Waiting
Login processing...

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

Engineering

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

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

שתי שיטות שונות עבור אפיון של חלקיק התחלתית של חרוז אחד כפונקציה של הגיאומטריה מיטה משקעים מן למינריות לזרימה מערבולות מוצגים.

Abstract

שתי שיטות שונות לקביעת סף חלקיק כפונקציה של מאפיינים גיאומטריים של המיטה מ למינריות ותנאים של זרימת מערבולות ניסיוני מוצגים. לצורך כך התנועה התחלתית של חרוז אחד הוא למד על מצעים רגיל מורכבת טפט של קבוע כדורים בגודל אחיד שמסודרים באופן קבוע נבחרים בסימטריות משולש וריבועיות. הסף מאופיין על ידי מספר המגנים קריטי. הקריטריון תחילתה של תנועה מוגדר העקירה מיקום שיווי המשקל המקורי לאחת השכנות. העקירה, המצב של תנועה מזוהים עם מערכת הדמיה. זרימה שכבתית מושרה באמצעות rheometer של הסיבוב עם תצורת הדיסק מקבילים. הטיה מספר ריינולדס נשאר מתחת 1. הזרם מערבולות מושרה במנהרת רוח במהירות נמוכה עם סעיף מבחן פתוח סילון. מהירות אוויר מוסדר עם ממיר תדר על המאוורר מפוח. הפרופיל מהירות נמדד גשש תיל חם מחובר מד רוח סרט חם. הטיה מספר ריינולדס נע בין 40 ל- 150. החוק מהירות לוגריתמי ואת החוק ששונה קיר שהוצגו על ידי ולומברדיה משמשים כדי להסיק את מהירות הטיה מנתוני ניסיוני. האחרון הוא עניין מיוחד כאשר החרוז ניידים חשוף חלקית לזרימה מערבולות המשטר הידראולית תנוחת כביכול. מאמץ גזירה מוערכת תחילתה של תנועה. כמה תוצאות המחשה מציג ההשפעה החזקה של זווית השיפוע הטבעי, החשיפה של החרוז להטיית זרימה מיוצגים שני משטרים.

Introduction

חלקיק התחלתית הוא נתקל במגוון רחב של תהליכים תעשייתיים וטבעיים. הסביבה דוגמאות התהליך הראשוני של משקעים תחבורה הנהר, אוקיינוסים, מיטה שחיקה או חולית היווצרות בין היתר 1,2,3. שינוע4פנאומטיים, הסרת מזהמים או ניקוי של משטחים5,6 הם יישומים תעשייתיים המערבים את התחלתה של חלקיק.

בשל המגוון רחב של יישומים, תחילתה של חלקיק בהרחבה נחקרה יותר ממאה, בעיקר תחת תנאים הסוערים7,8,9,10,11, 12,13,14,15. גישות ניסיוניות רבות הוחלו לקביעת הסף תחילתה של תנועה. הלימודים כוללים פרמטרים כגון החלקיק ריינולדס מספר13,16,17,18,19,20, שירידות לזרימה יחסית 21 , 22 , 23 , 24 או גורמים גיאומטריות כמו הזווית של נחת16,18,25, חשיפה זרימה26,27,28,29, דגן יחסית תיתכן29 או מדרון מיטה streamwise30.

הנתונים העדכניים על הסף לרבות תנאים הסוערים בהרחבה פזורים12,31 , התוצאות לעיתים קרובות נראים לא עקביים24. זאת בעיקר בשל המורכבות הטבועה של שליטה או קביעת מפרמטרי הזרם תחת תנאים הסוערים13,14. חוץ מזה, הסף עבור תנועה משקעים בחוזקה תלוי במצב של תנועה, כלומר הזזה, מתגלגל או הרמת17 , הקריטריון לאפיין תנועה התחלתית31. האחרון עשוי להיות דו משמעי מיטה משקעים erodible.

במהלך העשור האחרון, ניסיוני חוקרים חקרו חלקיק התחלתית בשכבתית זורם32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, איפה ספקטרום רחב של פיסיקליות אינטראקציה עם המיטה להימנע45. על תרחישים מעשיים רבים רומז שיקוע, החלקיקים הם קטנים למדי ואין החלקיק מספר ריינולדס נותר נמוך יותר על 546. מצד שני, זורם שכבתית מסוגלים ליצור תבניות גיאומטריות כמו אדוות והדיונות כמו מערבולות42,47. Similitudes של שני משטרי הוכחו לשקף אנלוגיות ב כבסיס פיזיקה47 כך תובנה חשובה עבור הובלה של חלקיקים ניתן להשיג טוב יותר מבוקר מערכת ניסויית48.

בזרימה שכבתית, Charru. et al. הבחין כי הביא התארגנות מחודשת המקומי של מיטה פרטנית של החרוזים בגודל אחיד, כביכול המיטה armouring, עלייה פרוגרסיבית הסף תחילתה של תנועה עד רוויה תנאים הושגו 32. ספרות, עם זאת, מגלה סף שונים עבור תנאים רווי במיטות משקעים ומתפשטים מסודרים בהתאם הגדרת ניסיוני36,44. פיזור זה יכול להיות בגלל הקושי של השליטה החלקיקים פרמטרים כגון התמצאות, תיתכן רמה הקומפקטיות של המשקעים.

המטרה העיקרית של כתב יד זה היא לתאר בפרוטרוט כיצד לאפיין את התנועה התחלתית של הספירות יחיד כפונקציה של מאפיינים גיאומטריים של המיטה משקעים אופקי. לצורך כך נשתמש גיאומטריות רגיל, המורכב monolayers של חרוזים קבוע באופן קבוע מסודרים לפי תצורות משולש או ריבועיות. מצעים רגיל דומה כי אנו משתמשים נמצאים ביישומים כגון עבור התבנית-ההרכבה של חלקיקי microfluidic מבחני49, הרכבה עצמית של microdevices מוקף גיאומטריות מובנות50 או מהותי הנוצרות על-ידי חלקיקים תחבורה ב microchannels51. חשוב יותר, באמצעות מצעים רגיל מאפשר לנו להדגיש את ההשפעה של הגיאומטריה המקומי ואת כיוון וכדי למנוע כל dubiety על תפקידו של השכונה.

בזרימה שכבתית, הבחנו כי המספר מגינים קריטי גדל ב-50% בלבד בהתאם המרווח בין הספירות את המצע ובכך את חשיפת החרוז הזרימה38. בדומה לכך, מצאנו כי המספר מגינים קריטי ששונו על-ידי עד פי שניים בהתאם הכיוון של המצע כיוון זרימת38. שמנו לב כי השכנים משותק משפיעות רק תחילתה של החרוז נייד אם הם היו קרובים יותר חלקיקים על שלושה קטרים41 בעקבות ממצאי הניסוי, לאחרונה הוצגו מודל אנליטי קפדני אשר מנבאת המספר מגינים קריטי מגבלת זוחל זרימה40. המודל מכסה תחילתה של תנועה מן חשוף מאוד חרוזים מוסתרים.

החלק הראשון של כתב יד זה עוסק בתיאור בהליך ניסיוני בשימוש במחקרים קודמים על הטיה מספר ריינולדס, Re *, נמוך מ-1. זרימה שכבתית מושרה עם rheometer המסתובבת עם תצורת מקבילים. המגבלה מספר ריינולדס נמוך, החלקיק לא אמור לחוות תנודות בכל מהירות20 , המערכת תואמת את זרימת הידראולית חלקה כביכול שבו החלקיק שקוע בתוך השכבה צמיגה.

לאחר תחילת תנועה במהירות זרימה שכבתית הוא הוקם, תפקידו של מערבולת יכול להיות ברור יותר. מוטיבציה מאת הרעיון הזה, אנחנו מציגים הליך ניסיוני הרומן של החלק השני של הפרוטוקול. באמצעות במנהרת רוח במהירות נמוכה גטינגן עם סעיף מבחן פתוח סילון, המגנים קריטי מספר יכול להיקבע ב רחב טווח של רי * כולל את תנוחת הידראולית ואת המשטר הסוערים. תוצאות הניסוי יכול לספק תובנה חשובה לגבי איך torques וכוחות לפעול על חלקיק בשל הזרם מערבולות בהתאם הגיאומטריה של המצע. חוץ מזה, תוצאות אלו יכול לשמש תקן ביצוע עבור דגמים מתוחכמים יותר-Re גבוהה * באופן דומה כי לעבוד בעבר בזרימה שכבתית שימש להאכיל חצי מודלים הסתברותיים52 או כדי לאמת את מספרי הדגמים האחרונים53. נציג כמה דוגמאות מיצגות של יישומים ב- Re * הנע בין 40 ל-150.

