Ohm totdat de naald wordt geplaatst in het rode merk en terug de controlefunctie op stand-by overschakelen.
    3. Vervang de kortsluiting sonde door de sonde van miniatuur hot-wire. Schakel de controlefunctie CTA naar weerstandsmeting. Pas de schakelopties van de weerstand totdat de naald in het rode merk is geplaatst.
      Opmerking: De gemeten weerstand correspondeert met de koude weerstand van de miniatuur-sonde. De gemeten waarde moet in overleg met de waarde die door de fabrikant (3,32 Ω).
    4. Schakel de CTA functie stand-by en aanpassen van het decennium van de weerstand tot 5,5 Ω om een ratio overheat van ongeveer 65%.
    5. Het meten van de frequentierespons van de CTA bij de gemiddelde kritische snelheid (stap 2.2.4).
      1. Zet de ventilator en de draaisnelheid van de ventilator op de kritische waarde ongeveer 1400 rpm instelt. Schakel de oscilloscoop.
      2. Schakel de blokgolf generator van de CTA.
      3. Starten van de oscilloscoop software op de computer en open de CSV-module zodat de opname van de gegevens. Kies het kanaal (CH1) en sla de opnamegegevens d.w.z. tijd en de spanning, onder de naam van het gewenste bestand. Wacht totdat de metingen (ongeveer 3 min).
        Opmerking: De cut-off frequentie wordt berekend uit de responstijd waarop de spanning gedaald tot een niveau van - 3db (Zie Figuur 4(a)).
      4. De generator van de blokgolf in te schakelen en de CTA functie ingesteld op stand-by.
  4. Kalibreren van de CTA.
    1. Schakel de CTA functie zou werken. Zorg ervoor dat de sonde wordt aangepast tot een voldoende hoogte uit de buurt van de plaat, zodat het is gelegen in de zone van gratis stroom.
    2. Stel de draaisnelheid van de ventilator op 200 rpm. Meten van de streamwise snelheid in de zone van de gratis stroom met behulp van de anemometer waaier en lezen de spanning op de oscilloscoop.
    3. Herhaal stap 2.4.2 voor verschillende toerentallen met een vaste interval voor 50 rpm tot ongeveer 1450 rpm (een totaal van 26 luidt).
    4. Vaststellen van een correlatie tussen de rpm en de gemeten gratis-stream streamwise snelheid, Equation 14 . Verkrijgen van de kritische snelheid, Equation 15 , die overeenkomt met de kritische rotatiesnelheid voor elk van de metingen van stappen 2.2.5 tot en met 2.2.6. Bereken de gemiddelde snelheid voor kritische gratis-stream, Equation 16 en de standaardafwijking van de metingen.
    5. Een correlatie tussen de snelheid en het voltage volgens een derdegraads polynoom pasvorm zijn vastgesteld:
      Equation 17(3)
      Hier, Equation 18 is de streamwise snelheid uitgedrukt in m/s, Equation 04 is de spanning gemeten in Volt (V), en Equation 19 zijn de fit coëfficiënten. De kalibratiekrommen worden weergegeven in Figuur 4(b) vóór en na de metingen van het profiel van de snelheid.
  5. Het meten van de streamwise snelheid met de positie van de muur-normal op kritieke omstandigheden.
    1. Verwijder de gemarkeerde parel van het substraat.
    2. Pas de handknop voor de horizontale positionering fase totdat de hete draad sonde is geplaatst op de gewenste aanvangspositie (110 mm uit de voorrand en 95 mm van de zijrand).
    3. Aanpassen zorgvuldig de handknop voor de verticale positionering fase tot de sonde is geplaatst als dicht mogelijk naar de oppervlakte van het substraat. Zie via de camera gekoppeld aan de macro-lens om ervoor te zorgen dat de draad niet aan het oppervlak van het substraat raakt. De waarde nul in het digitale niveau-indicator op die positie.
      Let op: De hete draad is zeer gevoelig en als het raakt het oppervlak het zal breken. Omwille van veiligheid, plaatsen we de sonde op een afstand van 0,05 mm boven de top van de bol substraat (Zie Figuur 1(e) als een referentie). Dit vertegenwoordigt een genormaliseerde muur-normal component Equation 20 waar Equation 21 is het beginpunt voor het meten van waarde, Equation 22 de shear snelheid en Equation 23 de kinematische viscositeit van lucht op bedrijfstemperatuur is. Merk op dat de waarde voor de beginkleur onder Equation 24 waar de viscositeit is dominante55.
    4. De draaisnelheid van de ventilator aan de gemiddelde rotatiesnelheid waartegen de beginnende beweging optreedt, raadpleegt u stap 2.2.4. De snelheid van de vrije-stream komt dus overeen met Equation 25 .
    5. Aanpassen van de samplefrequentie 1 kSa en het aantal monsters aan 6000 op de oscilloscoop (total bemonsteringstijd van 6 s). Kies het kanaal (CH1) en begin van de meting. Sla de opnamegegevens onder de gewenste bestandsnaam. Wacht totdat de metingen (ongeveer 3 min).
    6. De muur-normal positie van de sonde verhogen door een toename van 0,01 mm tot 0,4 mm, en een toename van 0,1 mm tot de hoogte van 10 mm. Dit komt overeen met een totaal van 137 punten voor de kromme van het snelheid-profiel. Opgenomen gegevens voor elke hoogte opslaan.
  6. Het analyseren van de gegevens.
    1. Bereken de gemiddelde snelheid van streamwise en de turbulente intensiteit voor elke muur-normale positie.
      1. Het zelf ontwikkeld algoritme om te evalueren van de statistische hoeveelheden worden uitgevoerd. Het script openen en selecteer de map met de kalibratiekromme en de opgeslagen gegevens voor elk van de gemeten hoogte.
        Opmerking: Het script berekent eerst de fit coëfficiënten van de ijkcurve zoals in Eq. 3. Voor elke hoogte, berekent het de momentane snelheid van streamwise, Equation 26 door gebruik van Eq. 3 en berekent de tijdschaal integraal van de autocorrelatie methode56. Daarna, het berekent de tijdgemiddelde, Equation 27 en de wortel vierkante snelheid, Equation 28 , voor voorbeelden die worden gescheiden door twee keer de integraal tijd die nodig is voor de analyse van tijd-gemiddeld.
      2. Uitzetten van de dimensieloze verticale positie, Equation 29 tegen de gemiddelde snelheid van dimensieloze streamwise tijd Equation 30 , waarbij Equation 31 is de diameter van de bollen van het substraat. Uitzetten Equation 29 tegen de dimensieloze wortel vierkante snelheid Equation 32 . Figuur 4 (c)-(d) toont de resultaten voor het geval van de 5 mm aluminiumoxide kraal.
    2. Bereken de snelheid van de afschuiving van de experimentele gegevens.
      1. Passen de dimensieloze tijd gemiddelde snelheid met de logaritmische snelheid distributie57
        Equation 33(5)
        waar Equation 34 is de snelheid van de shear, Equation 35 is de von Kármán van constante en Equation 36 is een constante die is afhankelijk van de shear Reynolds nummer26. De ononderbroken lijn in Figuur 4(c) is een logaritmische aanpassen aan de gemiddelde snelheid van tijd.
        Opmerking: De aanpassen aan de experimentele gegevens, het kan worden aangetoond dat de snelheid van de shear, Equation 34 wordt gegeven door:
        Equation 37(6)
        waar Equation 38 is de logaritmische fit coëfficiënt en Equation 39 20.
        De viskeuze sublaag, Equation 40 blijft boven de bovenkant van de bollen substraat in onze experimenten. In de meest rigoureuze scenario moet Eq. 5 worden vervangen door de wet van de gemodificeerde snelheid gepresenteerd door Rotta20,58.
        Equation 41(7)
        waar Equation 42 en Equation 43 . Equation 40 is de viskeuze sublaag dikte die ongeveer kan worden berekend door Equation 44 55.
        Het algoritme berekent direct de snelheid van de afschuiving van de pasvorm van experimentele gegevens naar EQ 5 en EQ 7. De blauwe symbolen in Figuur 4(c) vertegenwoordigen de pasvorm aan de experimentele gegevens volgens Eq. 7.
        Op Re * boven 70, Equation 40 tot 5% van de diameter van de mobiele Parel, en met behulp van een pasvorm van Eq. 5 of Eq. 7 omvat een variatie op Equation 22 binnen het vastgestelde bereik van onzekerheid. Ononderbroken lijn en blauwe symbolen in Figuur 4(c) bij een Re * van ongeveer 87,5 vergelijken.
    3. Bepalen van de wijze van motie: de volgorde van de afbeeldingen eerder opgenomen vanaf de kant met de algoritme zoals beschreven in Agudo et al. 201739analyseren.
    4. Bepalen van het kritische Shields-nummer en de afschuiving Reynolds getal.
      1. De kritische Shields-nummer te verkrijgen door de volgende vergelijking22
        Equation 34(8)
        waar Equation 34 is verkregen van stap 10.2, Equation 08 en Equation 46 zijn respectievelijk, deeltjes en vloeistof dichtheden, Equation 10 is de standaardversnelling van de zwaartekracht en Equation 11 is de diameter van de mobiele Parel, allemaal bekend.
      2. Verkrijgen van het deeltje Reynolds number, Re *, uit de volgende vergelijkingen:
        Equation 47(9)
      3. Herhaal de procedure voor het meten van het profiel van de snelheid als functie van de muur-normaal-coördinaat, stap 2.5, op dezelfde afstand van de voorrand maar op 65 en 125 mm in de breedte richting, respectievelijk.
      4. Herhaal de procedure vanaf 2.1 te 2.6.4.3 met behulp van verschillende kraal maten en regelmatige substraten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 1 (a) Hiermee geeft u een schets van de experimentele opstelling gebruikt voor het karakteriseren van de kritische Shields-nummer in de sluipende stroom limiet, afdeling 1, van het protocol. De metingen zijn uitgevoerd in een roterende rheometer die is gewijzigd voor deze specifieke toepassing. Een transparant Plexiglas plaat van 70 mm diameter werd zorgvuldig vastgesteld aan een parallelle plaat van 25 mm in diameter. De traagheid van het meetsysteem werd daarom aangepast vóór de meting. Een aangepaste circulaire container van 176 mm in diameter met transparante muren concentrisch gekoppeld is met de rheometer. Een verticale snede werd uitgevoerd in het voorste gedeelte. Een microscoopglaasje was zorgvuldig bevestigd aan het voorste gedeelte ter verbetering van de beeldvorming. Het profiel van de instelling kloof werd aangepast om rekening te houden met de aanwezigheid van de container. De snelheid van de plaat werd geminimaliseerd dicht bij de vloeiende interface om te voorkomen dat het verkeer van de kraal vóór het begin van de meting. In dat systeem, de één parel kunnen optisch worden gevolgd vanaf de bovenkant door de transparante plaat, Zie Figuur 1(b), of vanaf de kant door de transparante zijwanden, Zie Figuur 1(c). Een profiel Couette stroom wordt veroorzaakt tussen de roterende plaat en het substraat. Dus, het kritische schuintrekken tarief wordt gegeven door Equation 48 . Dienovereenkomstig, het kritische Shields-nummer en de afschuiving Reynolds getal kunnen worden gedefinieerd als in Eq. 1 en Eq. 2, respectievelijk. De set-up gebruikt in afdeling 2 van het protocol wordt geïllustreerd in Figuur 1(d). De metingen zijn uitgevoerd in een aangepaste lage snelheid Wind-tunnel met open jet test sectie, Göttingen type. De regelmatige substraten voor 19 x 25 cm2 bevinden zich in het midden van het gedeelte van de test. De snelheid van de ventilator en dus de snelheid van de vloeistof wordt geregeld met een frequentie-omzetter aangesloten op de aanjager ventilator. Een turbulente grenslaag wordt geïnduceerd boven de reguliere substraat. Het profiel van de snelheid wordt gemeten met een hete draad miniatuur sonde gespecialiseerd ontworpen voor het meten van de grenslaag (Zie Figuur 1(e)) gekoppeld aan een constante temperatuur anemometer (CTA). De positie van de muur-normal, y, wordt gecontroleerd met een verticale fase die binnen ca. 0,01 mm kan worden verplaatst. De positie wordt gemeten met een digitale niveau-indicator met een resolutie van 0,01 mm. In het volledig ruwe turbulente regime (meestal Re * > 70), de shear snelheid kan worden afgeleid uit een vlaag van de experimentele gegevens de logaritmische muur wet, Eq. 559. In het hydraulisch overgangsregeling, de snelheid van de shear is afgeleid uit een pasvorm aan de gewijzigde muur wet, Eq. 758. De kritische Shields-nummer en de afschuiving Reynolds getal kunnen worden verkregen van de shear snelheid uitgedrukt in Eq. 8 en Eq. 9, respectievelijk.

