Waiting
Login processing...

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

Engineering

Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

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

Zwei verschiedene Methoden zur Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung eine einzelne Perle als Funktion der Sediment Bett Geometrie von laminarer zu turbulenter Strömung werden vorgestellt.

Abstract

Zwei verschiedene experimentelle Methoden zur Bestimmung des Schwellenwerts von Partikelbewegung als Funktion der geometrischen Eigenschaften des Bettes von laminar turbulente Strömungsverhältnisse werden vorgestellt. Zu diesem Zweck wird die beginnende Bewegung eine einzelne Perle auf regelmäßige Substraten untersucht, die aus einer Monoschicht feste Kugeln einheitlicher Größe bestehen, die regelmäßig in dreieckige und quadratische Symmetrien angeordnet sind. Die Schwelle ist gekennzeichnet durch die kritische Zahl der Schilde. Das Kriterium für den Beginn der Bewegung ist definiert als die Verschiebung von der ursprüngliche Gleichgewichtslage mit dem benachbarten. Die Vertreibung und den Modus der Bewegung werden mit ein bildgebendes System identifiziert. Die laminare Strömung wird induziert eine parallele Festplattenkonfiguration Rotations Rheometer mit. Die Scherung Reynolds-Zahl bleibt unter 1. Die turbulente Strömung wird im Lowspeed Windkanal mit offenen Jet Messstrecke induziert. Die Luftgeschwindigkeit wird mit einem Frequenzumrichter am Gebläseventilator geregelt. Das Geschwindigkeitsprofil wird mit einem heißen Draht Fühler angeschlossen, ein heisser Film Anemometer gemessen. Scher Reynolds-Zahl schwankt zwischen 40 und 150. Die logarithmischen Geschwindigkeit und das modifizierte Wand Gesetz von Rotta vorgestellt werden verwendet, um die Scherung Geschwindigkeit aus den experimentellen Daten ableiten. Letzteres ist von besonderem Interesse, wenn die mobile Wulst der turbulenten Strömung in der sogenannten hydraulisch Übergangs Strömungsregime teilweise ausgesetzt ist. Die Schubspannung wird bei Beginn der Bewegung geschätzt. Einige anschauliche Ergebnisse zeigt den starken Einfluss des Winkels der Ruhe und der Exposition des Wulstes, Flow zu Scheren sind in beiden Regimen vertreten.

Introduction

Beginnende Partikelbewegung ist in den unterschiedlichsten industriellen und natürlichen Prozessen aufgetreten. Ökologischen Beispiele sind den ersten Prozess von Sediment transport im Fluss und Ozeane, Bett Erosion oder Düne Bildung u. a. 1,2,3. Pneumatische Förderung4, Beseitigung von Schadstoffen oder Reinigung der Oberflächen5,6 sind typische industrielle Anwendungen mit Beginn der Partikelbewegung.

Aufgrund der breiten Palette von Anwendungen wurde der Beginn der Teilchenbewegung mehr als ein Jahrhundert, vor allem unter turbulenten Bedingungen7,8,9,10,11ausgiebig studiert, 12,13,14,15. Viele experimentelle Ansätze wurden angewendet, um den Schwellenwert für den Beginn der Bewegung bestimmen. Die Studien umfassen Parameter wie das Teilchen Reynolds Zahl13,16,17,18,19,20, die relativen untertauchen 21 , 22 , 23 , 24 oder geometrischen Faktoren als der Winkel des ruhen16,18,25, Belastung durch die Strömung26,27,28,29, relative Korn Vorsprung29 oder streamwise Bett Steigung30.

Die aktuellen Daten für die Schwelle in turbulenten Bedingungen einschließlich12,31 breit verstreut sind und die Ergebnisse scheinen oft inkonsistente24. Dies ist vor allem aufgrund der Komplexität der Kontrolle oder der Bestimmung Strömungsparameter unter turbulenten Bedingungen13,14. Außerdem hängt die Schwelle für Sediment Bewegung stark von der Art der Bewegung, d.h. Rutschen, rollende oder anhebende17 und das Kriterium der beginnende Bewegung31zu charakterisieren. Letzteres kann in einem Bett erosionsgefährdet Sediment mehrdeutig sein.

Während des letzten Jahrzehnts haben experimentelle Forscher untersuchten beginnende Partikelbewegung laminare Strömungen32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, wo befindet sich das breite Spektrum der Längenskalen Interaktion mit dem Bett vermieden45. In vielen praktischen Szenarien impliziert Sedimentation der Partikel sind recht klein und das Teilchen Reynolds-Zahl bleibt niedriger als etwa 546. Auf der anderen Seite sind laminare Strömungen in der Lage, geometrische Mustern als Wellen und Dünen zu generieren, wie turbulente Strömungen42,47. Gleichnisse in beide Therapien haben gezeigt, zu reflektieren, Analogien in der zugrundeliegenden Physik47 damit wichtige Erkenntnisse für die Teilchentransport kann eine bessere beigezogen werden Experimentiersystem48gesteuert.

In Laminar-Flow bemerkte Charru Et Al. , dass die lokalen Umlagerung von einem körnigen Bett gleichmäßig große Kügelchen, so genannte Bett Armierung, führte zu einer schrittweisen Anhebung der Schwelle für das Auftreten von Bewegung bis gesättigte Bedingungen erreicht wurden 32. Literatur, zeigt jedoch unterschiedliche Schwellenwerte für gesättigte Bedingungen in unregelmäßig angeordneten Sediment Betten je nach Versuchsaufbau36,44. Diese Streuung möglicherweise aufgrund der Schwierigkeiten der kontrollierenden Partikel Parameter wie Ausrichtung, Vorwölbung Ebene und Kompaktheit der Sedimente.

Das Hauptziel dieser Handschrift ist im Detail beschreiben, wie die beginnende Bewegung der einzelnen Kugeln als Funktion der geometrischen Eigenschaften des Bettes horizontale Sediment zu charakterisieren. Zu diesem Zweck verwenden wir regelmäßige Geometrien, bestehend aus Monolagen feste Kügelchen, die regelmäßig nach dreieckigen oder quadratischen Konfigurationen geordnet. Ähnlich wie regelmäßige Substrate, die wir verwenden sind Anwendungen wie z. B. für die Vorlage-Montage von Partikeln in mikrofluidischen Assays49, Selbstmontage des Abformverfahren in geschlossenen strukturierten Geometrien50 oder intrinsische Partikel-induzierte entnehmen Sie bitte Transport in Mikrokanälen51. Noch wichtiger ist, ermöglicht es mit regelmäßigen Substrate, markieren Sie die Auswirkungen der lokalen Geometrie und Orientierung und Schrecksekunde über die Rolle der Nachbarschaft zu vermeiden.

In Laminar-Flow beobachteten wir, dass die kritische Schilde von 50 % nur je nach Abstand zwischen Substrat und damit auf die Belichtung des Wulstes, der Fluss38gestiegen. Auch wir fanden, dass die kritische Zahl der Schilde von bis zu einem Faktor von zwei je nach Ausrichtung des Substrates auf die Strömung Richtung38geändert. Wir haben festgestellt, dass unbewegliche Nachbarn nur den Beginn des mobilen Wulstes beeinflussen, wenn sie näher als etwa drei Partikel Durchmesser41waren. Ausgelöst durch die Experiment-Ergebnisse, haben wir vor kurzem eine rigorose Berechnungsmodell vorgestellt, die die kritische Zahl der Schilde in den schleichenden Fluss Grenze40vorhersagt. Das Modell deckt den Beginn der Bewegung von versteckten Perlen sehr ausgesetzt.

Der erste Teil dieser Handschrift befasst sich mit der Beschreibung der experimentellen Verfahren verwendet in früheren Studien auf Scherung Reynolds-Zahl Re *, niedriger als 1. Die laminare Strömung wird mit einem rotatorischen Rheometer mit einer parallelen Konfiguration induziert. In dieser niedrigen Reynolds Zahl Grenze das Teilchen soll nicht um jede Geschwindigkeit Schwankungen20 zu erleben und das System passt die sogenannten hydraulisch glatt Flow, wo die Partikel innerhalb der Viskose Unterschicht untergetaucht ist.

Sobald beginnende Bewegung bei Laminar-Flow besteht, kann die Rolle der Turbulenzen klarer geworden. Motiviert durch diese Idee, stellen wir ein neuartige experimentelle Verfahren im zweiten Teil des Protokolls. Verwende Lowspeed Windkanal Göttingen mit offenen Jet-Messstrecke, die kritische Schilde Zahl in eine breite Palette von Re * einschließlich hydraulisch Übergangs fließen und das turbulente Regime bestimmt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über Kräfte und Drehmomente auf ein Teilchen aufgrund der turbulenten Strömung je nach Substrat Geometrie Verhalten. Außerdem können diese Ergebnisse als Maßstab für komplexere Modelle auf hohe Re * in ähnlicher Weise verwendet werden, dass bisherige Arbeit in Laminar-Flow, Semi-probabilistische Modelle52 zu ernähren oder den letzten numerischen Modellen53zu überprüfen verwendet worden ist. Wir präsentieren einige repräsentative Beispiele für Anwendungen bei Re * zwischen 40 und 150.