הקריטריון התחלתית היא הוקמה בתור התנועה של החלקיק בודד ממיקומו שיווי משקל הראשוני בפעם הבאה. עיבוד תמונה משמשת כדי לקבוע את המצב של היווצרות תנועה, כלומר מתגלגל, הזזה, הרמת39,41. לצורך כך מזוהה את זווית הסיבוב של תחומים ניידים שסומנו באופן ידני. האלגוריתם עוקב אחר המיקום של הסימנים ומשווה אותו עם המרכז של הכדור. סט ראשוני של ניסויים נערך בשני set-ups ניסיוני להבהיר מספר המגנים קריטית נותרת ללא תלות בגודל סופי השפעות לזרימה יחסית שירידות הקמה. השיטות ניסיוני נועדו ובכך לא לכלול כל פרמטר אחר תלוי המספר מגינים קריטי מעבר Re * מאפיינים גיאומטריים של המיטה משקעים. רי * מגוון באמצעות צירופים נוזל-חלקיקים שונים. המספר מגינים קריטי מאופיין כפונקציה של מידת קבורה, Equation 01 , המוגדר על ידי מרטינו. et al. 37 כמו Equation 02 בו Equation 03 היא זווית השיפוע, קרי הזווית הקריטית-איזו תנועה מתרחשת54, ו Equation 04 היא מידת החשיפה, מוגדר כיחס בין האזור חתך הרוחב חשוף ביעילות זרימת אל אזור חתך הרוחב הכולל של החרוז ניידים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. חלקיק התחלתית ב מגבלת זרימה זוחל.

הערה: המדידות נערכות על הסיבוב rheometer שהשתנה עבור יישום ספציפי זה.

  1. הכנת את Rheometer.
    1. לחבר את אספקת האוויר rheometer על מנת למנוע פגיעה מהכדורים אוויר. . פתח את הברז מלבד מסנני האוויר עד בלחץ של 5 ברים במערכת מושגת
    2. לחבר את סירקולטור נוזל לצלחת מדידה. ודא כי הצינורות של הרכיב Peltier מחוברים את rheometer. . הפעילי את הנוזלים סירקולטור ולהגדיר את הטמפרטורה הרצויה (20 ° C).
    3. הר המכולה מותאם אישית המכיל את המצע רגיל על rheometer.
      1. קח את המצע רגיל מתוך המכולה, לנקות את השטח היטב עם מים מזוקקים. לייבש את פני השטח עם עדשה ניקוי בד, להסיר את האבק שיורית אפשרי עם מפוח.
        הערה: מצעים רגילים הם monolayers של 15 x 15 מ מ2 בנוי מ כדורית סודה ליים חרוזי זכוכית של מיקרומטר (405.9 ± 8.7).
      2. באמצעות הקלטת דו צדדית בעובי 0.4 מ מ, לתקן את המצע רגיל לתוך להבטיח מיכל זה המרכז המצע במרחק של 21 מ מ מן הציר מפנה.
      3. במקום המתאם אישית על הלוח rheometer.
      4. הר המכולה מעגלי מותאם אישית לתוך צלחת להבטיח כי המקטע הקדמי שטוח פונה מערכת ההדמייה תוכנן עבור הקלטה בצד.
        הערה: ודא המיכל לגמרי אופקי עם מפלס המים (0.6 מ"מ/m). למטרה זו, במקום מפלס המים על המכולה במקביל לחלק האחורי של המכשיר, רמה עם כפות הרגליים מתכוונן rheometer. חזור על הפעולות מפנה מפלס המים ב- 90 מעלות.
    4. . הפעילי את rheometer יש להמתין עד סיום ההליך האתחול, מצב "אישור" מופיע על מסך המכשיר.
    5. הפעל את המחשב ואת התוכנה rheometer. אתחל את rheometer ולהגדיר את בקרת טמפרטורה מלוח הבקרה של התוכנה הערך הרצוי (20 ° C).
    6. הר מערכת מדידה המותאמות אישית. הגדרת הפער אפס מתוך התוכנה.
      הערה: לפני הגדרת הפער אפס, ודא כי יש חרוזים ניידים אין על המצע, כי הגבולות המצע לא מקופלות. שגיאה בקביעת הפער האפס יוביל טעות שיטתית בחישוב של הטיה קצב ומספר ולכן במדידה עוקבות המגנים קריטי. חוסר ודאות מוחלטת של מ מ 0.05 המוגדרת ברוחב המרווח בעת חישוב המספר מגינים קריטי.
    7. הרם את הצלחת מדידה עד 30 מ"מ, להסיר אותו.
    8. למלא את המיכל כ 70 מ ל שמן סיליקון 100 mPa·s. ודא כי הרמה של הנוזל במכל נשאר מעל 2 מ מ. שמן סיליקון לא אמור לכסות את החלק העליון של לוח שקוף. להמתין כ- 15-20 דקות לצורך שיווי משקל תרמי. במהלך זמן זה, להתאים את מערכות הדמיה (ראה שלב 2 מתוך הפרוטוקול).
      הערה: הטמפרטורה שמתוקנת כדי (295.15 ± 0.5) K, נשלטת עם אלמנט Peltier מחובר את rheometer ואת נמדד עם מדחום חיצוני. תנודות של פחות מ- 0.5 K הם נצפו במהלך הניסויים.
  2. התאמת מערכת ההדמייה.
    1. להחליף את הנורה קסנון קשת W 300. להתאים את המדריך אור גמיש כדי להאיר את החרוז מהצד דרך הקירות השקופים של הגורם המכיל.
    2. התאם את עוצמת אור LED כדי למנוע השתקפות אור חזק על המצע.
    3. להתאים את מערכת ההדמייה תוכנן עבור הקלטה של חלקיק מן הפסגה דרך הצלחת מדידה שקוף.
      1. סטארט-אפ תוכנת הדמיה מן המחשב ובחר לפרופיל בשחור-לבן של תיבת הדו-שיח ' התחלה '.
      2. פתח את המצלמה CMOS 768 x 576 של מערכת ההדמייה מותקן על גג המכולה. הפעלת וידאו חי.
      3. התאם את הבמה מיקום אופקי עד מצב הפניה סומן בעבר במרכז המצע מופיע במרכז התמונה.
      4. התאם את הבמה מיקום אנכי למקד המצע.
      5. מניחים בזהירות כדור זכוכית מסומן סודה ליים של מיקרומטר (405.9 ± 8.7).
      6. ודא כי לפחות אחד מסימני ממוקמת במרחק של-75% של הרדיוס חרוז או גדול מ לציר הסיבוב. אם זה לא המקרה, להעביר באופן ידני מדידת צלחת כדי להשיג את התנועה של החרוז למצב שיווי משקל הבא (ראה איור 2(א) כאסמכתא).
        הערה: כדי להבטיח פיקוח נאות בזמן תנועה החרוזים ניידים מסומנים מספר כתמים המופרדות על-ידי כ 45 מעלות (ראה איור 3(א)). הקוד כולל הצהרה זרימת בקרה פשוטים כדי למזער את מארק misassignment על מנת לחשב את זווית הסיבוב. לפרטים נוספים, אנו מתייחסים Agudo. et al. 201739.
      7. פתח את תיבת הדו-שיח הגדרת הפרמטרים המצלמה וכוונן את קצב הפריימים כדי 30 fps. להתאים את זמן החשיפה כדי להבטיח כי הסימנים כראוי נבדלים למתחם חרוז.
        הערה: הספרה מזכוכית סודה ליים שקוע לתוך שמן סיליקון טובה של 100 mPa·s דורש 4 שניות לערך כדי להעביר את מיקומו ההתחלתי פרשת המים למצב שיווי משקל שכנות. לפיכך, framerate של 30 fps היתרי עלולים להיות פחות מ 1%.
    4. הר בלוח מדידה rheometer.
    5. הגדר את מרחק מדידה 2 מ מ.
      הערה: המוקד של המצלמה העליונה חייבת להיות מעט והשתלב בשל נוכחותם של לוח פרספקס.
    6. להתאים את מערכת ההדמייה תוכנן עבור הקלטה של חלקיק מן הצד דרך השקופית מיקרוסקופ שקוף.
      1. פתח את המצלמה CMOS 4912 x 3684 של מערכת ההדמייה מותקן בחזית של מיכל, להפעיל את הווידאו החי.
      2. התאם האנכי והשלב מיקום אופקי להציב במקביל rheometer עד החרוז מסומן מופיע במרכז התמונה.
      3. התאם את ההגדלה מודולרית עד שדה הראייה כולל המשטח העליון של המצע החרוז, החלק התחתון של הדיסק מדידה.
      4. להתאים את הבמה מיקום אופקי מניחים בניצב rheometer להתמקד על החרוז.
      5. פתח את תיבת הדו-שיח הגדרת הפרמטרים המצלמה וכוונן את קצב הפריימים כדי 30 fps.
  3. לקבוע את מהירות סיבוב קריטי תחילתה של תנועה.
    1. להגדיל באופן ליניארי את מהירות הסיבוב, n, מ 0.02 עד 0.05 סיבובים בשניה במרווחים קטנים של מהפכות 0.00025 לאדם השני באמצעות התוכנה rheometer.
      1. בחלון ' מדידה ', לחץ פעמיים על התא עבור סוג הפקד, לערוך את הטווח של מהירות מ 0.02 עד 0.05 סיבובים בשניה.
      2. לחץ פעמיים על ההגדרה ' שעה ' והזן את מספר המדידות נקודות, 60 ומשך הזמן של כל אחת מהמידות, 5 s.
      3. הגדר טבלה המייצגת את מהירות הסיבוב כפונקציה של הזמן.
    2. תפתח הווידאו החי המצלמות ואת הצד העליון. . תתחיל להקליט וידאו-רצף של שתי המצלמות שימוש בתוכנת הדמיה
    3. להתחיל את המדידה באמצעות התוכנה rheometer.
      הערה: ניסוי ראשוני עם גודל צעד גדול יותר מומלץ לפני שלב 1.3.1.1 כדי לאמוד את טווח מהירות שבה התנועה התחלתית יקרה בערך. במרחק של 21 מ מ הציר מפנה ושימוש שמן סיליקון 100 mPa·s, למשל, חרוז זכוכית נע ב סיבוב למהירות של 0.035 סיבובים בשניה. לפיכך, טווח מ 0.02 0.05 סיבובים בשניה נראה מתאים לניסוי.
    4. בדוק היטב הווידאו החי מהחלק העליון או מן המצלמה בצד ולהפסיק את המדידה כאשר החרוז מזיחה ממיקומו שיווי משקל. שימו לב למהירות שבה החרוז חוצה את ספרטריקס למצב שיווי משקל שכנות. מהירות סיבוב ציין מייצגת את המהירות מסתובב קריטי, nC. עוצרים את הסרטונים-הרצפים.
      הערה: ודא כי גודל צעד קטן מספיק כי העלייה של מהירות במהלך מרווח זמן הדורש החרוז ממיקומו הראשוני לעבור אחת השכנות אינו כרוך יותר מ 1% של הערך הקריטי.
    5. המקום החרוז בחזרה למיקומו המקורי. ניתן לבצע זאת על-ידי הזזת ידנית הצלחת המסתובבת עד החרוז מזיחה מצב אחד בחזרה. חזור על הניסוי חמש פעמים וציין את מהירות קריטית רעה ואת סטיית התקן.
    6. חזור על השלבים 1.3.1 כדי 1.3.5 עם חרוז מסומן שונים ב- 2 עמדות סמוכים למרכז המצע.
  4. ניתוח הנתונים.
    1. לקבוע את המצב של תנועה: לנתח את רצף תמונות שתועדו קודם לכן מהחלק העליון או מן הצד עם האלגוריתם כפי שמתואר Agudo. ואח 201739.
    2. לקבוע את מספר המגנים קריטי, ההטיה של מספר ריינולדס.
      1. לקבל את מספר המגנים קריטי המשוואה הבאה40
        Equation 05(1)
        איפה Equation 06 התקבל מ שלב 1.3.4, Equation 06 הוא צמיגות קנטית, Equation 08 , Equation 09 הם חלקיקים וצפיפות נוזלי, בהתאמה, Equation 10 הוא תאוצת הכובד ו- Equation 11 הוא בקוטר חרוז ניידים, כל להם. Equation 12 הרוחב הפער, מגדירים את המרחק מהחלק העליון של מרחבי המצע לבסיס מדידה, כלומר 2 מ מ ו- r הוא המרחק רדיאלי של החלקיק מן הציר מפנה, כלומר 21 מ מ.
      2. להשיג את ההטיה מספר ריינולדס, Re * בהתבסס על המהירות הטיה, מן המשוואות הבאות:
        Equation 13(2)
    3. חזור על ההליך מן 1.1.3 1.4.2 באמצעות מצע קבוע שונים.
    4. השתמש צפיפויות שונות חרוז צמיגויות נוזלים שונים על מנת לכסות את מגוון רחב של רי * מתנאי זרימה זוחל עד 1.