Figure 1
Figuur 1: schets van de experimentele opstelling gebruikt bij laminaire (a). een mobiele kraal (405.9 ± 8,7) µm diameter rustend op de kwadratische substraat gemaakt van bollen van dezelfde grootte met een tussenruimte van 14 µm tussen hen bekeken vanaf de bovenkant (b) en vanaf de kant (c), respectievelijk. Schets van de experimentele opstelling gebruikt bij turbulente omstandigheden (d). Twee mobiele parels van (3,00 ± 0,15) mm en (5.00 ± 0,25) mm rustend op een kwadratische substraat met geen afstand tussen de bollen van (2.00 ± 0.10) mm dicht bij de miniatuur hot-wire sonde (e). De sonde is geplaatst op een afstand van ongeveer 0,05 mm van de top van de bol van het substraat. Figuur 1 (d) is gereproduceerd Agudo et al. 2017a €39, met toestemming van AIP Publishing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Een afbeelding proces routine die gemarkeerde kralen analyseert werd ontwikkeld in eerdere studies39 voor het berekenen van de hoek van de rotatie van de kraal bij aanvang van de beweging. Figuur 2 en Figuur 3 tonen voorbeelden van toepasbaarheid bij laminaire, Re * = 0.06, en turbulente omstandigheden, Re * = 87,5, respectievelijk. Met behulp van duidelijke bollen, verkregen we kritische Shields evenveel wat kralen zonder merken binnen de onzekerheid van metingen. Op basis van Canny randdetectie en Hough transformatie, is de routine kunnen herkennen van de kraal met relatieve onzekerheden variërend tussen 1,2 en 4%39. De rotatiehoek wordt bepaald door het aangeven, gebaseerd op een grijs-schaal drempelmethode bijhouden. De onzekerheid, in dit geval verhoogt tot absolute waarden variërend van 7 ° tot 17 °, afhankelijk van de imaging systeem39. Momentopnamen in Figuur 2(a) - (f) illustreren representatieve voorbeelden voor de enkel glas-parel van (405.9 ± 8,7) µm verdringt van de initiële evenwicht positie naar het volgende op een kwadratische substraat gemaakt van kralen van hetzelfde grootte met een voorsprong van 14 µm tussen bollen. De video is opgenomen vanaf de top via het systeem voor het meten van transparante zoals beschreven in sectie 1 (zie stap 1.2.3). Figuur 2 (g) toont de hoek van de rotatie tijdens de verplaatsing als een functie van het gebogen traject Equation 49 langs het substraat (zie inzet van Figuur 2(g)). Het traject is genormaliseerd naar de afstand reisde door de parel langs het gekromde pad tussen twee evenwicht posities, Equation 50 . De gestippelde lijn in Figuur 2(g) de hoek voor zuiver rollen aangeeft. De één parel ervaringen een totale draaiing van (140 ± 8,5) ° die samenvalt met de hoek voor zuivere afrollen, die ook een waarde van ongeveer 140 heeft °. Rolling is dus de wijze van beginnende beweging en Eq. 1 kan worden gebruikt voor het karakteriseren van de beginnende particle beweging.