Die beginnende Kriterium ist als die Bewegung des Teilchens von seiner anfänglichen Gleichgewichtslage zur nächsten etabliert. Bildverarbeitung wird verwendet, um den Modus der Beginn der Bewegung, d.h. ermitteln Rollen, schieben, heben39,41. Zu diesem Zweck wird der Drehwinkel des mobilen Sphären, die manuell gekennzeichnet wurden erkannt. Der Algorithmus ermittelt die Position der Marken und vergleicht es mit dem Mittelpunkt der Kugel. Eine erste Reihe von Experimenten führte in beiden Versuchsanordnungen zu klären, dass die kritische Zahl der Schilde unabhängig von endlicher Größeneffekte des Set-up und relativen untertauchen bleibt. Die experimentellen Methoden sollen somit einen anderen Parameter hängt von der kritischen Schilde Anzahl jenseits Re * und geometrischen Eigenschaften des Bettes Sediment auszuschließen. Re * ist abwechslungsreich mit verschiedenen Flüssigkeit-Partikel-Kombinationen. Die kritische Zahl der Schilde zeichnet sich als eine Funktion der Bestattung Grad, Equation 01 , definierte von Martino Et Al. 37 als Equation 02 wo Equation 03 ist der Winkel des Ausruhens, d. h. der Grenzwinkel bei welcher Bewegung54 tritt, und Equation 04 ist die Exposition, definiert als das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche, die effektiv die Strömung ausgesetzt um die totale Querschnittsfläche des mobilen Wulstes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

(1) beginnende Partikelbewegung in der schleichenden Flow-Grenze.

Hinweis: Die Messungen werden in einem rotatorischen Rheometer, der geändert wurde für diese spezielle Anwendung durchgeführt.

  1. Vorbereitung der Rheometer.
    1. Schließen Sie die Luftzufuhr zu dem Rheometer, um Beschädigungen der Luftlager zu vermeiden. Öffnen Sie das Ventil neben dem Luftfilter, bis ein Druck von ca. 5 Bar im System erreicht ist.
    2. Die Messplatte Fluid Thermostaten herstellen. Stellen Sie sicher, dass die Schläuche des Peltier-Elements mit dem Rheometer verbunden sind. Schalten Sie die Flüssigkeit Zirkulator und stellen Sie die gewünschte Temperatur (20 ° C).
    3. Montieren Sie die maßgeschneiderte Behälter, das regelmäßige Substrat auf dem Rheometer.
      1. Nehmen Sie das regelmäßige Substrat aus dem Behälter und reinigen Sie die Oberfläche sorgfältig mit destilliertem Wasser. Trocknen Sie die Oberfläche mit einem Objektiv-Reinigungstuch und entfernen Sie mögliche verbleibende Staub mit einem Gebläse.
        Hinweis: Die regelmäßige Substrate sind Monolagen von 15 x 15 mm2 errichtet von sphärischen Kalk-Natron-Glasperlen (405.9 ± 8,7) µm.
      2. Befestigen Sie mit 0,4 mm Dicke doppelseitiges Klebeband, das regelmäßige Substrat in den Container zu gewährleisten, das das Substrat-Center in einer Entfernung von 21 mm von der Drehachse ist.
      3. Legen Sie kundenspezifische Adapter auf dem Rheometer Teller.
      4. Montieren Sie maßgeschneiderte runden Behälter in die Platte um sicherzustellen, dass die flache Frontpartie Image System für Seite Aufzeichnung steht.
        Hinweis: Sicherstellen Sie, dass der Container komplett horizontal mit dem Wasserstand (0,6 mm/m). Legen Sie zu diesem Zweck den Wasserstand auf dem Behältnis parallel an der Rückseite des Geräts und mit den Stellfüßen Rheometer Ebene. Wiederholen Sie den Vorgang der Wasserstand um 90 Grad drehen.
    4. Schalten Sie das Rheometer. Warten Sie, bis der Startvorgang abgeschlossen ist und der Status "Ok" auf dem Bildschirm des Geräts erscheint.
    5. Starten Sie den Computer und die Rheometer-Software. Initialisieren Sie die Rheometer und stellen Sie den Temperaturregler aus dem Control Panel der Software auf den gewünschten Wert (20 ° C).
    6. Montieren Sie das maßgeschneiderte Mess-System. Aufbau der Null Lücke aus der Software.
      Hinweis: Vor der Einstellung der Null Lücke, sicherzustellen Sie, dass es keine mobilen Perlen auf dem Substrat gibt und Substrat Grenzen nicht verbogen sind. Ein Fehler bei der Festlegung des Null-Abstand führt zu einer systematischen Fehler bei der Berechnung der Scherung zu bewerten und daher in der Folgebewertung der kritischen Schilde Nummer. Eine absolute Unsicherheit von 0,05 mm wird in die Spaltweite ausgegangen, wenn der kritische Schilde Berechnung.
    7. Heben Sie die Messplatte bis 30 mm an und entfernen Sie es.
    8. Füllen Sie den Behälter mit ca. 70 mL 100 mPa·s Silikonöl. Stellen Sie sicher, dass das Niveau der Flüssigkeit in den Behälter oben 2 mm bleibt. Das Silikonöl sollte nicht den oberen Teil der transparenten Platte abdecken. Warten Sie ca. 15-20 min für das thermische Gleichgewicht. Während dieser Zeit stellen Sie die bildgebenden Systemen (siehe Schritt 2 aus dem Protokoll).
      Hinweis: Die Temperatur, die feststeht (295.15 ± 0,5) K hier erfolgt mit einem Peltier-Element mit dem Rheometer verbunden und mit einem externen Thermometer gemessen. Schwankungen von weniger als 0,5 K werden während der Experimente beobachtet.
  2. Die imaging-System anpassen.
    1. Schalten Sie die 300 W Xenon-Bogenlampe. Passen Sie die flexible Lichtleiter um das Korn von der Seite durch die transparenten Wände des Behälters zu beleuchten.
    2. Passen Sie die LED-Lichtstärke um starke Lichtreflexion auf dem Substrat zu vermeiden.
    3. Passen Sie die imaging-System konzipiert für die Aufnahme der Partikelbewegung von oben durch das transparente Messplatte.
      1. Inbetriebnahme der imaging-Software vom Computer und wählen Sie aus der Startdialog monochrome Profil.
      2. Öffnen Sie die 768 x 576 CMOS-Kamera von der imaging-System auf der Oberseite der Container installiert. Starten Sie das live-Video.
      3. Passen Sie die horizontale Positionierung Bühne bis die Referenzposition, die zuvor in der Mitte des Substrats gekennzeichnet wurden in der Mitte des Bildes angezeigt wird.
      4. Passen Sie die vertikale Positionierung Bühne auf dem Substrat zu konzentrieren.
      5. Legen Sie vorsichtig eine markierte Kalk-Natron-Glaskugel (405.9 ± 8,7) µm.
      6. Sicherstellen Sie, dass mindestens eines der Kennzeichen platzierte in einem Abstand von ca. 75 % des Radius Wulst oder größeren von der Drehachse. Wenn dies nicht der Fall ist, verschieben Sie manuell die Messung der Platte, um die Bewegung des Wulstes, der nächste Gleichgewichtslage zu erreichen (siehe Abbildung 2(a) als Referenz).
        Hinweis: Um eine ordnungsgemäße Überwachung während der Bewegung sind mobile Perlen mit mehreren Flecken getrennt von etwa 45° markiert (siehe Abbildung 3(a)). Der Code enthält ein einfaches Steuerelement Kapitalflussrechnung um Mark Misassignment zu minimieren, um den Drehwinkel zu berechnen. Für weitere Details verweisen wir auf Agudo Et al. 2017-39.
      7. Öffnen Sie das Dialogfeld zum Festlegen der Kameraparameter und passen Sie die Frame-Rate auf 30 fps. Passen Sie die Belichtungszeit um sicherzustellen, dass die Markierungen richtig aus dem Wulst Umfang auszeichnen.
        Hinweis: Die Kalk-Natron-Glas Sphäre eingetaucht in eine Silikonöl von 100 mPa·s erfordert ca. 4 Sekunden, um die Wasserscheide in den benachbarten Gleichgewichtslage von seiner ursprünglichen Position bewegen. Daher ermöglicht eine Bildrate von 30 fps eine Unsicherheit von weniger als 1 %.
    4. Montieren Sie die Messplatte, dem Rheometer.
    5. Der Messabstand auf 2 mm einstellen
      Hinweis: Der Fokus der Top-Kamera muss aufgrund des Vorhandenseins der Plexiglas-Platte leicht nachreguliert werden.
    6. Passen Sie das Abbildungssystem entwickelt, für die Aufnahme der Partikelbewegung von der Seite durch die transparente Objektträger.
      1. Öffnen Sie die 4912 x 3684 CMOS-Kamera von dem abbildenden System installiert an der Vorderseite des Behälters und Start-up-das live-Video.
      2. Passen Sie die vertikale und die horizontale Positionierung Stadium parallel zu dem Rheometer platziert, bis die markierten Perle in der Mitte des Bildes angezeigt wird.
      3. Das Sichtfeld der oberen Fläche des Substrats, das Korn und das Unterteil der messende Scheibe enthält das modulare Zoom-Objektiv justiert.
      4. Passen Sie die horizontale Positionierung Bühne platziert senkrecht zu dem Rheometer auf den Wulst konzentrieren.
      5. Öffnen Sie das Dialogfeld zum Festlegen der Kameraparameter und passen Sie die Frame-Rate auf 30 fps.
  3. Ermitteln Sie die kritische drehende Geschwindigkeit für den Beginn der Bewegung.
    1. Erhöhen Sie die Drehzahl n, von 0,02 bis 0,05 Umdrehungen pro Sekunde in kleinen Schritten von 0,00025 Umdrehungen in der zweiten mit dem Rheometer Software linear.
      1. Doppelklicken Sie im Fenster "Messung" auf die Zelle für den Steuerelementtyp und bearbeiten Sie den Bereich der Geschwindigkeit von 0,02 bis 0,05 Umdrehungen pro Sekunde.
      2. Doppelklicken Sie auf die Einstellung der Uhrzeit und geben Sie die Nummer der Messung Punkte, 60 und die Dauer jeder Messung 5 s.
      3. Legen Sie eine Tabelle, die Drehzahl als Funktion der Zeit darstellt.
    2. Öffnen Sie das live-Video von den oberen und seitlichen Kameras. Starten Sie eine Video-Sequenz von beiden Kameras über die imaging-Software.
    3. Starten Sie die Messung mit dem Rheometer-Software.
      Hinweis: Ein Vorversuch mit einer größeren Schritt empfiehlt sich vor Schritt 1.3.1.1 um den Drehzahlbereich grob schätzen an dem die beginnende Bewegung passieren wird. In einem Abstand von 21 mm von der Drehachse und mit Silikonöl von 100 mPa·s zum Beispiel die Glasperle bewegt sich mit Geschwindigkeiten von ca. 0,035 Umdrehungen pro Sekunde drehen. Daher scheint eine Reihe von 0,02 bis 0,05 Umdrehungen pro Sekunde für das Experiment.
    4. Achten Sie genau auf das live-Video von oben oder von der Seitenkamera und stoppen Sie die Messung zu, wenn die Wulst aus ihrer Gleichgewichtslage verdrängt. Beachten Sie die Geschwindigkeit, an der die Perle der Separatrix in der benachbarten Gleichgewichtslage kreuzt. Bekannte Drehgeschwindigkeit stellt die kritische Drehgeschwindigkeit, nC. Stoppen Sie die Video-Sequenzen.
      Hinweis: Sicherstellen Sie, dass die Schrittgröße sehr klein ist, dass die Erhöhung der Geschwindigkeit während des Zeitintervalls, die das Korn erfordert Übergang von seiner Ausgangsposition in der benachbarten nicht mehr als 1 % des kritischen Wertes.
    5. Legen Sie die Perle wieder in seine ursprüngliche Position. Dies kann manuell die rotierende Platte verschieben, bis die Perle eine Position wieder verdrängt. Wiederhole das Experiment fünfmal unter Hinweis auf die mittlere biegekritische Drehzahl und die Standardabweichung.
    6. Wiederholen Sie die Schritte 1.3.1, 1.3.5 mit einem anderen markierten Korn in 2 benachbarten Positionen in die Mitte des Substrats.
  4. Die Analyse der Daten.
    1. Bestimmen Sie den Modus der Bewegung: analysieren Sie die Reihenfolge der Bilder vorher aufgezeichnet von oben oder von der Seite mit dem Algorithmus wie Agudo Et Al. 201739beschrieben.
    2. Bestimmen Sie die kritische Zahl der Schilde und die Scherung Reynolds-Zahl.
      1. Erhalten Sie die kritischen Schilde Zahl aus der folgenden Gleichung40
        Equation 05(1)
        wo Equation 06 stammen aus Schritt 1.3.4, Equation 06 ist die kinematische Viskosität, Equation 08 und Equation 09 sind Partikel und flüssige Dichte, Equation 10 ist der Erdbeschleunigung und Equation 11 ist der mobile Perle Durchmesser, alle Sie bekannt. Equation 12 ist die Spaltweite, definiert als der Abstand vom oberen Rand der Substrat-Kugeln auf der Messplatte, d.h. 2 mm und r ist der radiale Abstand des Teilchens von der Drehachse, d.h. 21 mm.
      2. Erhalten die Scherung Reynolds-Zahl, Re * basierend auf die scher-Geschwindigkeit aus den folgenden Gleichungen:
        Equation 13(2)
    3. Wiederholen Sie den Vorgang von 1.1.3 zu 1.4.2 mit verschiedenen regelmäßigen Substrat.
    4. Verwenden Sie verschiedene Wulst dichten und unterschiedlichen flüssigen Viskositäten um ein breites Spektrum von der Re * von schleichenden Strömungsverhältnisse bis 1 abdecken.