2. התחלתית חלקיק-המשטר הסוערים הידראולית המעבר ומחוספס.

הערה: המדידות נערכות מותאם אישית במהירות נמוכה-מנהרת עם סעיף מבחן פתוח סילון, סוג גטינגן.

  1. הכנת מערכת ההדמייה.
    1. לתקן את המצע ריבועית באמצע סעיף מבחן.
    2. המקום חרוז אלומינה 5 מ מ שסומן קודם לכן במיקום הראשוני הרצוי (110 מ מ מהקצה המובילים ו- 95 מ מ מהקצה בצד).
    3. חבר את המצלמה במהירות גבוהה מצמידים את עדשת מאקרו למחשב, הפעילו את זה. התאם את עדשת מאקרו עד החרוז יעד ברור בתמונה.
    4. ליזום את תוכנת הדמיה במחשב. להפעיל "מצלמת לחיות", ולהגדיר "בקצב הדגימה" 1000 fps.
    5. לעבור על מקור האור LED ולהתאים את העוצמה, כמו גם המוקד של המצלמה כדי להשיג תמונה ברורה של החלקיק וסימני שלה.
      הערה: ודא כי לפחות אחד מסימני היא ממוקמת במרחק של-75% של הרדיוס חרוז או גדול מ לציר הסיבוב (ראה איור 3(א) כאסמכתא).
  2. קביעת מהירות המאוורר קריטי תחילתה של תנועה.
    1. הגדר את מהירות מאוורר היטב מתחת לערך קריטי (בערך 1400 סל ד עבור חרוז אלומינה 5 מ מ).
    2. להתחיל את ההקלטה על ידי לחיצה על ההדק על תוכנת הדמיה.
    3. להגדיל את המהירות בשלבים של 4-6 סל"ד כל 10 s עד תחילת תנועה מתרחשת.
    4. הערה הערך מהירות קריטית איזו תנועה התחלתית מתרחשת ולעצור את רצף וידאו.
    5. מקום חרוז מסומן חדש במיקום הראשוני זהה וחזור ההליך מ- 2.2.1 2.2.4 עשר פעמים. שימו לב מהירות קריטית עבור כל אחת מהמידות.
    6. חזור על ההליך מ- 2.2.1 2.2.5 באותו המרחק מהקצה מובילים, אבל 65 ו 125 מ"מ מהקצה בצד, בהתאמה. שימו לב מהירות קריטית עבור כל אחת מהמידות.
  3. הכנת הטמפרטורה קבועה להתניע מד רוח (CTA).
    1. הגדר פונקציית הבקרה CTA לעמוד ליד וההתנגדות עשור השעה 00:00. . הפעילי את הכוח הראשי והמתן כ 15-20 דקות להתחמם.
    2. תחבר את המכשיר shorting ולעבור פונקציית הבקרה CTA מדידת התנגדות. התאם את אוהם אפס עד המחט מושם בסימון אדום, לעבור חזרה פונקציית הבקרה במצב המתנה.
    3. החלף את החללית shorting על ידי החללית hot-wire זעירים. לעבור פונקציית הבקרה CTA מדידת התנגדות. התאם את מתגי ההתנגדות עד המחט מושם בסימון אדום.
      הערה: ההתנגדות נמדד מקביל ההתנגדות של המכשיר מיניאטורי. הערך שנמדד צריך להיות מסכים עם הערך שסופק על-ידי היצרן (Ω 3.32).
    4. להחליף את הפונקציה CTA. היכון ולהתאים העשור התנגדות ל 5.5 Ω להשגת יחס להתחמם יתר על המידה כ-65%.
    5. למדוד את התגובה לתדר של CTA מהירות קריטית רשע (שלב 2.2.4).
      1. . הפעילי את המאוורר ולהגדיר את מהירות הסיבוב של המאוורר הערך הקריטי, בערך 1400 סל ד. . הפעילי את אוסצילוסקופ
      2. . הפעילי את מחולל גל מרובע של CTA
      3. . הפעל את התוכנה אוסצילוסקופ במחשב ולפתוח את המודול CSV כדי לאפשר את נתוני ההקלטה. בחרו בערוץ (CH1) ולשמור את ההקלטה זמן קרי והמתח, תחת שם הקובץ הרצוי. המתן עד המדידות לסיים (כ- 3 דקות).
        הערה: תדירות ניתוק מחושבת על פי זמן התגובה שבה המתח ירד לרמה של - 3db (ראה איור 4(א)).
      4. . תכבה את מחולל גל מרובע ולהגדיר את הפונקציה CTA המתנה.
  4. כיול של CTA.
    1. מתג הפונקציה CTA לפעול. ודא כי המכשיר מותאם לגובה מספיק מן הלוח כך הוא ממוקם באזור נחל חינם.
    2. הגדר את מהירות הסיבוב של מאוורר 200 סל ד. למדוד את מהירות streamwise באזור נחל חינם באמצעות מד רוח את המדחף ולקרוא את המתח על אוסצילוסקופ.
    3. חזור על צעד 2.4.2 במהירויות הסיבוב שונות עם תוספת קבועה 50 סל ד עד בערך 1450 סל"ד (סך של קריאות 26).
    4. יצירת מתאם בין את סל ד את מהירות שנמדדה חינם-נחל streamwise, Equation 14 . לקבל את מהירות קריטית, Equation 15 , בהתאם מהירות הסיבוב קריטית עבור כל אחת המדידות שבוצעו מצעדי 2.2.5 כדי 2.2.6. לחשב את מהירות חינם-stream קריטי רשע, Equation 16 , סטיית התקן של המדידות.
    5. יצירת מתאם בין המהירות את המתח על פי התאמה פולינום מדרגה שלישית:
      Equation 17(3)
      כאן, Equation 18 streamwise המהירות נמדדת ב- m/s, Equation 04 הוא המתח הנמדד וולט (V), ו- Equation 19 הם מקדמי מתאים. עקומות כיול מוצגים באיור 4(b) לפני ואחרי את המידות של הפרופיל מהירות.
  5. מדידת המהירות streamwise עם העמדה קיר-נורמלית-תנאים קריטיים.
    1. הסר את החרוז מסומן המצע.
    2. התאם את handwheel של השלב מיקום אופקי עד החללית תיל חם ממוקמת במיקום הראשוני הרצוי (110 מ מ מהקצה המובילים ו- 95 מ מ מהקצה בצד).
    3. כוונן בזהירות את handwheel של האנכי מיקום הבמה עד המכשיר מוצב בתור קרוב ככל האפשר אל פני השטח המצע. לראות דרך המצלמה מצמידים את עדשת מאקרו כדי להבטיח כי הכבל אינו נוגע על פני המצע. להגדיר את הערך אפס מחוון רמת דיגיטלית במיקום זה.
      התראה: החוט חם מאוד רגיש, אם זה נוגע השטח זה ישבור. For sake of אבטחה, אנו ממקמים את המכשיר במרחק של 0.05 מ מ מעל החלק העליון של הספרה המצע (ראה איור 1(e) כאסמכתא). זה מייצג רכיב קיר-נורמלית מנורמל Equation 20 בו Equation 21 הוא ההתחלה מדידת ערך, Equation 22 הוא המהירות הטיה, Equation 23 הוא צמיגות קנטית אוויר ב טמפרטורת הפעלה. שימו לב: ערך ההתחלה הוא מתחת Equation 24 איפה צמיגות דומיננטי55.
    4. הגדר את מהירות הסיבוב של אוהד מהירות הסיבוב הממוצע שבו מתרחשת תנועה התחלתית, ראה שלב 2.2.4. מהירות חינם-stream ולכן מתאים Equation 25 .
    5. להתאים את קצב הדגימה כדי 1 kSa ומספר דגימות 6000-אוסצילוסקופ (סה כ זמן הדגימה של 6 s). בחרו בערוץ (CH1) ולהתחיל את המדידה. לשמור את נתוני ההקלטה תחת שם הקובץ הרצוי. המתן עד המדידות לסיים (כ- 3 דקות).