Figure 2
Figuur 2: Snapshots tijdens de beginnende beweging van een gemarkeerde kraal (405.9 ± 8,7) µm diameter op het kwadratische substraat met een tussenruimte van 14 µm op Re * van ongeveer 0.06 (a)-(f). Het Rode Kruis en de groene lijn vormen het middelpunt van de bol en de contour van de kraal verkregen van het algoritme, respectievelijk. De blauwe cirkels vertegenwoordigen het traject van het geometrische middelpunt van het merk. Stromen van links naar rechts. De momentopnamen worden gereproduceerd van Agudo et al. (2017) een39, met toestemming van AIP Publishing. Hoek van de rotatie als een functie van het gebogen traject langs twee evenwicht posities (g). De tijd exemplaren van momentopnamen zijn aangegeven in de figuur. De stippellijn geeft de hoek van de rotatie voor een zuivere afrollen. Figuur 2 (g) is overgenomen uit Agudo et al. (2014)41, met toestemming van AIP Publishing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Momentopnamen in Figuur 3(b) - (e) verbeelden een voorbeeld voor een kraal van aluminiumoxide (5 ± 0,25) mm verdringt vier standpunten over een kwadratische substraat gemaakt van bolletjes met (2.00 ± 0.10) mm met neen-gap tussen hen. De video is opgenomen vanaf de zijkant zoals in deel 2 (Zie stappen 2.2.1-2.2.4). De gemeten hoek is het eens met de theoretische tijdens een pad die betrekking hebben op ongeveer de eerste twee evenwicht positie (Zie Figuur 3(g)). Vandaar, rollen wordt ervan uitgegaan dat de modus van de beginnende beweging en Eq. 8 kan worden gebruikt voor het berekenen van het kritieke Shields-nummer. Na de tweede positie van het evenwicht lijkt de gemeten rotatiehoek echter afwijken van pure afrollen. De rode lijn in Figuur 3(f) vertegenwoordigt de kraal traject tijdens een langere weg van ongeveer 17 posities over het substraat. Van de baan, kunnen worden onderkend hoe het deeltje kleine vluchten ervaringen tijdens de beweging langs het substraat.