(2) beginnende Partikelbewegung das hydraulisch Übergangs- und grobe Turbulent Regime.

Hinweis: Die Messungen erfolgen in einem angepassten Lowspeed Windkanal mit offenen Jet-Messstrecke, Göttingen Typ.

  1. Vorbereitung der imaging-System.
    1. Befestigen Sie das quadratische Substrat in der Mitte der Messstrecke.
    2. Stellen eine 5 mm Aluminiumoxid Perle markiert zuvor auf die gewünschte Ausgangsposition (110 mm von der Vorderkante und 95 mm von der Seite).
    3. Die Hochgeschwindigkeitskamera gekoppelt an das Makro-Objektiv mit dem Computer verbinden und einschalten. Die Ziel-Bead klar im Bild ist das Makro-Objektiv justiert.
    4. Initiieren Sie die imaging-Software auf dem Computer. Aktivieren Sie "Live-Kamera", und "Samplerate" auf 1000 fps.
    5. Schalten Sie die LED-Lichtquelle und passen Sie die Intensität als auch der Fokus der Kamera, um ein klares Bild des Partikels und ihrer Marken zu erreichen.
      Hinweis: Sicherstellen, dass mindestens eines der Kennzeichen platzierte in einem Abstand von ca. 75 % des Radius Wulst oder von der Drehachse größer ist (siehe Abbildung 3(a) als Referenz).
  2. Bestimmung der kritischen Lüfterdrehzahl für den Beginn der Bewegung.
    1. Legen Sie die Drehzahl des Lüfters deutlich unter dem kritischen Wert (ca. 1400 u/min für die 5 mm Aluminiumoxid Perle).
    2. Starten Sie die Aufzeichnung durch drücken den Auslöser auf der imaging-Software.
    3. Erhöhen Sie die Geschwindigkeit in Stufen von ca. 4 bis 6 u/min alle 10 s bis beginnende Bewegung auftritt.
    4. Hinweis: der biegekritischen Drehzahl-Wert an die beginnende Bewegung auftritt und die Videosequenz zu stoppen.
    5. Legen Sie eine neue markierte Perle auf die gleiche Ausgangsposition und wiederholen Sie den Vorgang von 2.2.1 bis 2.2.4 zehnmal. Beachten Sie die kritische Geschwindigkeit bei jeder Messung.
    6. Wiederholen Sie den Vorgang von 2.2.1 auf 2.2.5 im gleichen Abstand von der Vorderkante aber bei 65 und 125 mm aus der Seitenkante beziehungsweise. Beachten Sie die kritische Geschwindigkeit bei jeder Messung.
  3. Vorbereitung der konstanten Temperatur Hitzdraht-Anemometer (CTA).
    1. Die CTA-Control-Funktion zur Seite zu stehen und den Widerstand der Dekade auf 00,00 eingestellt. Schalten Sie den Hauptschalter betätigen und warten Sie ca. 15-20 min zum Aufwärmen.
    2. Stecken Sie die kurzschließen Sonde und wechseln Sie die CTA-Control-Funktion zur Widerstandsmessung. Passen Sie die Null Ohm, bis die Nadel in die rote Markierung gesetzt ist und zurück schalten Sie die Kontrollfunktion auf Standby.
    3. Ersetzen Sie die kurzschließen Sonde von der Miniatur-Hot-wire-Sonde. Wechseln Sie die CTA-Control-Funktion zur Widerstandsmessung. Passen Sie die Widerstand Schalter, bis die Nadel in die rote Markierung gesetzt ist.
      Hinweis: Der gemessene Widerstand entspricht der Kältebeständigkeit der Miniatur-Sonde. Der gemessene Wert sollte im Einvernehmen mit den Wert des Herstellers (3,32 Ω).
    4. Schalten Sie die CTA-Funktion stehen und passen die Widerstandsdekade bis 5,5 Ω, eine Überhitzung-Verhältnis von ca. 65 % zu erreichen.
    5. Messen Sie den Frequenzgang des CTA an die mittlere biegekritische Drehzahl (Schritt 2.2.4).
      1. Schalten Sie den Lüfter und die Drehzahl des Lüfters auf den kritischen Wert, ca. 1400 u/min festgelegt. Schalten Sie das Oszilloskop.
      2. Schalten Sie die quadratische Wellengenerator des CTA.
      3. Initiieren der Oszilloskop-Software auf dem Computer und öffnen Sie die CSV-Modul um die Datenerfassung zu ermöglichen. Wählen Sie den Kanal (CH1) und speichern Sie die Aufzeichnung von Daten d.h. Zeit und Spannung unter den Namen der gewünschten Datei. Warten Sie, bis die Messungen (ca. 3 min) beenden.
        Hinweis: Die Grenzfrequenz errechnet sich aus der Antwortzeit, an dem die Spannung auf ein Niveau von - 3db gesunken (siehe Abbildung 4(a)).
      4. Den quadratische Wellengenerator ausschalten und die CTA-Funktion auf Standby gesetzt.
  4. Kalibrierung der CTA.
    1. Schalten Sie die CTA-Funktion zu bedienen. Stellen Sie sicher, dass die Sonde auf eine ausreichende Höhe von der Platte so eingestellt ist, dass es in der kostenlosen online Stream-Zone befindet.
    2. Die Ventilator-Drehzahl bis 200 u/min eingestellt. Messen Sie die streamwise Geschwindigkeit in der kostenlosen online Stream-Zone mit dem Flügelrad-Anemometer und lesen Sie die Spannung auf dem Oszilloskop zu.
    3. Wiederholen Sie Schritt 2.4.2 für verschiedene Drehzahlen mit einem festen Schrittweite von 50 u/min bis ca. 1450 u/min (insgesamt 26 mal gelesen).
    4. Eine Korrelation zwischen der u/min und der gemessenen gratis-Stream streamwise Geschwindigkeit, Equation 14 . Erhalten die kritische Geschwindigkeit, Equation 15 , entsprechend der kritischen Drehzahl für die einzelnen Messungen von Schritten 2.2.5 auf 2.2.6. Berechnen Sie die mittlere Geschwindigkeit für kritische gratis-Stream, Equation 16 und die Standardabweichung der Messungen.
    5. Eine Korrelation zwischen der Geschwindigkeit und die Spannung nach einem dritten Grades Polynom Anfall zu etablieren:
      Equation 17(3)
      Hier, Equation 18 misst man die streamwise Geschwindigkeit in m/s, Equation 04 ist die Spannung in Volt (V) gemessen und Equation 19 sind die Fit-Koeffizienten. Die Kalibrierkurven werden in Abbildung 4(b) vor und nach den Messungen das Geschwindigkeitsprofil angezeigt.
  5. Die streamwise Geschwindigkeit, mit der Wand-Normal-Position bei kritischen Bedingungen zu messen.
    1. Entfernen Sie die markierten Perle vom Substrat.
    2. Der heiße Draht-Temperaturfühler auf die gewünschte Ausgangsposition (110 mm von der Vorderkante und 95 mm von der Seite) platziert wird das Handrad der horizontalen Positionierung Bühne justiert.
    3. Stellen Sie sorgfältig das Handrad der vertikalen Positionierung Stadium, bis die Sonde als platziert ist möglichst nahe an der Substratoberfläche. Sehen Sie durch die Kamera gekoppelt an das Makro-Objektiv, um sicherzustellen, dass der Draht nicht die Substratoberfläche berühren. Den Nullwert in die digitale Anzeige an dieser Position gesetzt.
      Vorsicht: Der heiße Draht ist sehr empfindlich und wenn sie die Oberfläche berührt, wird es brechen. Aus Gründen der Sicherheit, wir legen die Sonde in einem Abstand von 0,05 mm über die Oberkante des Substrats Kugel (siehe Abbildung 1(e) als Referenz). Dies entspricht eine normalisierten Wand-Normal-Komponente Equation 20 wo Equation 21 ist der Messwert, Equation 22 ist die Scherung Geschwindigkeit und Equation 23 ist die kinematische Viskosität von Luft bei Betriebstemperatur. Beachten Sie, dass der Startwert unter Equation 24 wo die Viskosität ist dominant55.
    4. Die Drehzahl der Lüfter auf die mittlere Drehzahl bei der die beginnende Bewegung auftritt, siehe Punkt 2.2.4. Die gratis-Stream Geschwindigkeit entspricht also Equation 25 .
    5. Passen Sie die Sampling-Rate zu 1 kSa und die Anzahl der Samples auf 6000 auf dem Oszilloskop (total Abtastzeit von 6 s). Wählen Sie den Kanal (CH1) und starten Sie die Messung. Die Aufnahmedaten unter dem gewünschten Dateinamen zu speichern. Warten Sie, bis die Messungen (ca. 3 min) beenden.