    6. להגדיל את מיקום הקיר-נורמלית של המכשיר על ידי תוספת קבועה של 0.01 מ מ עד ל- 0.4 מ מ, ועל ידי תוספת קבועה של 0.1 מ מ עד גובה 10 מ מ. זה תואם לסך של 137 נקודות על העקומה פרופיל מהירות. לשמור את הנתונים מוקלטות עבור כל גובה.
  6. ניתוח הנתונים.
    1. לחשב את מהירות streamwise רשע לבין עוצמת הסוערים לכל תפקיד קיר-נורמלית.
      1. הפעל את האלגוריתם עצמית מפותחת כדי להעריך את הכמויות סטטיסטי. פתח את קובץ ה-script ובחר את התיקיה המכילה את עקומת כיול של הנתונים המאוחסנים עבור כל אחד הגובה נמדד.
        הערה: קובץ ה-script מחשבת תחילה את מקדמי בכושר של עקומת כיול כמוצג 3 הציוד. עבור כל גובה, הוא מחשב את מהירות streamwise מיידי, Equation 26 על ידי באמצעות הציוד 3 ולאחר מחשבת את ציר הזמן נפרד על ידי שיטה autocorrelation56. לאחר מכן, הוא מחשב את הזמן הממוצע, Equation 27 והמהירות של שורש מרובע, Equation 28 , עבור דגימות המופרדים באמצעות שתי פעמים אינטגרלי הזמן הדרוש לבדיקת זמן ממוצע.
      2. להתוות את המיקום האנכי שהוא, Equation 29 נגד מהירות ממוצעת זמן streamwise שהוא Equation 30 , איפה Equation 31 הוא בקוטר של מרחבי המצע. מגרש Equation 29 נגד המהירות שהוא שורש מרובע Equation 32 . איור 4 (c)-(d) מתאר את תוצאות המקרה של חרוז אלומינה 5 מ מ.
    2. לחשב את מהירות הטיה מנתוני ניסיוני.
      1. להתאים את מהירות ממוצעת של הזמן שהוא עם ההפצה מהירות לוגריתמי57
        Equation 33(5)
        איפה Equation 34 הוא המהירות הטיה, Equation 35 הוא הקבוע של Kármán פון, Equation 36 הוא קבוע התלוי הטיה ריינולדס מספר26. הקו המלא איור 4(ג) אנחנו מתאימים לוגריתמי כדי מהירות ממוצעת הזמן.
        הערה: מהתאם נתוני הניסוי, זה יכול להיות הראו את מהירות הטיה, Equation 34 ניתן ע י:
        Equation 37(6)
        איפה Equation 38 הוא המקדם בכושר לוגריתמי, Equation 39 20.
        תת השכבה צמיגה, Equation 40 נשאר מעל למישור המצע בניסויים שלנו. בתרחיש ואינטלקטואלית, 5 הציוד צריך להיות מוחלף על ידי החוק ששונה מהירות שהוצגו על ידי ולומברדיה20,58.
        Equation 41(7)
        איפה Equation 42 , Equation 43 . Equation 40 הוא עובי שכבת משנה צמיגה זה ניתן לחשב בקירוב על-ידי Equation 44 55.
        האלגוריתם מחשב ישירות את מהירות הטיה של נתוני הניסוי התאמת הציוד 5 ו-7 הציוד. הסמלים כחול באיור 4(ג) מייצגים את התאמת המידע מהניסוי על פי 7 הציוד.
        -Re * מעל 70, Equation 40 מייצג עד 5% של הקוטר חרוז ניידים, באמצעות התאמה של הציוד 5 או 7 הציוד כרוך וריאציה על Equation 22 בטווח המאומצת של אי ודאות. השווה לקו אחיד וסימנים כחולים איור 4(ג) ב- Re * של 87.5.
    3. לקבוע את המצב של תנועה: לנתח את רצף תמונות שתועדו קודם לכן מן הצד עם האלגוריתם כפי שמתואר Agudo. ואח 201739.
    4. לקבוע את מספר המגנים קריטי, ההטיה של מספר ריינולדס.
      1. להשיג את מספר המגנים קריטי של המשוואה הבאה22
        Equation 34(8)
        איפה Equation 34 התקבל מ שלב 10.2, Equation 08 , Equation 46 הם חלקיקים וצפיפות נוזל, בהתאמה, Equation 10 הוא תאוצת הכובד ו- Equation 11 הוא בקוטר חרוז ניידים, כולן ידוע.
      2. להשיג את החלקיק ריינולדס מספר Re *, מן המשוואות הבאות:
        Equation 47(9)
      3. חזור על הפעולות למדידת הפרופיל מהירות כפונקציה של הקואורדינטה קיר-נורמלית, צעד 2.5, באותו המרחק מהקצה מובילים, אבל 65 ו 125 מ"מ בכיוון לרוחב, בהתאמה.
      4. חזור על ההליך מ 2.1 2.6.4.3 באמצעות בגדלים שונים חרוז ותערובות גידול רגיל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 (א) מייצג קלסתרון של הסידור ניסיוני שימוש כדי לאפיין את מספר המגנים קריטי ב מגבלת זרימה זוחל, בסעיף 1 של הפרוטוקול. המדידות נערכות על הסיבוב rheometer שעבר שינוי עבור יישום ספציפי זה. צלחת פרספקס שקוף של 70 מ"מ קוטר היה קבוע בזהירות על צלחת מקבילים של 25 מ מ קוטר. האינרציה של מערכת המדידה היה והשתלב ולכן לפני המדידה. מיכל מעגלי מותאם אישית של 176 מ מ קוטר עם קירות שקופים היה גלילים בציר מעגלי מצמידים את rheometer. חתך אנכי בוצעה במקטע הקדמי. שקופית מיקרוסקופ היה מקובע היטב במקטע הקדמי כדי לשפר את ההדמיה. הפער הגדרת הפרופיל היה והשתלב לקחת בחשבון את הנוכחות של הגורם המכיל. המהירות צלחת היה ממוזער קרוב הממשק נוזלים כדי למנוע תנועת חרוז לפני תחילת המדידה. במערכת זו, החרוז יחיד ניתן לעקוב שטיחות מלמעלה דרך לוח שקוף, ראה איור 1(b)או מהצד דרך בקירות הצדדיים שקוף, ראה איור 1(ג). פרופיל זרימה Couette הנגרמת בין הצלחת המסתובבת המצע. לכן, שיעור הטיה קריטית ניתנת על ידי Equation 48 . בהתאם לכך, המספר מגינים קריטי, ההטיה של מספר ריינולדס יכולה להיות מוגדרת כמו הציוד 1 ו- 2 הציוד, בהתאמה. קביעת שימוש בסעיף 2 של הפרוטוקול מודגם באיור 1(ד). המדידות נערכות מותאם אישית במהירות נמוכה-מנהרת עם סעיף מבחן פתוח סילון, סוג גטינגן. מצעים רגיל של 19 x 25 ס מ2 ממוקמים באמצע סעיף מבחן. מהירות המאוורר ובכך את מהירות נוזלים מוסדר עם ממיר תדר מחובר המאוורר מפוח. שכבת גבול סוער מושרה מעל המצע רגיל. הפרופיל מהירות נמדד עם חוט חם מיניאטורי בדיקה מתמחה מיועד למדוד את שכבת הגבול (ראה איור 1(ה)) מצמידים עם מד טמפרטורה קבועה רוח (CTA). התנוחה קיר-נורמלית y, נשלטת עם שלב אנכי ניתן למקם בתוך כ- 0.01 מ מ. המיקום נמדד עם מחוון רמת דיגיטלי עם רזולוציה של 0.01 מ מ. המשטר הסוערים באופן מלא קשה (בדרך כלל רי * > 70), שניתן להסיק את מהירות הטיה של התאמה של הנתונים ניסיוני לחוק קיר לוגריתמי, הציוד 559. ב הידראולית המעבר למשטר, מהירות הטיה היא להסיק מתוך התאמה לחוק קיר שונה, הציוד 758. המספר מגינים קריטי, ההטיה של מספר ריינולדס ניתן להשיג את מהירות הטיה כפי שבאה לידי ביטוי הציוד 8 ו- 9 הציוד, בהתאמה.