Figure 3
Figuur 3: Snapshots tijdens de beginnende beweging van een gemarkeerde kraal van (5.00 ± 0,25) mm diameter op het kwadratische substraat met geen afstand tussen de bollen op Re * van ongeveer 87,5 (a) - (e). Het Rode Kruis en de groene lijn vormen het middelpunt van de bol en de contour van de kraal verkregen van het algoritme, respectievelijk. De blauwe cirkels vertegenwoordigen het traject van het geometrische middelpunt van het merk. De rode kruisen in (f) vertegenwoordigen de baan van de kraal centrum langs ongeveer 17 posities langs het substraat. Stromen van links naar rechts. Hoek van de rotatie als een functie van het gebogen traject langs vier evenwicht posities (g). De tijd exemplaren van momentopnamen zijn aangegeven in de figuur. De stippellijn geeft de hoek van de rotatie voor een zuivere afrollen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 4 (a) illustreert de blokgolf test voor het inschatten van de frequentierespons van het TCLP op kritische gratis-stream snelheid voor de aluminiumoxide parel van (5 ± 0,25) mm (zie stap 2.3.5). De tijd die nodig is voor de spanning te laten vallen met 97%, Equation 51 , 0,1 ms. dienovereenkomstig, gaat de frequentierespons, gegeven door Equation 52 60, resulteert in ongeveer 7,7 kHz. Uit Figuur 4(a), kan worden onderkend dat de undershoot ruim onder de 15% van de piek-reactie blijft. Dit geeft aan dat de CTA parameters, met inbegrip van de oververhitting van de verhouding tussen hot-wire, zijn goed tunned61. De kalibratie buigt voor de illustratieve voorbeeld worden weergegeven in Figuur 4,(b) vóór (rode vierkantjes), en na de meting van de snelheid profile (zwarte cirkels). Beide curven overlappen elkaar geven dat geen wijzigingen tijdens het experiment plaatsgevonden. Voor de aluminiumoxide parel van (5 ± 0,25) mm, de tijd-gemiddelde snelheid en de wortel vierkante snelheid worden uitgezet als functie van de genormaliseerde muur-normal component in Figuur 4(c) en 4, onder d, respectievelijk. Zij zijn verkregen, zoals beschreven in stappen van 2.5.1 naar 2.6.1 van het protocol. Beide snelheden worden genormaliseerd met de kritische snelheid van de vrije-stream. Van de maximale waarde in Equation 32 , kan worden aangetoond dat de gemeten viskeuze sublaag dikte ongeveer 0,25 mm is. De ononderbroken lijn in Figuur 4(c) vertegenwoordigt een pasvorm aan de experimentele gegevens volgens de wet van de logaritmische snelheid, Eq. 5, terwijl de blauwe lijn een vlaag van de gegevens volgens de wet van de gemodificeerde snelheid door Rotta20 voorgestelde vertegenwoordigt , 58, eq. 7. In dit geval zijn beide pasvorm in goede overeenkomst aangezien de viskeuze sublaag vertegenwoordigt slechts een 5% van de diameter van de mobiele Parel. Dienovereenkomstig, de snelheid van de shear verkregen van beide past verschilt met minder dan 8%. Figuur 4 (e) illustreert de werking van wisselende krachten op de beginnende beweging vanuit het perspectief van energie criterium, zoals aangegeven door Valyrakis et al. 201362. De ononderbroken lijn ziet u een deel van de wereldlijke geschiedenis van de kubus van momentane snelheid van streamwise, Equation 53 , gemeten op een afstand van half de mobiele aluminiumoxide kraal diameter van het substraat. De snelheid was opgeslagen bij een sampling rate van 25 kSa voor deze specifieke meting. De blauwe lijn geeft de kubus van de gemiddelde snelheid, Equation 54 . De rode stippellijn vertegenwoordigt de kubus van de kritische snelheid berekend als in Valyrakis et al. 201163