    6. Erhöhen Sie die Wand-Normal-Position der Sonde, indem ein Inkrement von 0,01 mm bis zu 0,4 mm, und eine Schrittweite von 0,1 mm bis zur Höhe von 10 mm. Dies entspricht insgesamt 137 Punkte für die Velocity-Profil-Kurve. Speichern Sie die aufgezeichneten Daten für jede Höhe.
  6. Die Analyse der Daten.
    1. Berechnen Sie die mittlere streamwise Geschwindigkeit und Intensität der turbulenten für jede Wand-Normal-Position.
      1. Führen Sie die selbst entwickelten Algorithmus, um statistischen Größen zu bewerten. Öffnen Sie das Skript und wählen Sie den Ordner mit der Kalibrationskurve und die gespeicherten Daten für jeden der die gemessene Höhe.
        Hinweis: Das Skript berechnet zuerst die Fit-Koeffizienten aus der Eichkurve wie in GL. 3 dargestellt. Für jede Höhe, berechnet es die momentane streamwise Geschwindigkeit Equation 26 durch die Verwendung von GL. 3 und die integralen Zeitskala berechnet, indem die Autokorrelation Methode56. Danach berechnet er im zeitlichen Mittel, Equation 27 und die Wurzel Quadrat Geschwindigkeit, Equation 28 , für Proben, die durch zwei Mal die integrale notwendig für die Zeit gemittelt Analyse getrennt sind.
      2. Plot der dimensionslose senkrecht Equation 29 gegen die dimensionslose streamwise Zeit Durchschnittsgeschwindigkeit Equation 30 , wo Equation 31 ist der Durchmesser der Kugeln Substrat. Plot Equation 29 gegen die dimensionslose Wurzel Quadrat Geschwindigkeit Equation 32 . Abbildung 4 (c)-(d) zeigt die Ergebnisse für den Fall der Tonerde 5 mm Wulst.
    2. Die Scherung Geschwindigkeit aus den experimentellen Daten zu berechnen.
      1. Passen Sie die dimensionslose Zeit durchschnittliche Geschwindigkeit mit dem logarithmischen Geschwindigkeit Verteilung57
        Equation 33(5)
        wo Equation 34 ist die Geschwindigkeit Scherung Equation 35 ist die von Kármán konstante und Equation 36 ist eine konstante, die von der Schere Reynolds Nummer26abhängt. Die durchgezogene Linie in Abbildung 4(c) ist eine logarithmische Passform zur Zeit durchschnittliche Geschwindigkeit.
        Bemerkung: Von der Anpassung an die experimentellen Daten, kann es gezeigt, dass die Scherkräfte Velocity, Equation 34 ist gegeben durch:
        Equation 37(6)
        wo Equation 38 ist die logarithmische Fit-Koeffizienten und Equation 39 20.
        Die Viskose Unterschicht Equation 40 bleibt über die Oberkante des Substrats Sphären in unseren Experimenten. Im strengsten Szenario sollte gesetzlich veränderten Geschwindigkeit, präsentiert von Rotta20,58EQ. 5 ersetzt werden.
        Equation 41(7)
        wo Equation 42 und Equation 43 . Equation 40 ist die Dicke der Viskose Unterschicht, die etwa durch berechnet werden können Equation 44 55.
        Der Algorithmus berechnet direkt die Scherung Geschwindigkeit aus den Anfall von Versuchsdaten EQ. 5 und EQ. 7. Die blauen Symbole in Abbildung 4(c) repräsentieren die Passform an die experimentellen Daten gemäß GL. 7.
        Bei Re * über 70 Equation 40 stellt bis zu 5 % der mobilen Perle Durchmesser und mit ein Anfall von EQ. 5 und EQ. 7 beinhaltet eine Variation auf Equation 22 innerhalb der angenommenen Unsicherheit. Vergleichen Sie durchgezogene Linie und blauen Symbole in Abbildung 4(c) bei einem Re * von etwa 87,5.
    3. Bestimmen Sie den Modus der Bewegung: analysieren Sie die Reihenfolge der Bilder, die zuvor von der Seite mit dem Algorithmus aufgenommen, wie in Agudo Et Al. 201739beschrieben.
    4. Bestimmen Sie die kritische Zahl der Schilde und die Scherung Reynolds-Zahl.
      1. Erhalten Sie die kritischen Schilde Zahl aus der folgenden Gleichung22
        Equation 34(8)
        wo Equation 34 stammen aus Schritt 10.2, Equation 08 und Equation 46 sind Partikel und Flüssigkeit dichten, Equation 10 ist der Erdbeschleunigung und Equation 11 ist der mobile Perle Durchmesser, alle von ihnen bekannt.
      2. Erhalten das Teilchen Reynolds Zahl, Re *, aus den folgenden Gleichungen:
        Equation 47(9)
      3. Wiederholen Sie das Verfahren für die Messung des Geschwindigkeitsprofils als Funktion der Koordinate Wand-Normal, Schritt 2.5, im gleichen Abstand von der Vorderkante aber bei 65 und 125 mm in Breitenrichtung, beziehungsweise.
      4. Wiederholen Sie den Vorgang von 2.1 bis 2.6.4.3 mit verschiedenen Perlen Größen und regelmäßige Substrate.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Abbildung 1 (a) stellt eine Skizze der Versuchsaufbau verwendet, um die kritische Zahl der Schilde in der schleichenden Fluss Grenze, Abschnitt 1 des Protokolls zu charakterisieren. Die Messungen erfolgen in einer rotatorischen Rheometer, die geändert wurde für diese spezielle Anwendung. Eine transparente Plexiglasplatte von 70 mm Durchmesser wurde sorgfältig an einer parallelen Platten von 25 mm Durchmesser befestigt. Die Trägheit des Mess-Systems wurde daher vor der Messung neu justiert werden. Ein maßgeschneiderte runder Behälter von 176 mm Durchmesser mit transparenten Wänden wurde konzentrisch mit dem Rheometer gekoppelt. Ein vertikaler Schnitt wurde im vorderen Bereich durchgeführt. Der vordere Bereich die Bildgebung zu verbessern war sorgfältig ein Objektträger befestigt. Lücke Einstellung Profil wurde nachgestellt, um das Vorhandensein des Behälters zu berücksichtigen. Die Geschwindigkeit der Platte wurde in der Nähe der Flüssigkeit Schnittstelle um den Wulst-Bewegung zu vermeiden, vor Beginn der Messung minimiert. In diesem System die einzelne Perle von oben durch das transparente Platte optisch verfolgt werden kann, siehe Abbildung 1(b)oder von der Seite durch den transparenten Seitenwänden, siehe Bild 1(c). Ein Couette Strömungsprofil wird zwischen der rotierenden Platte und das Substrat induziert. Daher ergibt sich die kritische Scherrate aus Equation 48 . Dementsprechend können die kritische Zahl der Schilde und die Scherung Reynolds-Zahl wie in GL. 1 und GL. 2, bzw. definiert werden. Das Setup verwendet in Abschnitt 2 des Protokolls ist in Abbildung 1(d)dargestellt. Die Messungen erfolgen in einem angepassten Lowspeed Windkanal mit offenen Jet-Messstrecke, Göttingen Typ. Die regelmäßige Substrate von 19 x 25 cm2 befinden sich in der Mitte der Messstrecke. Die Gebläse-Drehzahl und somit der Fluidgeschwindigkeit unterliegt mit einem Frequenzumrichter mit dem Gebläse verbunden. Eine turbulente Grenzschicht wird über regelmäßige Substrats induziert. Das Geschwindigkeitsprofil misst man mit einem heißen Draht Miniatur-Sonde zur Messung der Grenzschicht gestaltete spezialisiert (siehe Abbildung 1(e)) mit einer konstanten Temperatur-Anemometer (CTA) gekoppelt. Die Wand-Normal-Position, y, wird mit einer vertikalen Bühne gesteuert, das innerhalb von ca. 0,01 mm positioniert werden kann. Die Position wird mit einer digitalen Anzeige mit einer Auflösung von 0,01 mm gemessen. In der voll und ganz grobe turbulent Regime (in der Regel Re * > 70), die Scherung Geschwindigkeit kann von einem Anfall von den experimentellen Daten der logarithmischen Wand Gesetze, EQ-559hergeleitet werden. In der hydraulisch Übergang Regime, die Scherung Geschwindigkeit wird von einem Anfall zum veränderten Wand Gesetz, EQ. 758abgeleitet. Die kritische Zahl der Schilde und die Scherung Reynolds-Zahl können die Scherung Geschwindigkeit entnommen werden ausgedrückt in GL. 8 und GL. 9, beziehungsweise.