Figure 1
איור 1: סקיצה של הסידור ניסיוני להשתמש בכל התנאים למינריות (א)-חרוז ניידים מקוטר מיקרומטר (405.9 ± 8.7) נח על המצע ריבועית עשוי תחומי באותו גודל עם הריווח של מיקרומטר 14 ביניהם צפו ב מלמעלה (ב) וממנה את הצד (ג), בהתאמה. סקיצה של הסידור ניסיוני להשתמש בכל התנאים הסוערת (d). שני ניידים אגלי (3.00 ± 0.15) מ"מ ו (5.00 ± 0.25) מ מ מונח על מצע ריבועית עם אין מרווח בין תחומי (2.00 ± 0.10) מ"מ קרוב החללית hot-wire זעירים (e). המכשיר ממוקם במרחק של-0.05 מ"מ מהחלק העליון של הספרה המצע. איור 1 (ד) המופקת מן Agudo et al. 2017a39, באישורו של פרסום AIP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

שגרת תהליך התמונה מנתח חרוזים מסומן פותחה בשנת הלימודים הקודמת39 כדי לחשב את זווית הסיבוב של החרוז-תחילתה של תנועה. איור 2 ו- 3 איור מתארות דוגמאות הישימות ב אביזרים, Re * = 0.06 ולאחר הסוערים תנאים, Re * = 87.5, בהתאמה. באמצעות כדורים מסומן, השגנו את אותו מספר המגנים קריטיים כמו חרוזים בלי סימני בתוך אי ודאות המדידה. מבוסס על איתור קצוות Canny והמרה האף, השגרה היא לזהות את החרוז עם אי ודאות יחסית שנעו בין 1.2 ל- 4%39. זווית הסיבוב נקבעת על-ידי מעקב אחר סימני בהתבסס על סף גווני אפור. הוודאות, במקרה זה, מגדיל עד הערכים המוחלטים ועד 7 ° ° 17, בהתאם מערכת הדמיה39. תמונות של איור 2(א) – (נ) להמחיש דוגמאות מייצגות עבור חרוז זכוכית בודד של (405.9 ± 8.7) מיקרומטר ועקרו מבתיהם ממיקומו שיווי משקל הראשוני בפעם הבאה על מצע ריבועית עשוי חרוזים של אותו גודל עם פער של 14 מיקרומטר בין התחומים. הסרטון הוקלט מלמעלה דרך מערכת מדידה שקוף כמתואר בסעיף 1 (ראה שלב 1.2.3). איור 2 (g) מציגה את זווית הסיבוב במהלך העקירה כפונקציה של המסלול מעוקל Equation 49 לאורך המצע (ראה שיבוץ של איור 2(g)). המסלול הוא מנורמל את המרחק המאופיינת החרוז לאורך שביל מעוקל בין שני מיקומים שיווי משקל, Equation 50 . הקו המנוקד ב איור 2(g) מייצג את זווית גלגול טהור. החרוז יחיד חוויות סיבוב הכולל של ° (140 ± 8.5) אשר עולה בקנה אחד עם הזווית עבור תנועה מתגלגל טהור, אשר כולל גם ערך של-140 מעלות. מתגלגל ולכן הוא המצב של תנועה התחלתית ואת הציוד 1 יכול לשמש כדי לאפיין את חלקיק התחלתית.