Equation 55(10)

waar Equation 56 is de hydrodynamische massa coëfficiënt, ongeveer gelijk aan 1 in onze experimenten, en Equation 57 de sleep coëfficiënt wordt uitgegaan 0.9 geacht in Valyrakis et al. 201163. Equation 58 en Equation 04 worden berekend zoals aangegeven in Eq. 11 en 12, respectievelijk. De kracht van de momentane stroom is een lineaire functie van de kubus van snelheid62. Daarom pieken op Equation 53 boven de kritische waarde kan worden beschouwd als een mogelijke trigger voor beginnende particle beweging als de looptijd van deze evenementen stroom genoeg62 laatste. Het zelf ontwikkeld algoritme maakt een schatting van de duur van de energetische flow gebeurtenissen door de beoordeling van het snijpunt van Equation 53 met de horizontale lijn Equation 59 langs het hele experiment. In de illustratieve experiment afgebeeld in Figuur 4, is de duur van de energetische flow gebeurtenissen in de orde van 1-2 ms met een maximum van 2,1 ms.

Figure 4
Figuur 4: representatieve resultaten verkregen met de hete draad CTA in het gedeelte van de test van de windtunnel van het lage snelheid bij aanvang van de motie van de aluminiumoxide parel van (5 ± 0,25) mm rustend op een kwadratische substraat met geen afstand tussen de bollen (a) de frequentie respons van de CTA na een blokgolf test (b) kalibratiekrommen vóór (rode vierkantjes), en na de metingen van het profiel van de snelheid (zwarte cirkels). De ononderbroken lijn geeft aan een derde polynomiale trend aanpassen aan de gegevens. De fit coëfficiënten worden afgebeeld in de inzet van de figuur (c) streamwise snelheid tijd-gemiddeld profiel. De ononderbroken lijn en blauwe symbolen geven aan een pasvorm volgens de logaritmische en gemodificeerde muur wet, respectievelijk (d) kwadratische gemiddelde streamwise snelheid profiel binnen een kleine hoogte bereik. De gemeten viskeuze sublaag wordt over 0,25 mm (e) A gedeelte van de wereldlijke geschiedenis van de kubus van momentane streamwise snelheid gemeten op een afstand van half de mobiele aluminiumoxide kraal diameter van het substraat. De blauwe lijn geeft de kubus van de tijd-gemiddeld streamwise snelheid. De rode stippellijn geeft aan dat de kubus van de kritische snelheid berekend als in Valyrakis et al. 201164. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 5 (a) vertegenwoordigt de kritische Shields nummer afhankelijkheid als een functie van de begrafenis mate gedefinieerd als Martino et al. 2009 door Equation 60 37. De symbolen in het rood zijn de drempel die is verkregen uit de voorbeelden in het protocol. De hoek van de rust en de mate van blootstelling zijn geometrisch gekoppeld in onze regelmatige structuren. De hoek van rust kan analytisch als volgt worden berekend:

Equation 61(11)
waar het superscript Equation 62 verwijst naar de driehoekige geometrie en Equation 63 verwijst naar de kwadratische geometrie met afstand Equation 64 tussen de bollen. Ook de mate van blootstelling verstaan de oppervlakte van de dwarsdoorsnede blootgesteld aan de stroom levert op:

Equation 65(12)
waar Equation 66 is de hoek, de hoek tussen het oppervlak van de parel op effectieve nul niveau en de verticale as (zie inzet van Figuur 5). Voor de driehoekige en de kwadratische substraat met afstand Equation 64 tussen de bollen, kan worden aangetoond dat:

Equation 67(13)
waar Equation 68 is een effectieve nul niveau onder de bovenkant van het substraat (zie inzet van Figuur 5). In de sluipende stroom limiet, numerieke simulaties is gebleken dat de effectieve nul niveau lineair met de afstand uitbreidt Equation 64 : Equation 69 . Bij grotere Re *, de effectieve nul niveau wordt ervan uitgegaan dat constante Equation 70 als experimenteel aangetoond door Dey et al. 201264. Voor Re * variërend tussen 40 en 150, werd de schuifspanning afgeleid met behulp van de gewijzigde muur wet waarin het hydraulisch overgangsperiode flow regime. De solide en gestippelde lijn zijn macht trends gemonteerd op de experimentele gegevens. Zoals afgebeeld in Figuur 5, stromen de kritische aantal verhogingen van de schilden als een functie van de begrafenis graad weergegeven: de sterke invloed van de afscherming gedeeltelijk het deeltje aan het schuintrekken. Dit omvat vergelijken driehoekige kwadratische substraat configuraties en verschillende mobiele parels diameters. De invloed van de sediment bed geometrie lijkt meer op hogere Re * worden uitgesproken. Voor dezelfde mate van uitstulping, kritische Shields in het Re onderstaand(e) nummer 1 blijft ruim boven de waarde aan Re * variërend tussen 40 en 150.