Figure 1
Abbildung 1: Skizze des experimentellen Aufbaus bei laminaren Bedingungen verwendet (a). eine mobile Perle (405.9 ± 8,7) µm Durchmesser ruht auf dem quadratischen Substrat Kugeln gleicher Größe mit einem Abstand von 14 µm zwischen ihnen gesehen von oben (b) und von der Seite (c), bzw. gemacht. Skizze des experimentellen Aufbaus bei turbulenten Bedingungen (d) verwendet. Zwei mobile Perlen (3,00 ± 0.15) mm und (5,00 ± 0,25) mm ruht auf einem quadratischen Substrat mit keinen Abstand zwischen den Kugeln (2,00 ± 0,10) mm in der Nähe der Miniatur-Hot-wire-Sonde (e). Die Sonde befindet sich in einer Entfernung von ca. 0,05 mm vom oberen Rand der Substrat-Sphäre. Abbildung 1 (d) ist von Agudo Et Al. 2017a39, mit der Erlaubnis des AIP Publishing reproduziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Eine Bild-Prozess-Routine, die markierten Perlen analysiert wurde in früheren Studien39 , berechnen Sie den Winkel der Drehung des Wulstes zu Beginn der Bewegung entwickelt. Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen Beispiele der Anwendbarkeit bei laminar, Re * = 0,06 und turbulente Bedingungen, Re * = 87,5, beziehungsweise. Mit markierten Bereichen, haben wir die gleiche kritische Schilde Anzahl wie Perlen ohne Markierungen innerhalb Messunsicherheit. Basierend auf Canny Kantenerkennung und Hough-Transformation, ist die Routine in der Lage, den Wulst mit relativen Unsicherheiten zwischen 1,2 und 4 %39zu erkennen. Der Drehwinkel wird durch tracking-Marken basierend auf einem Graustufen-Schwellwerte bestimmt. Die Unsicherheit steigt in diesem Fall bis zu absoluten Werten von 7° bis 17°, abhängig von der imaging System39. Schnappschüsse in Abbildung 2(a) – (f) veranschaulichen repräsentative Beispiele für die einzige Glasperle (405.9 ± 8,7) µm verdrängen von seiner anfänglichen Gleichgewichtslage zur nächsten auf einem quadratischen Substrat der Perlen von gleichen gemacht Größe mit einem Abstand von 14 µm zwischen den Sphären. Das Video hat von oben durch das transparente Mess-System aufgenommen wurden, wie in Abschnitt 1 beschrieben (siehe Punkt 1.2.3). Abbildung 2 (g) zeigt den Winkel der Drehung während der Vertreibung als Funktion der gekrümmte Flugbahn Equation 49 entlang des Substrats (siehe Kasten von Abbildung 2(g)). Die Flugbahn ist normiert auf die zurückgelegte Strecke durch die Perle entlang der gekrümmten Pfad zwischen zwei Gleichgewicht Positionen, Equation 50 . Die gestrichelte Linie in Abbildung 2(g) steht den Winkel für das reine Rollen. Die einzelne Perle erfährt eine vollständige Drehung des (140 ± 8,5) ° die zusammenfällt mit dem Winkel für reine Rollbewegung, verfügt über einen Wert von ca. 140 °. Rollen ist daher die Art der beginnende Bewegung und GL. 1 kann verwendet werden, um die beginnende Partikelbewegung zu charakterisieren.

Figure 2
Abbildung 2: Schnappschüsse während der beginnenden Bewegung einer markierten Raupe (405.9 ± 8,7) µm Durchmesser auf dem quadratischen Substrat mit einem Abstand von 14 µm bei Re * von ca. 0,06 (a)-(f). Das rote Kreuz und die grüne Linie repräsentieren den Mittelpunkt der Kugel, und die Perle Kontur aus der Algorithmus bzw. gewonnen. Die blauen Kreise repräsentieren die Flugbahn von der geometrischen Mitte der Marke. Von links nach rechts fließen. Die Schnappschüsse sind übernommen aus Agudo Et Al (2017) eine39, mit der Erlaubnis des AIP Publishing. Drehwinkel als Funktion der gekrümmten Bahn entlang zwei Gleichgewicht Positionen (g). Die Zeit-Instanzen von Snapshots sind im Diagramm dargestellt. Die gepunktete Linie zeigt den Winkel der Drehung für eine reine Rollbewegung. Abbildung 2 (g) reproduziert nach Agudo Et Al (2014)41, mit Genehmigung des AIP Publishing. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Schnappschüsse in Abbildung 3(b) – (e) zeigen ein Beispiel für eine Aluminiumoxid-Perle (5 ± 0,25) mm verdrängenden vier Positionen über einem quadratischen Substrat der Sphären (2,00 ± 0,10) mm mit keine-Lücke dazwischen gemacht. Das Video wurde von der Seite wie in Abschnitt 2 aufgezeichnet (siehe Schritte 2.2.1-2.2.4). Der gemessene Winkel stimmt mit dem theoretischen während eines Pfads deckt etwa die ersten zwei Gleichgewichtslage (siehe Abbildung 3(g)). Daher Rollen wird angenommen, dass der Modus der beginnende Bewegung und GL. 8 kann verwendet werden, um die kritische Schilde Zahl zu berechnen. Nach der zweiten Gleichgewichtslage scheint jedoch die gemessene Drehwinkel von reine Rollbewegung abweichen. Die rote Linie in Abbildung 3(f) stellt die Perle Flugbahn während einer längeren Weg von ungefähr 17 Positionen über dem Substrat. Von der Bahn kann erkannt werden, wie die Partikel kleine Flüge während seiner Bewegung entlang dem Substrat erlebt.