Figure 2
איור 2: תמונות במהלך התנועה התחלתית של חרוז מסומן מקוטר מיקרומטר (405.9 ± 8.7) על המצע ריבועית עם הריווח של מיקרומטר 14-Re * של בערך 0.06 (a)-(f). הצלב האדום, הקו הירוק מייצגים במרכז הספרה, קווי המתאר של חרוז המתקבל האלגוריתם, בהתאמה. העיגולים הכחולים מייצגים את המסלול של המרכז גיאומטרי של הסימן. זורמים משמאל לימין. הצילומים הם לשכפל מ- Agudo ואח (2017)39, באישורו של פרסום AIP. זווית הסיבוב כפונקציה של המסלול מעוקל לאורך שיווי משקל שתי עמדות (g). המופעים זמן של תמונות מסומנות בדיאגרמה. הקו המקווקו מציין את זווית סיבוב תנועה מתגלגל טהור. איור 2 (g) המופקת מן Agudo et al (2014)41, באישורו של פרסום AIP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

תמונות של איור 3(b) – (e) מתארים הוא דוגמה עבור חרוז אלומינה עמדות ארבע והותירו מ"מ (5 ± 0.25) על מצע ריבועית עשוי תחומי (2.00 ± 0.10) מ מ עם לא-הפער ביניהם. הסרטון הוקלט מהצד כמו בסעיף 2 (ראה שלבים 2.2.1-2.2.4). הזווית שנמדדה מסכים עם אחד תיאורטי במהלך נתיב מכסה כ העמדה שיווי משקל שני הראשונה (ראה איור 3(ז)). לפיכך, מתגלגל ההנחה תהיה במצב של תנועה התחלתית, הציוד 8 יכול לשמש כדי לחשב את מספר המגנים קריטי. לאחר מיקום שיווי משקל השני, עם זאת, זווית הסיבוב שנמדדה נראה לסטות תנועה מתגלגל טהור. הקו האדום ב איור 3(נ) מייצג את המסלול חרוז במהלך מסלול ארוך יותר של 17 עמדות על גבי מצע. מן המסלול, זה ניתן להבחין כיצד החלקיק חוויות טיסות קטנה בתנועה לאורך המצע.

Figure 3
איור 3: תמונות במהלך התנועה התחלתית של אגל (5.00 ± 0.25) מסומן מ"מ קוטר על המצע ריבועית עם אין מרווח בין הספירות-Re * של 87.5 () - (e). הצלב האדום, הקו הירוק מייצגים במרכז הספרה, קווי המתאר של חרוז המתקבל האלגוריתם, בהתאמה. העיגולים הכחולים מייצגים את המסלול של המרכז גיאומטרי של הסימן. חוצה אדום ב (נ) מייצגים את המסלול של המרכז חרוז לאורך כ 17 עמדות לאורך המצע. זורמים משמאל לימין. זווית הסיבוב כפונקציה של המסלול מעוקל לאורך שיווי משקל ארבע עמדות (g). המופעים זמן של תמונות מסומנות בדיאגרמה. הקו המקווקו מציין את זווית סיבוב תנועה מתגלגל טהור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4 (א) מדגים את המבחן כיכר-wave כדי להעריך את התגובה לתדר של CTA למהירות חינם-stream קריטית עבור חרוז אלומינה של (5 ± 0.25) מ מ (ראה שלב 2.3.5). הזמן הדרוש המתח שקפצת 97%, Equation 51 , הוא על גב 0.1 בהתאם, תדירות התגובה, שניתן על-ידי Equation 52 60, התוצאה היא כ 7.7 kHz. מ איור 4(א), אותו ניתן להבחין כי undershoot נשאר הרבה מתחת 15% של התגובה שיא. אפשרות זו מציינת כי להתניע פרמטרים CTA, כולל היחס להתחממות יתר, הם כראוי tunned61. הכיול ' עקומות ' עבור הדוגמה המחשה מוצגים באיור 4(b) לפני (ריבועים אדומים), ואחרי המידות של המהירות פרופיל (עיגולים שחורים). שתי עקומות חופפים זה לזה המציינת כי אין שינויים התרחשה במהלך הניסוי. חרוז אלומינה של (5 ± 0.25) ממ, את מהירות זמן ממוצע והמהירות מרובע את השורש מותוות כפונקציה של רכיב ה-קיר-נורמלית מנורמל ב איור 4(ג) 4(d)בהתאמה. הם מתקבלים כפי שמתואר צעדים מן 2.5.1 2.6.1 של הפרוטוקול. שתי המהירויות הן מנורמל עם מהירות חינם-stream קריטי. מהערך המרבי Equation 32 , ניתן להראות כי עובי שכבת משנה צמיגה שנמדד הוא כ- 0.25 מ מ. הקו המלא איור 4(ג) מייצג התאמה בנתונים ניסיוני על פי החוק מהירות לוגריתמי, הציוד 5, בעוד הקו הכחול מייצג התאמה של הנתונים על פי החוק מהירות השינוי המוצע על ידי ולומברדיה20 , 58, הציוד 7. במקרה זה, שניהם מתאימים הם בהסכם טוב מאחר השכבה צמיגה מייצג רק של 5% מקוטר חרוז ניידים. בהתאם לכך, מהירות הטיה המתקבל מתאים הן בהפרש של פחות מ- 8%. איור 4 (ה) מדגים את הפעולה של כוחות המשתנות על התנועה התחלתית מנקודת המבט קריטריון אנרגיה כאמור על-ידי Valyrakis et al. . 201362. הקו המלא מציג חלק ההיסטוריה הטמפורלי של הקוביה של מהירות streamwise מיידי, Equation 53 , נמדד ממרחק של חצי אלומינה ניידים חרוז הקוטר של המצע. המהירות אוחסנו בקצב דגימה של 25 kSa למדידה הספציפי הזה. הקו הכחול מייצג את הקוביה של המהירות בממוצע, Equation 54 . קו מקווקו אדום מייצג את הקוביה של מהירות קריטית מחושב כמו Valyrakis. ואח 201163

Equation 55(10)

איפה Equation 56 הוא המקדם המוני hydrodynamic, שווה בקירוב ל- 1 בניסויים שלנו, ואת Equation 57 מקדם החיכוך ההנחה תהיה 0.9 כפי נחשב ב- Valyrakis. ואח 201163. Equation 58 , Equation 04 מחושבים כפי שמוצג הציוד 11 ו- 12, בהתאמה. הכוח זרימה מיידי היא פונקציה קווית של הקוביה של מהירות62. לכן, פסגות על Equation 53 מעל הערך הקריטי יכול להיחשב כגורם מפעיל פוטנציאליים עבור חלקיק התחלתית אם משך הזמן של אותם אירועים זרימה אחרונה מספיק62. האלגוריתם עצמית מפותחת הערכות משך הזמן של אירועים זרימה אנרגטית על-ידי הערכת החיתוך של Equation 53 עם הקו האופקי Equation 59 לאורך הניסוי כולו. הניסוי המחשה מתואר באיור4, משך הזמן של זרימה אנרגטית אירועים הוא מסדר 1-2 ms עם מקסימום של 2.1 ms.

Figure 4
איור 4: נציג התוצאות שהושגו עם החוט חם CTA בסעיף מבחן של מנהרת הרוח במהירות נמוכה-תחילתה של תנועה של חרוז אלומינה של (5 ± 0.25) מ מ מונח על מצע ריבועית עם אין מרווח בין הספירות (א) תגובת תדר CTA לאחר מבחן מרובע-גל על קביעת עקומות כיול (ב) לפני (ריבועים אדומים), ואחרי את המידות של הפרופיל מהירות (עיגולים שחורים). הקו המלא מצביעה על מגמה פולינומיאלי השלישי להתאים לנתונים. מקדמי בכושר מתוארים ב שיבוץ של הדמות (ג') פרופיל זמן ממוצע מהירות streamwise. קו מלא וסימנים כחולים מצביעים על התאמה על פי החוק קיר לוגריתמי ולאחר ששונו, בהתאמה (d) שורש ממוצע הריבועים פרופיל מהירות streamwise בתוך בגובה קטן טווח. תת השכבה צמיגה נמדד על 0.25 mm (e) בחלק א' של ההיסטוריה הטמפורלי של הקוביה של מהירות streamwise מיידי נמדד ממרחק של חצי אלומינה ניידים חרוז הקוטר של המצע. הקו הכחול מציין את הקוביה של המהירות streamwise זמן ממוצע. קו מקווקו אדום מציין שהקוביה של מהירות קריטית מחושב כמו Valyrakis. ואח 201164. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5 (א) מייצג את התלות מספר המגנים קריטי כפונקציה של מידת קבורה כהגדרתו מרטינו. ואח 2009 על ידי Equation 60 37. הסמלים המופיעים באדום הם הסף המתקבל את האייקונים בפרוטוקול. זווית השיפוע הטבעי ואת מידת החשיפה גיאומטריות בשילוב במבנים הרגיל שלנו. זווית השיפוע הטבעי יכול להיות מחושב בצורה אנליטית כדלקמן:

Equation 61(11)
איפה כתב עילי Equation 62 מתייחס הגיאומטריה משולש, Equation 63 מתייחס הגיאומטריה ריבועית עם מרווח Equation 64 בין התחומים. באופן דומה, מידת חשיפה מוגדרת כאזור חתך הרוחב חשוף לזרימה התשואות:

Equation 65(12)
איפה Equation 66 הוא הזווית הזווית בין פני השטח חרוז-אפקטיבי ברמה אפס והציר האנכי (ראה שיבוץ של איור 5). את משולש, המצע ריבועית עם מרווח Equation 64 בין הספירות, ניתן להראות כי:

Equation 67(13)
איפה Equation 68 הוא יעיל אפס רמת מתחת לקצה העליון של המצע (ראה שיבוץ של איור 5). ב מגבלת זרימה זוחל, הדמיה מספרית להראות כי בתוקף רמה אפס מגביר באופן ליניארי עם המרווח Equation 64 : Equation 69 . -Re גדול יותר *, בתוקף אפס רמת ההנחה תהיה קבועה Equation 70 כמו השפעול שמוצג על ידי Dey. ואח 201264. עבור Re * הנע בין 40 ו- 150, מאמץ גזירה היה להסיק באמצעות החוק ששונה קיר הכולל המשטר תנוחת הידראולית. הקו המנוקד ומוצקה הם כוח מגמות מצויד בנתונים ניסיוני. כמוצג באיור5, קריטי מגינים מספר עליות כפונקציה של מידת קבורה מציג השפעה חזקה של הגנה חלקית החלקיק כדי הטיה זרימה. זה כולל השוואת משולש תצורות המצע ריבועית, קטרים חרוזים ניידים שונים. ההשפעה של הגיאומטריה מיטה משקעים נראה להיות מודגש יותר-Re גבוה *. באותה מידה של בליטה, מספר המגנים קריטי-Re * להלן 1 נשאר מעל הערך Re * הנע בין 40 ל- 150.

Figure 5
איור 5: התלות של מספר המגנים קריטי תואר קבורה למינריות לתנאי הזרימה מערבולות. -Re * < 1, משולשים, ריבועים, עיגולים, רומבואידים מצביעים על התוצאות שהושגו עם מצעים משולשים ולפעמים ריבועית עם הריווח של מיקרומטר 14, 94, 109, בהתאמה. ניסויים מייצגים סמלים פתוח ומוצק הופיעה עם צמיגה פחות ויותר צמיגה שמנים, בהתאמה. בגיל 40 < Re * < 150, משולשים, ריבועים מצביעים על ניסויים שבוצעו עם מצעים משולשים ולפעמים ריבועית עם אין מרווח, בהתאמה. שחור, כחול, אדום, ירוק וסגול מצביעים על ניסויים שבוצעו עם זכוכית, פלדה, אלומיניום אוקסיד, פוליסטירן סולפונאט פרספקס, בהתאמה. הנתונים Re * < 1 משוחזרות של Agudo et al (2012)38, באישורו של פרסום AIP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

אנו מציגים שתי שיטות שונות ניסיוני עבור אפיון של חלקיק התחלתית כפונקציה של הגיאומטריה מיטה משקעים. לצורך כך אנו משתמשים של טפט של כדורים באופן קבוע מסודרים לפי סימטריה משולש או ריבועיות בצורה כזאת, כי הפרמטר גיאומטרי מפשט לגיאומטריה יחיד. ב מגבלת זרימה זוחל, נתאר השיטה הניסיונית באמצעות רוטמטר המסתובבת לזירוז הזרם הטיה למינריות כמו מחקרים קודמים39,40,41. ניסויים ראשוניים הראו כי התנועה התחלתית נותר עצמאי מתופעות בגודל הסופי של המצע כגון המיקום רדיאלי או המרחק מהגבול במעלה הזרם של המצע38. באופן דומה, מספר המגנים קריטי נמצאה להיות עצמאי של שירידות לזרימה יחסית בתוך מרווח Equation 71 ההיקף בין 2 ל- 12 ועצמאית ההתמדה עד Equation 72 כ 338. מעל ערך זה, נצפתה עלייה במספר מגינים קריטי בעקבות הפרעות בשל זרם משני הנגרם על ידי הצלחת המסתובבת. גורם זה מוגבל המרבי Equation 72 עבור ההליך ניסיוני המתואר בחלק הראשון של כתב היד. השיטה השנייה ניסיוני נועד לפנות את המעבר הידראולית ואת המשטר הזרם מערבולות הקשה. הלחץ הטיה הנגרמת על ידי במנהרת רוח במהירות נמוכה. על מנת ליצור מגוון רחב של פרמטרים באופן עצמאי בכל גודל או גבול השפעת המצע, ערכנו מדידות של שכבת הגבול הסוערים במרחקים של 50 80, 110, 140, 170, 200 מ מ בחוד החנית. 50, 80, 110 ו 200 מ מ, נמדדה בשכבת הגבול לעבר עמדות שונות 4 בכיוון לרוחב, 55, 65, 95 ו- 125 מ מ אחד הגבולות המצע. 140, 170 מ"מ, נמדדה בשכבת הגבול לעבר שתי עמדות שונות בכיוון לרוחב, 65 ו 95 מ מ אחד של הגבול המצע. כל המדידות בוצעו ב תנאים קריטיים מהירות חינם-stream, Equation 73 עבור (5.00 ± 0.25) ממ חרוז זכוכית מונח על מצע משולש העשוי (2.00 ± 0.10) מ מ חרוזים. בתוך מרווח הזמן שנעו בין 80 ל- 200 מ מ, הגורם צורה נע בין 1.3-1.5 כצפוי על גבול סוער שכבות-57. הפרופילים מהירות באותו המרחק מהקצה המובילים היו הסכם טוב אחד עם השני, חושף לוגריתמי מקדמים משתנים מ- 5% כדי 10% עצמאית של הכיוון רוחב. מגוון פרמטרים בתיאור של הפרוטוקול שנבחר בקפידה כדי להבטיח המגנים קריטי מספר נשארו עצמאית של כל גבול השפעת הסידור ניסיוני. זה דבר נכון גם לגבי שתי השיטות ניסיוני.

הסף עבור תנועה התחלתית תלוי במצב של תנועה כי בתורה הוא פונקציה של מאפיינים גיאומטריים של המיטה כגון החשיפה של החלקיק. על מספרים גבוהים ריינולדס, תנועה התחלתית שסביר להניח שיקרה על ידי גלגול אם החלקיק חשוף מאוד14,זרימת65. עבור חלקיקים בודדים מוגנים כמעט לחלוטין על ידי השכנים, עם זאת, הרמת ייתכן מצב מתאים יותר14. -למינריות תנאים, מפשט המצב מאז מעלית כוחות הם בדרך כלל מוזנח16,17,40,44,45,66 ו מתגלגל או הזזה ההנחה מצב ראשי עבור תנועה התחלתית. כראוי לאפיין מספר המגנים קריטי כפונקציה של הגיאומטריה מיטה, המצב של תנועה יש תחילה ביסודיות לנתח. למטרה זו, הקלטנו את חלקיק, השתמשנו אלגוריתמים תהליך של התמונה המחשבת את זווית הסיבוב של חרוז39. אם ערך זה מתאים את הזווית תיאורטי עבור מתגלגל טהור כמו מתואר באיור 2(g) או בכל הטווח ההתחלתי של דמות 3(g), המגנים קריטי מספר שניתן להסיק באמצעות הציוד 1 ו- 8 הציוד עבור סעיפים 1 ו- 2 של פרוטוקול , בהתאמה. האלגוריתם זיהוי החלקיקים עמדות וסימני ללמוד תנועה על כל ההזמנות וגלישה עם מינימום של האיש התערבויות. המעקב אחר החלקיק מבוסס על קצה Canny גלאי והמרה האף. שילוב זה הוכח לספק כלי עמיד ואמין בלימוד פרטנית תחבורה תהליכים1,39,67,68. מצד שני, סימן זיהוי מבוסס על סף גווני אפור פשוטה. החיסרון העיקרי של האלגוריתם היא כי הסף חייב להיות והשתלב תלוי במערכת דימות. למרות האלגוריתם לוקח בחשבון עונשים גיאומטרי s הסימנים, המעקב היא חשופה יותר שגיאות הנגרמות עקב רמות סף שונות ותנודות עוצמת האור, כפי שניתן לראות, למשל, מן העיגול הכחול המציין centroid של סימן קרוב למרכז חרוז בתמונה של דמות 3(e) , 3(f). ליישומים עוד יותר, אנו מציעים להשתמש קרוס-המתאם טכניקות כדי לזהות סימן displacements בין המסגרות. זה עשוי לאפשר לנו להשיג רזולוציה פיקסל תת69 , עשוי לשפר את הגילוי של הזווית כאשר קיימים סימני רבים.