Figure 5
Figuur 5: afhankelijkheid van de kritische Shields-nummer van de begrafenis mate van laminaire turbulente stroming voorwaarden. In het Re < 1, rhomboids, driehoeken, vierkanten en cirkels geven resultaten verkregen met driehoekig en kwadratische substraten met een tussenruimte van 14, 94 en 109 µm, respectievelijk. Open en solide symbolen vertegenwoordigen experimenten uitgevoerd met minder viskeuze en hoger viskeuze oliën, respectievelijk. Bij 40 < Re * < 150, driehoeken en vierkanten geven experimenten uitgevoerd met driehoekig en kwadratische substraten met geen afstand, respectievelijk. Zwart, blauw, rood, groen en paars geven aan experimenten uitgevoerd met glas, staal, aluminiumoxide, polystyreen sulfonaat en Plexiglas, respectievelijk. De gegevens in het Re < 1 worden gereproduceerd van Agudo et al. (2012)38, met toestemming van AIP Publishing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Presenteren we twee verschillende experimentele methoden voor het karakteriseren van de beweging van de beginnende deeltje als een functie van de sediment bed geometrie. Voor dat doel gebruiken we een monolayer van bollen regelmatig gerangschikt volgens een driehoekige of kwadratische symmetrie op zodanige wijze dat de geometrische parameter naar een enkele geometry vereenvoudigt. In de sluipende stroom beperken beschrijven we de experimentele methode met behulp van een roterende rotameter ertoe de laminaire schuintrekken stroom zoals in eerdere studies39,40,41. Voorbereidende experimenten is gebleken dat de beginnende beweging bleef onafhankelijk van eindig-grootte effecten van het substraat zoals de radiale locatie of de afstand van de upstream grens van het substraat38. Ook het nummer van de kritische Shields bleek te zijn onafhankelijk van de relatieve stroom onderdompeling binnen een interval Equation 71 variërend tussen de 2 en 12 en onafhankelijk van de traagheid tot een Equation 72 van ongeveer 338. Boven deze waarde, werd een toename kritische Shields waargenomen als gevolg van storingen als gevolg van een secundair stroom geïnduceerd door de roterende plaat. Deze factor beperkt de maximale Equation 72 voor de experimentele procedure beschreven in het eerste deel van het manuscript. De tweede experimentele methode is ontworpen om aan te pakken van het hydraulisch overgangs- en het regime voor ruwe turbulente stroming. De schuifspanning wordt veroorzaakt door een lage snelheid windtunnel. We uitgevoerd om vast te stellen een reeks parameters onafhankelijk van elke grootte of grens effect van het substraat, metingen van de turbulente grenslaag op afstanden van 50, 80, 110, 140, 170 en 200 mm van de voorrand. Bij 50, 80, 110 en 200 mm, werd de grenslaag gemeten op 4 verschillende posities in de breedte richting, 55, 65, 95 en 125 mm van een van de randen van het substraat. De grenslaag was 140 en 170 mm gemeten op twee verschillende posities in de breedte richting, 65 en 95 mm van een van de grens van het substraat. Alle metingen werden uitgevoerd op kritische gratis-stream snelheid voorwaarden, Equation 73 voor een (5.00 ± 0,25) mm glas kraal rustend op een driehoekige substraat gemaakt van (2.00 ± 0.10) mm kralen. Binnen het interval variërend tussen 80 en 200 mm, de vorm factor varieerde van 1.3 en 1.5 zoals verwacht voor turbulente grens lagen57. De profielen van de snelheid op dezelfde afstand van de voorrand waren in goede overeenkomst met elkaar, onthullend logaritmische coëfficiënten die van 5% omhoog tot 10% onafhankelijk van de breedte-richting variëren. Het geselecteerde bereik van parameters in de beschrijving van het protocol is zorgvuldig gekozen om ervoor te zorgen dat de kritische schilden nummer bleef onafhankelijk van enig effect van de grens van de experimentele opstelling. Dit geldt voor beide experimentele methoden.

De drempel voor beginnende beweging is afhankelijk van de wijze van beweging die op zijn beurt een functie van de geometrische eigenschappen van de bed zoals de blootstelling van het deeltje is. Bij hoge Reynolds getallen verwachting beginnende beweging naar gebeuren door te rollen als het deeltje wordt sterk blootgesteld aan de stroom14,65. Voor individuele deeltjes die zijn bijna volledig afgeschermd door buren, kan opheffing echter een meer geschikte modus14. Bij laminaire vereenvoudigt de situatie aangezien lift krachten meestal verwaarloosde16,17,40,44,45,66 zijn en rollen of glijden uitgegaan van de hoofdmodus voor beginnende beweging. Goed karakteriseren de kritische Shields-nummer als een functie van de geometrie van het bed, moet de modus van de beweging eerst worden grondig geanalyseerd. Voor dat doel, we registreerden de particle beweging en gebruikten we een afbeelding proces algoritmen om de hoek van de rotatie van de kraal39te berekenen. Als deze waarde overeenkomt met de theoretische hoek voor zuiver rollen als afgebeeld in Figuur 2, onder g , of in het oorspronkelijke bereik van Figuur 3, onder g, de kritische schilden nummer kan worden afgeleid door het gebruik van Eq. 1 en Eq. 8 voor de afdelingen 1 en 2 van het protocol , respectievelijk. Het algoritme identificeert deeltje posities en merken om te studeren hiervoor en glijdende motie met een minimum van man interventies. Het volgen van het deeltje is gebaseerd op een Canny-randzoeker en Hough transformeren. Deze combinatie is bewezen om te zorgen voor een robuust en betrouwbaar hulpmiddel bij het bestuderen van granulaire vervoer processen1,39,67,68. Aan de andere kant, is de mark-detectie gebaseerd op eenvoudige grijstinten drempelmethode. Het grootste nadeel van het algoritme is dat de drempel moet worden aangepast afhankelijk van de imaging systeem. Hoewel het algoritme in rekening geometrische sancties s, de merken neemt, de tracking is meer vatbaar voor fouten als gevolg van verschillende drempelwaarden en de schommelingen van de lichtintensiteit, zoals kan worden gezien, bijvoorbeeld, van de vermelding van de blauwe cirkel de zwaartepunt van een merk dicht bij het centrum van de parel in de momentopname van Figuur 3, onder e en 3, onder f. Wij stellen voor verdere toepassingen, cross-correlatie technieken gebruiken om te detecteren mark verplaatsingen tussen opeenvolgende frames. Dit kan laten toe om een sub-pixel resolutie69 en de detectie van de hoek kan verbeteren als er veel merken aanwezig zijn.