Figure 3
Abbildung 3: Schnappschüsse während der beginnenden Bewegung einer markierten Raupe (5,00 ± 0,25) mm Durchmesser auf dem quadratischen Substrat mit keinen Abstand zwischen den Kugeln bei Re * von etwa 87,5 (a) - (e). Das rote Kreuz und die grüne Linie repräsentieren den Mittelpunkt der Kugel, und die Perle Kontur aus der Algorithmus bzw. gewonnen. Die blauen Kreise repräsentieren die Flugbahn von der geometrischen Mitte der Marke. Die roten Kreuze (f) repräsentieren die Flugbahn des Zentrums Perle entlang ca. 17 Positionen entlang dem Substrat. Von links nach rechts fließen. Drehwinkel als Funktion der gekrümmten Bahn entlang vier Gleichgewicht Positionen (g). Die Zeit-Instanzen von Snapshots sind im Diagramm dargestellt. Die gepunktete Linie zeigt den Winkel der Drehung für eine reine Rollbewegung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4 (a) veranschaulicht den Rechtecksignal Test zur Abschätzung des Frequenzgang des CTA mit kritischen gratis-Stream Geschwindigkeit für die Aluminiumoxid-Perle (5 ± 0,25) mm (siehe Schritt 2.3.5). Der Zeitaufwand für die Spannung von 97 %, fallen Equation 51 , geht es um 0,1 Ms. entsprechend den Frequenzgang, gegeben durch Equation 52 60, ergibt ca. 7,7 kHz. Aus Abbildung 4(a)ist erkennbar, dass die Unterschreitung deutlich unter 15 % der Spitze Antwort bleibt. Dies zeigt, dass der Hitzdraht-CTA-Parameter, einschließlich des Verhältnisses der Überhitzung, sind richtig Tunned61. Die Kalibrierung Kurven für anschauliche Beispiel sind in Abbildung 4(b) vor (rote Quadrate) gezeigt, und nach die Messungen der Geschwindigkeit (schwarze Kreise) Profil. Beide Kurven überlappen einander darauf hinweist, dass während des Tests gab es keine Änderungen. Für die Aluminiumoxid-Perle (5 ± 0,25) mm, die Zeit gemittelte Geschwindigkeit und die Wurzel Quadrat Geschwindigkeit als eine Funktion der normalisierten Wand-normale Komponente in Abbildung 4(c) und 4 Buchstabe d, bzw. dargestellt. Sie erhalten wie in Stufen von 2.5.1 auf 2.6.1 des Protokolls beschrieben. Beide Geschwindigkeiten werden mit der kritischen Geschwindigkeit gratis-Stream normalisiert. Von den maximalen Wert im Equation 32 , es kann gezeigt werden, dass die gemessenen Viskose Unterschicht Dicke ca. 0,25 mm. Die durchgezogene Linie in Abbildung 4(c) stellt einen Sitz an die experimentellen Daten entsprechend dem logarithmischen Geschwindigkeit Gesetz, EQ. 5, während die blaue Linie ein Anfall von Daten entsprechend der veränderten Geschwindigkeit von Rotta20 vorgeschlagenen , 58, EQ. 7. In diesem Fall beide Fit sind in guter Übereinstimmung, da die Viskose Unterschicht nur 5 % der mobilen Perle Durchmesser darstellt. Dementsprechend unterscheidet sich die Scherung Geschwindigkeit von beiden passt erhalten durch weniger als 8 %. Abbildung 4 (e) zeigt die Wirkung der schwankende Kräfte auf die beginnende Bewegung aus der Energie Kriterium Perspektive, wie von Valyrakis Et Al. 201362angegeben. Die durchgezogene Linie zeigt einen Teil der zeitliche Geschichte des Würfels von momentanen streamwise Geschwindigkeit, Equation 53 , gemessen im Abstand von halben mobile Aluminiumoxid Perle Durchmesser vom Substrat. Die Geschwindigkeit war bei einer Abtastrate von 25 kSa für diese spezifische Messung gespeichert. Die blaue Linie stellt den Cube der gemittelten Geschwindigkeit, Equation 54 . Die rot gepunktete Linie stellt den Cube die kritische Geschwindigkeit berechnet wie in Valyrakis Et Al. 201163

Equation 55(10)

wo Equation 56 ist der hydrodynamische Masse Koeffizient entspricht ungefähr 1 in unseren Experimenten und Equation 57 wird der CW-Wert als 0,9 als in Valyrakis Et Al. 201163angenommen. Equation 58 und Equation 04 werden berechnet wie in GL. 11 und 12, jeweils dargestellt. Die momentane Durchfluss macht ist eine lineare Funktion der dritten Potenz der Geschwindigkeit62. Daher Spitzen auf Equation 53 über dem kritischen Wert gelten als mögliche Auslöser für beginnende Partikelbewegung die Dauer dieser Strömung Ereignisse genug62dauern. Die selbst entwickelte Algorithmus schätzt die Dauer der energetischen Fluss Ereignisse durch die Auswertung des Schnittpunkts der Equation 53 mit der horizontalen Linie Equation 59 entlang des gesamten Experiments. Im illustrativen Experiment in Abbildung 4dargestellt ist die Dauer der energetischen Fluss Veranstaltungen des Ordens 1-2 ms mit maximal 2,1 ms.

Figure 4
Abbildung 4: repräsentative Ergebnisse erzielt mit dem heißen Draht CTA in der Messstrecke der Lowspeed Windkanal bei Beginn der Bewegung des Wulstes Aluminiumoxid (5 ± 0,25) ruht auf einem quadratischen Substrat mit keinen Abstand zwischen den Kugeln mm (a) Frequenzgang des CTA nach einem Rechtecksignal Test (b) Kalibrierkurven vor (rote Quadrate), und die Messungen das Geschwindigkeitsprofil (schwarze Kreise). Die durchgezogene Linie zeigt ein Polynom Dritter Trend zu den Daten passen. Die Fit-Koeffizienten sind im Einschub der Abbildung (c) Zeit gemittelt streamwise Geschwindigkeitsprofil dargestellt. Die durchgezogene Linie und blauen Symbole zeigen einen Sitz im Sinne des Gesetzes logarithmische und modifizierte Wand bzw. (d) Root-Mean-Square streamwise Geschwindigkeitsprofil innerhalb einer kleinen Höhe-Bereich. Die gemessenen Viskose Unterschicht wird in einem Abstand von halben mobile Aluminiumoxid Perle Durchmesser vom Substrat über 0,25 mm (e) A Portion die zeitliche Geschichte des Würfels von momentanen streamwise Geschwindigkeit gemessen. Die blaue Linie zeigt den Kubus der Zeit gemittelt streamwise Geschwindigkeit. Die rot gepunktete Linie zeigt an, dass der Würfel der die kritische Geschwindigkeit wie in Valyrakis Et Al. 201164berechnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 5 (a) stellt die kritische Schilde Nummer Abhängigkeit in Abhängigkeit von der Beerdigung Grad definiert als Martino Et Al. 2009 durch Equation 60 37. Die Symbole, die rot markiert sind die Schwelle die anschauliche Beispiele in dem Protokoll entnommen. Der Winkel des Ausruhens und der Grad der Exposition sind geometrisch in unseren regelmäßigen Strukturen gekoppelt. Der Winkel der Ruhe kann analytisch wie folgt berechnet werden:

Equation 61(11)
wo die hochgestellte Equation 62 bezieht sich auf die dreieckige Geometrie und Equation 63 bezieht sich auf die quadratische Geometrie mit Abstand Equation 64 zwischen den Sphären. Ebenso liefert der Exposition Grad definiert als die Querschnittsfläche der Strömung ausgesetzt:

Equation 65(12)
wo Equation 66 ist der Winkel zwischen der Oberfläche der Perle mit Wirkung Null Höhe und der vertikalen Achse (siehe Kasten der Abbildung 5). Für die dreieckige und quadratische Substrat mit Abstand Equation 64 zwischen den Sphären, kann gezeigt werden, dass:

Equation 67(13)
wo Equation 68 ist eine effektive Nullpegel unterhalb der Oberkante des Substrats (siehe Kasten der Abbildung 5). In der schleichende Strömung zu begrenzen, numerische Simulationen zeigen, dass die effektive Nullpegel linear mit dem Abstand erhöht Equation 64 : Equation 69 . Bei größeren Re *, die effektive Nullpegel ist als konstant angenommen Equation 70 Dey Et Al. 201264als experimentell gezeigt. Für Re * zwischen 40 und 150 war die Scherspannung abgeleitet mit dem modifizierten Wand-Gesetz, das hydraulisch Übergangs Strömungsregime enthält. Die solide und gepunktete Linie sind macht Trends ausgestattet, um die experimentellen Daten. Wie in Abbildung 5gezeigt, fließen die kritische Zahl erhöht sich Schilde in Abhängigkeit von der Beerdigung Grad zeigt den starken Einfluss der teilweise Abschirmung des Partikels, die Schere. Dazu gehören dreieckige quadratische Substrat Konfigurationen und verschiedene mobile Perlen Durchmesser zu vergleichen. Der Einfluss der Sediment Bett Geometrie scheint bei höheren Re * ausgeprägter sein. Für den gleichen Grad an Vorsprung, die kritische Zahl der Schilde bei Re * unter 1 bleibt deutlich über dem Wert bei Re * zwischen 40 und 150.