Verschillende definities voor de drempelwaarde van het deeltje worden aangetroffen in de literatuur. Bij laminaire, geacht in sectie 1, het kritische Shields getal als een dimensieloze parameter voor het begin van de beweging is meestal gedefinieerd zoals in Eq. 1, dat wil zeggen met de karakteristieke shear stress als Equation 74 32,34 ,36,,70. Andere dimensieloze parameters zoals het Galileo-nummer zijn ook gevonden in laminaire flow37. Deze keuze, toch misschien lijkt voldoende op hogere deeltje Reynolds getallen waar traagheid is meer relevant dan wrijving. De definitie in Eq. 1 lijkt met name voldoende in de sluipende-flow grens waar is gebleken dat een deterministische modellering gebruikt, waarbij geldig is wanneer de geometrische parameter wordt vereenvoudigd tot een regelmatige structuur-40. Deze verklaring is in overleg met de maximale standaarddeviaties in de orde van 5-7% zoals gemeten met het experimentele systeem zoals beschreven in sectie 1. De standaarddeviatie als geraamd in de stap 1.4.2.3, kenmerkt de toevallige fout verband met de rheometer en schommelingen als gevolg van lokale onvolkomenheden op het substraat of in de grootte van de kraal. Opmerking dat schommelingen in de hydrodynamische krachten niet naar verwachting in het Re onder één. De kwadratische substraat met een afstand tussen de kralen 14 µm, kregen we een kritische Shields getal gelijk is aan 0.040 ± 0.00238. De standaarddeviatie werd bepaald rekening houdend met alle afzonderlijke metingen van Figuur 5, dwz., vijf verschillende wordt uitgevoerd voor elke materiële combinatie in drie verschillende lokale posities. Waarden tot 7% voor de standaarddeviatie worden gevonden voor andere substraat configuraties aan te tonen de precisie van de methode. Het is de moeite waard hier te opmerking, dat afgezien van afwijkingen in de draad maaswijdte, de substraten soms grotere lokale onvolkomenheden zoals Holten waar de vaste kraal heeft zijn vrijstaand of presenteren zoals variaties in hoogte. Een visueel onderzoek van de boven- en zijkant camera wordt daarom aangeraden vóór het begin van de meting. High-resolution 3D laserafdrukken mogen worden gebruikt voor de opbouw van de substraten in verdere toepassingen waar een sub micron resolutie vereist is.

Wanneer de parel is gedeeltelijk of volledig blootgesteld aan de turbulente stroming, geacht in sectie 2, moet de rol van piekwaarden turbulente-snelheid en de duur worden beschouwd als we proberen te identificeren van de beginnende particle beweging. De impuls14,71 of de energie criterium62 weergegeven als een waardevol alternatief voor het klassieke Shields-criterium. Zij stellen dat afgezien van de hydrodynamische force, de karakteristieke tijdschaal van stroom structuren goed geparametriseerd71 moeten. Voor dat doel, dezelfde algoritme dat tijd-gemiddeld verkrijgt en kwadratische gemiddelde snelheden, maakt een schatting van de duur van de energetische flow gebeurtenissen op basis van de voorwaarde Equation 75 . Voor de illustratieve experiment van Figuur 4, onder e, blijft de duur van de energetische flow gebeurtenissen in de orde van 1-2 ms. als we een sleep coëfficiënt gegeven gebruikten door Equation 76 in Eq. 10 zoals voorgesteld door Vollmer en Kleinhans 200713 of Ali en Dey 201620 op basis van Coleman's experimenten72, de gewijzigde Equation 77 blijft boven de vorige waarde, en de gemeten maximale duur af tot ongeveer 1.6 ms. In ieder geval, de duur blijft ruim onder de orde van 10 ms, zoals opgemerkt in eerdere experimenten van Valyrakis, Diplas et al. 2013 uitgevoerd in een water kanaal62. Daarnaast is het algoritme bepaalt de integraal lengte-schaal zoals blijkt uit El-Gabry, Thurman et al. 201473 op basis van Roach's methode74. Op een afstand van de helft van de kraal diameter van het substraat is de geschatte macro-schaal lengte schaal ongeveer 1,5 mm. Het is aangetoond dat de meeste van de energetische gebeurtenissen die kunnen leiden tot de beginnende beweging een karakteristieke lengte van over twee tot vier deeltje diameters62moet hebben. Deze verklaring kan dus aangeven dat de energetische gebeurtenissen veroorzaakte in onze windtunnel van het lage snelheid zijn niet in staat om te activeren van de beginnende beweging. Dit is in overeenstemming met een gemiddelde snelheid iets boven de kritische waarde zoals afgebeeld in Figuur 4(e)en standaarddeviaties minder dan 8% in Equation 73 voor 5 mm kralen onafhankelijk van het materiaal zoals opgemerkt in de experimenten. De standaarddeviatie in Equation 73 als berekend in stappen 2.2.5-2.2.6 biedt een schatting van de willekeurige schommelingen geassocieerd met de parameters van de stroom, maar ook naar lokale imperfecties op de reguliere substraat. Voor de aluminiumoxide kraal met diameter van 5 mm, kregen we een Equation 73 gelijk aan 12.30 ± 0,23 m/s. Deze standaarddeviatie werd bepaald rekening houdend met 10 afzonderlijke punten in drie verschillende posities op dezelfde afstand van de voorrand. Voor kralen van 2 mm verhoogt de standaarddeviatie tot ongeveer 14%. Gezien deze resultaten besloten we om het gebruik van het criterium van de schilden met een kritische Shields nummer als omschreven in Eq. 8 te karakteriseren de beginnende beweging. Bovendien, in plaats van een kans van entrainment presenteren, kiezen we om een specifieke waarde van het kritische Shields getal met een representatieve mate van onzekerheid. Er zijn twee voornaamste bronnen van onzekerheid in Eq. 6 teneinde de snelheid schuintrekken: Equation 73 en Equation 78 . De relatieve onzekerheid op Equation 73 is afgeleid van de standaardafwijking van de metingen. De relatieve onzekerheid in Equation 78 is gerelateerd aan het meten van de turbulente grenslaag. Op dezelfde afstand van de voorkant motorkap, typische afwijkingen op het bereik van de fit coëfficiënt tussen 5 en 10% afhankelijk van de snelheid van de ventilator die in bochten is afhankelijk van de geometrie van het substraat en de dichtheid van de kraal. De relatieve onzekerheid in Equation 78 was uitgegaan van 10% in de meest conservatieve analyse. Dienovereenkomstig, de onzekerheid van Equation 79 varieert tussen 7 en 18% afhankelijk van het experiment. Foutbalken in Figuur 5 weergeven de onzekerheid van de schilden nummer na het toepassen van de bovengenoemde analyse, met inbegrip van relatieve onzekerheden over de diameter van de deeltjes, en de lucht en deeltje dichtheden

De experimentele protocol kunnen de karakterisatie van de beweging van de beginnende deeltje als een functie van de begrafenis graad in verschillende stroom regimes. Het gebruik van reguliere geometrieën vereenvoudigt de geometrische factor om een enkele geometrie en vermijdt enige twijfel over de rol van de buurt. Het criterium voor beginnende beweging wordt voldaan wanneer de parel van haar aanvankelijke standpunt naar het volgende evenwicht een verplaatst. Het gebruik van een algoritme voor beeldverwerking verduidelijkt de wijze van beginnende beweging. De experimentele methode beschreven in sectie 1 van het protocol is gebruikt in eerdere studies te wijzen op de sterke invloed van de lokale bed-regeling inzake de beginnende beweging onder laminaire voorwaarden38,39,40 , 41. het systeem was echter beperkt tot Re * onder 3. Bij hogere Re * stellen wij een nieuwe experimentele methode waarmee ons inspelen op de hydraulisch overgangsmaatregelen en het regime voor ruwe turbulente stroming. Interessant is dat de kenmerken van de turbulentie van het systeem in combinatie met een vereenvoudigde geometrische parameter stelt ons in staat om te karakteriseren de beginnende beweging met een kritische Shields nummer met onzekerheden die tussen 14 en 25 varieert %. Op Re * variërend tussen 40 en 150 presenteren we enkele representatieve voorbeelden van de toepassing. Zo een toekomstige omvang van het onderzoek, moet een breder scala van de Re * worden bedekt met bijzondere nadruk op het hydraulisch overgangsperiode flow regime waar minder gegevens beschikbaar in de literatuur zijn. Ook moeten experimenten op grotere begrafenis graden plaatsvinden. Deze resultaten kunnen worden gebruikt als een maatstaf voor meer complexe modellen. Bijvoorbeeld, is onlangs voorgestelde door Ali en Dey 2016 realistische model gebaseerd op een belemmering-coëfficiënt die wordt afgeleid uit experimentele resultaten alleen voor het geval van nauw verpakte sediment kralen20. Experimentele resultaten voor deeltjes die dat minder blootgesteld aan de stroom zijn, zoals behandeld in de sluipende stroom limiet kunnen leiden tot een extrapolatie van het model op grotere begrafenis graden. Daarnaast kan de voorgestelde experimentele methode toestaan ons te wijzen op de rol van turbulente coherente structuren op de beginnende particle beweging met een sterke vereenvoudiging van de geometrische factor. Dit is nog steeds slecht begrepen in de literatuur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen

Acknowledgments

De auteurs zijn dankbaar aan onbekende scheidsrechters voor waardevolle adviezen en Sukyung Choi, Byeongwoo Ko en Baekkyoung Shin voor de samenwerking bij het opzetten van de experimenten. Dit werk werd gesteund door de hersenen Busan 21 Project in 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

Engineering kwestie 132 granulaire Flow Particle/Fluid Flow sedimenttransport beginnende beweging
Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden
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