Figure 5
Abbildung 5: Abhängigkeit der kritischen Schilde Anzahl der Bestattung Grad von laminar turbulente Strömungsverhältnisse. Bei Re * < 1, Dreiecke, Quadrate, Kreise und Rhomben zeigen Ergebnisse mit dreieckigen und quadratische Substrate mit einem Abstand von 14, 94 und 109 µm bzw.. Offene und feste Symbole repräsentieren Experimente durchgeführt mit weniger zähflüssig und höher viskosen Ölen, beziehungsweise. Bei 40 < Re * < 150, Dreiecke und Quadrate zeigen Experimente durchgeführt bzw. mit dreieckigen und quadratische Substrate mit kein Abstand. Schwarz, blau, rot, grün und lila geben Sie Experimente mit Glas, Stahl, Aluminium, Polystyrol Sulfonate und Plexiglas, bzw. durchgeführt. Die Daten im Re * < 1 von Agudo Et al. (2012)38, mit Genehmigung des AIP Publishing reproduziert werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Wir präsentieren zwei verschiedene experimentelle Methoden zur Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung als Funktion der Sediment Bett Geometrie. Zu diesem Zweck verwenden wir eine Monolage Kugeln regelmäßig geordnet nach eine dreieckige oder quadratische Symmetrie in einer Weise, dass die geometrische Parameter an einer einzigen Geometrie vereinfacht. In der schleichenden Fluss Grenze beschreiben wir die experimentelle Methode mit einer rotatorischen Rotameter induzieren die laminare Schubfluss wie in früheren Studien39,40,41. Erste Experimente zeigten, dass die beginnende Bewegung unabhängig von endlicher Größe Effekte des Substrates wie die radiale Position, oder die Entfernung von der vorgelagerten Grenze der Substrat-38blieb. In ähnlicher Weise die kritische Zahl der Schilde wurde festgestellt, dass unabhängig von der relativen untertauchen innerhalb eines Intervalls werden Equation 71 reichende zwischen 2 und 12 Jahren und unabhängig von Trägheit bis zu einer Equation 72 von ca. 338. Oberhalb dieses Wertes war eine Zunahme der kritischen Schilde als Folge der Störungen durch einen sekundären Strom induziert durch die rotierende Platte beobachtet. Dieser Faktor begrenzt die maximale Equation 72 für die Versuchsdurchführung beschrieben im ersten Teil des Manuskripts. Die zweite experimentelle Methode soll die hydraulisch Übergangs- und das grobe turbulente Strömungsregime Adresse. Die Schubspannung wird durch eine langsame Windkanal induziert. Um eine Reihe von Parametern unabhängig von jeder Größe oder Grenze Wirkung des Substrates zu etablieren, haben wir Messungen der turbulenten Grenzschicht in einer Entfernung von 50, 80, 110, 140, 170 und 200 mm von der Vorderkante. Bei 50, 80, 110 und 200 mm, wurde der Grenzschicht an 4 verschiedenen Positionen in Breitenrichtung, 55, 65, 95 und 125 mm aus den Substrat Rand gemessen. Bei 140 bis 170 mm wurde der Grenzschicht an zwei verschiedenen Positionen in Breitenrichtung, 65 und 95 mm eines der Substrat-Grenze gemessen. Alle Messungen wurden bei kritischen gratis-Stream Geschwindigkeit Bedingungen, Equation 73 für eine (5,00 ± 0,25) mm Glasperle ruht auf einem dreieckigen Substrat gefertigt (2,00 ± 0,10) Perlen (mm). Innerhalb des Intervalls zwischen 80 und 200 mm, reichte der Formfaktor zwischen 1,3 und 1,5 erwartungsgemäß für turbulente Grenze "layers"57. Die Geschwindigkeitsprofile im gleichen Abstand von der Vorderkante wurden in guter Übereinstimmung mit einander, enthüllt logarithmische Koeffizienten, die zwischen 5 % bis 10 % unabhängig von der Breitenrichtung variieren. Die Auswahl der Parameter in der Beschreibung des Protokolls ist sorgfältig ausgewählt, um sicherzustellen, dass die kritische Schilde blieb unabhängig von jede Grenze Wirkung der Versuchsanordnung Nummer. Dies gilt auch für beide experimentelle Methoden.

Die Schwelle für die beginnende Bewegung richtet sich nach der Art der Bewegung, die wiederum eine Funktion der geometrischen Eigenschaften des Bettes wie die Belichtung des Partikels ist. Bei hohen Reynoldszahlen ist beginnende Bewegung wahrscheinlich geschehen durch Walzen, wenn das Teilchen fließen14,65hoch ausgesetzt wird. Für die einzelnen Teilchen, die fast vollständig von den Nachbarn abgeschirmt sind, darf heben ein angebrachter Modus14jedoch. Bei laminaren Bedingungen vereinfacht die Situation, da Aufzug Kräfte in der Regel vernachlässigt16,17,40,44,45,66 sind und Rollen oder gleiten angenommen der Hauptmodus für beginnende Bewegung. Um die kritische Zahl der Schilde in Abhängigkeit von der Geometrie Bett richtig zu charakterisieren, muss die Art der Bewegung zunächst gründlich analysiert werden. Zu diesem Zweck nahmen wir die Partikelbewegung und wir nutzten eine Bild-Prozess-Algorithmen, die den Drehwinkel der Perle39berechnet. Wenn dieser Wert den theoretischen Winkel zum reinen Walzen entspricht als dargestellt in Abbildung 2(g) oder in der ersten Reihe der Abbildung (3.g), die kritischen Schilde Zahl abgeleitet werden kann, mit GL. 1 und GL. 8 für die Abschnitte 1 und 2 des Protokolls , beziehungsweise. Der Algorithmus identifiziert Partikelpositionen und Markierungen für rotatorische und gleitende Bewegung mit einem Minimum an Mann Interventionen zu untersuchen. Die Verfolgung des Teilchens basiert auf einem Canny Kantendetektor und Hough-Transformation. Diese Kombination ist nachgewiesen worden, ein robustes und zuverlässiges Werkzeug an einem Studium von granularen Transport Prozesse1,39,67,68zur Verfügung. Auf der anderen Seite die Markierungserkennung basieren auf einfachen Graustufen-Schwellwerte. Der größte Nachteil des Algorithmus ist, dass die Schwelle je nach dem abbildenden System neu justiert werden muss. Obwohl der Algorithmus Konto geometrische Strafen s Marken berücksichtigt, das Tracking ist anfälliger für Fehler durch unterschiedliche Schwellenwerte und Schwankungen der Lichtintensität, wie zum Beispiel aus den blauen Kreis angibt gesehen kann die Schwerpunkt der Marke in der Nähe Perle in der Momentaufnahme von Abbildung 3 Buchstabe e und 3 Buchstabe f. Für weitere Anwendungen schlagen wir vor, die Kreuzkorrelation Techniken verwenden, um Mark Verschiebungen zwischen den nachfolgenden Bildern erkennen. Dies kann ermöglichen es uns, ein Sub-Pixel Auflösung69 zu erreichen und kann die Erkennung des Winkels verbessern, wenn viele Markierungen vorhanden sind.

Unterschiedliche Definitionen für die Schwelle in Partikel sind in der Literatur gefunden. Bei laminaren Bedingungen, wie in Abschnitt 1 als die kritische Zahl der Schilde als dimensionslose Parameter für den Beginn der Bewegung ist in der Regel definiert wie in GL. 1, d. h. mit der charakteristischen Schubspannung als Equation 74 32,34 ,36,70. Laminar-Flow37finden sich auch andere dimensionslose Parameter wie die Anzahl von Galileo. Diese Wahl könnte jedoch scheinen angemessen bei höheren Partikel Reynoldszahlen wo ist Trägheit relevanter als Reibung. Die Definition in GL. 1 scheint besonders angemessen in die schleichende-Flow-Grenze wo hat gezeigt, dass eine deterministische Modellierungsansatz gültig ist, wenn die geometrische Parameter zu einer regelmäßigen Struktur40vereinfacht wird. Diese Aussage ist im Einvernehmen mit maximalen Standardabweichungen Größenordnung von 5-7 %, gemessen mit dem experimentellen System in Abschnitt 1 beschrieben. Die Standardabweichung als geschätzt im Schritt 1.4.2.3, charakterisiert die zufällige Fehler in Verbindung mit dem Rheometer und Schwankungen durch lokale Unebenheiten auf dem Untergrund oder in der Perle Größe. Beachten Sie, dass Schwankungen in den hydrodynamischen Kräften nicht zu Re * unter einem erwartet werden. Mit dem quadratischen Substrat mit einem Abstand zwischen Perlen 14 µm, erhielten wir eine kritische Schilde Anzahl 0,040 ± 0,00238entspricht. Die Standardabweichung wurde ermittelt unter Berücksichtigung aller Einzelmessungen von Abbildung 5, dh., fünf verschiedene läuft für jedes Material-Kombination in drei verschiedenen lokalen Positionen. Werte bis zu 7 % für die Standardabweichung für andere Substrat Konfigurationen zeigen die Präzision der Methode gefunden werden. Es lohnt sich, hier zu bemerken, dass abgesehen von Abweichungen in den Draht-Größe Mesh, die Substrate manchmal größere lokale Fehlstellen vorhanden, wie Hohlräume, wo die feste Wulst getrennt wurde, oder Variationen in der Höhe. Eine Sichtprüfung des oberen und seitlichen Kamera wird daher empfohlen, vor Beginn der Messung. Hochauflösende 3D Laserdruck kann verwendet werden, die Substrate in weiteren Anwendungen aufzubauen, wo ist eine Sub-Mikrometer-Lösung erforderlich.

Wenn die Wulst ganz oder teilweise der turbulenten Strömung ausgesetzt ist als in Abschnitt 2, muss die Rolle der turbulenten Geschwindigkeit Spitzenwerte und seine Dauer berücksichtigt werden, wenn wir versuchen, die beginnende Partikelbewegung zu identifizieren. Die Impuls-14,-71 oder Energie Kriterium62 erscheinen als eine wertvolle Alternative zu den klassischen Schilde-Kriterium. Sie schlagen, dass neben der hydrodynamische die charakteristische Zeitskala der Strömung Strukturen richtig parametriert71sein muss. Zu diesem Zweck, den gleichen Algorithmus, die Zeit gemittelt erhält und Root-Mean-Square-Geschwindigkeiten, schätzt die Dauer der energetischen Fluss Ereignisse basierend auf der Bedingung Equation 75 . Für das illustrative Experiment der Abbildung 4, die Dauer der energetischen Fluss Veranstaltungen bleibt Größenordnung von 1-2 ms Wenn wir ein cw-Wert verwendet von gegeben Equation 76 in GL. 10 wie vorgeschlagen von Vollmer und Kleinhans 200713 oder Ali und Dey 201620 basierend auf Colemans Experimente72, die modifizierte Equation 77 bleibt über den vorherigen Wert und die gemessene maximale Dauer sinkt auf etwa 1,6 Ms. auf jeden Fall, die Dauer bleibt deutlich unter dem Auftrag von 10 ms, wie in den Vorjahren beobachtet von Valyrakis, Experimente Diplas Et Al. 2013 in einem Wasser-Kanal-62. Darüber hinaus ermittelt der Algorithmus die integrale Längenskala, wie El-Gabry, Thurman Et Al. 201473 basierend auf Roachs Methode74gezeigt. In einer Entfernung von halbe Perle Durchmesser vom Substrat ist die geschätzte Makroebene Skalenlänge ca. 1,5 mm. Es hat sich gezeigt, dass die meisten energetischen Ereignisse in der Lage, die beginnende Bewegung auslösen eine charakteristische Länge von etwa zwei bis vier Partikel Durchmesser62haben sollte. Diese Aussage kann so zeigen, dass die energetische Ereignisse in unserem Windkanal Lowspeed induzierte nicht in der Lage, die beginnende Bewegung auslösen. Dies erfolgt im Einvernehmen mit einer gemittelten Geschwindigkeit geringfügig über dem kritischen Wert wie in Abbildung 4(e)und Standardabweichungen unter 8 % in Equation 73 für 5 mm Perlen unabhängig vom Material wie bei den Experimenten bemerkt. Die Standardabweichung in Equation 73 als im berechneten Schritte bietet 2.2.5-2.2.6 eine Schätzung der Zufallsrisiko, verbunden mit der Strömungsparameter sondern auch lokale Unvollkommenheiten auf dem regulären Substrat. Für die Aluminiumoxid-Perle von 5 mm Durchmesser, wir erhalten eine Equation 73 12.30 ± 0,23 m/s entspricht. Diese Standardabweichung wurde ermittelt unter Berücksichtigung 10 einzelnen Läufe in drei verschiedenen Positionen im gleichen Abstand von der Vorderkante. Für Perlen 2 mm erhöht die Standardabweichung bis zu ca. 14 %. Angesichts dieser Ergebnisse haben wir beschlossen die Schilde Kriterium mit wenigen kritischen Schilde im Sinne von GL. 8 verwenden, um die beginnende Bewegung zu charakterisieren. Anstatt einer Wahrscheinlichkeit von Entrainment, entscheiden wir uns darüber hinaus um einen bestimmten Wert die kritische Zahl der Schilde mit einem repräsentativen Unsicherheit zu bieten. Für die Beurteilung die Scherung Geschwindigkeit gibt es zwei Quellen der Unsicherheit in GL. 6: Equation 73 und Equation 78 . Die relative Unsicherheit auf Equation 73 wird aus der Standardabweichung der Messungen abgeleitet. Die relative Unsicherheit in Equation 78 bezieht sich auf die Messung der turbulenten Grenzschicht. Im gleichen Abstand von der Vorderkante, typische Abweichungen auf die Fit-Koeffizienten zwischen 5 und 10 % je nach Drehzahl des Lüfters, die wiederum hängt von der Substrat-Geometrie und die Perle-Dichte. Die relative Unsicherheit in Equation 78 wurde angenommen, dass in der konservativsten Analyse 10 % betragen. Entsprechend, die Unsicherheit der Equation 79 liegt zwischen 7 und 18 % je nach dem Experiment. Fehlerindikatoren in Abbildung 5 zeigen die Unsicherheit der Schilde Zahl nach Anwendung der vorgenannten Analyse einschließlich der relativen Unsicherheiten über die Partikeldurchmesser und Luft und Partikel Dichte.

Das experimentelle Protokoll ermöglicht die Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in Abhängigkeit von der Beerdigung Grad in verschiedenen Strömungsformen. Die Verwendung von regulären Geometrien vereinfacht die geometrische Faktor, um eine einzelne Geometrie und vermeidet jeden Zweifel über die Rolle der Nachbarschaft. Das Kriterium für die beginnende Bewegung ist zufrieden, wenn die Perle von seiner ursprünglichen Position des nächsten Gleichgewichts eines bewegt. Die Verwendung von Bildverarbeitungs-Algorithmus verdeutlicht den Modus der beginnende Bewegung. Die experimentelle Methode beschrieben in Abschnitt 1 des Protokolls wurde in früheren Studien zur hinweisen, den starken Einfluss der lokalen Bett Anordnung auf die beginnende Bewegung unter laminaren Bedingungen38,39,40 , 41. das System jedoch beschränkte sich auf Re * unter 3. Am höheren Re * schlagen wir eine neue experimentelle Methode, die es erlaubt, die hydraulisch Übergangs anzugehen und das grobe turbulente Strömungsregime. Interessanterweise die Turbulenzen Eigenschaften des Systems in Verbindung mit einem vereinfachten geometrischen Parameter ermöglicht es uns, die beginnende Bewegung mit wenigen kritischen Schilde mit Unsicherheiten zu charakterisieren, die zwischen 14 und 25 %. Wir präsentieren Ihnen nur einige repräsentative Beispiele für die Anwendung bei Re * zwischen 40 und 150. Als zukünftige Bereich der Studie muss eine breitere Palette von Re * mit besonderem Schwerpunkt auf die hydraulisch Übergangs Strömungsregime abgedeckt werden, wo es weniger Daten in der Literatur gibt. Ebenso sollten Experimente bei größeren Grabhügel Grad durchgeführt werden. Diese Ergebnisse können als Maßstab für komplexere Modelle verwendet werden. Beispielsweise basiert das realistische Modell vor kurzem vorgeschlagen von Ali und Dey 2016 auf ein Hindernis-Koeffizient von experimentellen Ergebnissen nur für den Fall von dicht gepackten Sediment Perlen20abgeleitet wird. Experimentelle Ergebnisse für Partikel, die sind weniger die Strömung ausgesetzt, da in der schleichenden Fluss Grenze behandelt können eine Hochrechnung des Modells bei größeren Grabhügel Grad auslösen. Darüber hinaus gestatten die vorgeschlagene experimentelle Methode uns zu betonen, auf die Rolle der turbulenten kohärente Strukturen auf die beginnende Partikelbewegung mit einer starken Vereinfachung der geometrischen Faktor. Dies ist in der Literatur immer noch schlecht verstanden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben

Acknowledgments

Die Autoren sind dankbar zu unbekannten Schiedsrichter für wertvolle Ratschläge und Sukyung Choi, Byeongwoo Ko und Baekkyoung Shin für die Zusammenarbeit bei der Einrichtung der Experimente. Diese Arbeit wurde durch die Gehirn-Busan-21-Projekts im Jahr 2017 unterstützt.

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

Technik Ausgabe 132 Granular Flow Partikel/Fluid Flow Sedimenttransport beginnende Bewegung
Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen
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