הגדרות שונות עבור הסף החלקיקים נמצאים בספרות. -תנאים למינריות, כפי נחשב בסעיף 1, המספר מגינים קריטי כפרמטר שהוא תחילתה של תנועה מוגדר בדרך כלל כאמור הציוד 1, קרי עם גזירה אופיינית כמו Equation 74 32,34 36, ,70. פרמטרים אחרים שהוא כמספר גלילאו מצויים גם זרימה שכבתית37. בחירה זו, עם זאת, נראה הולם-החלקיקים גבוהה יותר מספרי ריינולדס איפה אינרציה רלוונטיים יותר מאשר חיכוך להגדרה שניתנה הציוד 1 נראה הולם במיוחד ב מגבלת זרימה זוחל שבו הוכח כי גישה דטרמיניסטית דוגמנות הוא תקף כאשר הפרמטר גיאומטרית היא פשוטה יותר על מבנה קבוע40. הצהרה זו הוא מסכים עם סטיות תקן מרבי מסדר 5-7% כפי שנמדד עם מערכת הניסוי המתואר בסעיף 1. סטיית התקן כמוערכת בשלב 1.4.2.3, מאפיין את הטעות אקראי של rheometer, עם תנודות עקב פגמים מקומיים על המצע או גודל חרוז. שימו לב כי תנודות כוחות hydrodynamic שאינם צפויים על Re * מתחת לאחת. באמצעות המצע ריבועית עם המרווח בין חרוזים של מיקרומטר 14, השגנו מספר המגנים קריטי שווה ל ± 0.002 0.04038. סטיית התקן נקבע לוקח בחשבון כל מדידות של איור 5, כלומר., חמש שונים פועל עבור כל שילוב חומרים שלושה תפקידים מקומיים שונים. הערכים עד 7% עבור סטיית שנמצאו עבור תצורות אחרות המצע הממחיש את מידת הדיוק של השיטה. זה שווה פה להערה, כי מלבד סטיות בתוך הגדר רשת שינוי גודל, מצעים לפעמים להציג פגמים מקומיות גדולות יותר כמו חללים שבהם נותק החרוז קבוע או כמו וריאציות בגובה. בדיקה חזותית של העליון והן בצד המצלמה ולכן מומלץ לפני תחילת המדידה. הדפסה תלת-ממדית לייזר ברזולוציה גבוהה ניתן להשתמש כדי לבנות את סובסטרטים ביישומים נוסף שבו נדרשת החלטה תת מיקרון.

כאשר החרוז באופן חלקי או מלא חשוף לזרימה מערבולות, כפי נחשב בסעיף 2, התפקיד של ערכים הסוערים מהירות שיא ומשך שלו יש לקחת בחשבון כאשר אנו מנסים לזהות את חלקיק התחלתית. 14,את הדחף71 או קריטריון של אנרגיה62 מופיעות כחלופה ערך הקריטריון מגינים קלאסית. הם מציעים כי מלבד הכוח hydrodynamic, ציר הזמן האופייני של זרימה מבנים חייבת להיות כראוי parametrized71. למטרה זו, אותו האלגוריתם המשיגה זמן ממוצע, שורש ממוצע הריבועים המהירויות, הערכות משך הזמן של אירועים זרימה אנרגטית המבוסס על התנאי Equation 75 . עבור הניסוי המחשה של דמות 4(e), משך הזמן של זרימה אנרגטית אירועים נשארת מסדר 1-2 גב' אם השתמשנו מקדם גרירה שניתנו על ידי Equation 76 ב- 10 הציוד כפי שהוצע על ידי ולמר ו- Kleinhans 200713 או עלי ו- 2016 Dey20 מבוסס על קולמן ניסויים72, שונה Equation 77 נשאר מעל הערך הקודם, ואת משך הזמן המרבי שנמדד מקטין את גב' כ 1.6 בכל מקרה, המשך נותר מתחת הסדר של 10 ms כפי שנצפתה הקודם ניסויים של Valyrakis, Diplas et al. . 2013 ערכו ערוץ מים62. בנוסף, האלגוריתם קובע את קנה המידה של אורך נפרד כפי שמוצג על ידי El-Gabry, ת'ורמן. et al. 201473 המבוסס על שיטה של הג'וינט74. במרחק של מחצית מהקוטר חרוז מן המצע, מוערך מאקרו סרגל אורך קנה המידה הוא כ- 1.5 מ מ. הוכח, כי רוב האירועים אנרגטי מסוגל לעורר את התנועה התחלתית צריך אורך אופיינית על שני קטרים חלקיקים ארבע62. הצהרה זו ובכך עשוי לציין כי האירועים אנרגטי המושרה במנהרת הרוח שלנו במהירות נמוכה אינם מסוגלים לעורר את התנועה התחלתית. זה בהסכם עם מהירות בממוצע של מעט מעל הערך הקריטי, כפי שמוצג באיור 4(e), עם סטיות תקן מתחת 8% ב- Equation 73 עבור 5 מ מ חרוזים עצמאית של החומר, כפי שמתם לב בניסויים. סטיית התקן של Equation 73 צעדים מחושבים ב- 2.2.5-2.2.6 מספק הערכה של התנודות אקראי הקשורים עם מפרמטרי הזרם אלא גם על פגמים מקומיים על המצע רגיל. עבור חרוז אלומינה של 5 מ מ קוטר, השגנו Equation 73 שווה ל 12.30 ± 0.23 מ'/ש'. סטיית תקן זו נקבע לוקח בחשבון 10 הפרט פועל in שלוש עמדות שונות באותו המרחק מהקצה המובילים. עבור חרוזים של 2 מ מ, מגבירה את סטיית התקן של עד כ- 14%. לאור התוצאה, החלטנו להשתמש הקריטריון מגינים עם מספר המגנים קריטי כפי שמוגדר ב- 8 הציוד כדי לאפיין את התנועה התחלתית. בנוסף, במקום להציג הסתברות של entrainment, אנו בוחרים כדי לספק ערך ספציפי של המספר מגינים קריטי עם תואר נציג של חוסר ודאות. ישנם שני מקורות עיקריים של אי ודאות בכל הציוד 6 על מנת להעריך את מהירות הטיה: Equation 73 , Equation 78 . הוודאות היחסית על Equation 73 היא להסיק מן סטיית התקן של המדידות. הוודאות היחסית של Equation 78 קשורה המדידה של שכבת הגבול הסוערים. באותו מרחק מהקצה המובילים, סטיות טיפוסי על טווח מקדם מתאים בין 5 ל- 10% בהתאם למהירות מאוורר זה בתורו תלוי הגיאומטריה המצע ואת צפיפות חרוז. הוודאות היחסית של Equation 78 נחשב 10% בניתוח שמרנית ביותר. בהתאם לכך, אי הוודאות של Equation 79 נע בין 7 ו- 18% בהתאם הניסוי. קווי שגיאה באיור 5 להציג הוודאות של המספר מגינים לאחר החלת את הניתוח הנ ל כולל הוודאות היחסית על קוטר של חלקיקים, ו צפיפות החלקיקים והאוויר.

פרוטוקול נסיוני מאפשרת אפיון חלקיק התחלתית כפונקציה של מידת קבורה המשטרים זרימה שונים. שימוש קבוע גיאומטריות מפשט את הגורם גיאומטרי גאומטריה יחיד ומונע כל ספק לגבי תפקידם של השכונה. הקריטריון עבור תנועה התחלתית מתקיים כאשר החרוז זז ממיקומו הראשונית כדי. המאזן הבא אחד. השימוש של תמונה עיבוד אלגוריתם מבהיר את המצב של תנועה התחלתית. השיטה הניסיונית המתוארת בסעיף 1 של הפרוטוקול נעשה שימוש במחקרים קודמים כדי להצביע ההשפעה החזקה של ההסדר המקומי המיטה על התנועה התחלתית תחת תנאים למינריות-38,-39,-40 , 41. המערכת, לעומת זאת, היה מוגבל ל Re * להלן 3. -Re גבוה יותר *, אנו מציעים שיטה ניסיונית חדשה המאפשרת לנו לפנות את המעבר הידראולית ואת המשטר הזרם מערבולות הקשה. מעניין, מערבולת מאפייני המערכת בשיתוף עם פרמטר גיאומטרית פשוטה מאפשר לנו לאפיין את התנועה התחלתית בסכום קריטי מגינים עם אי ודאות נע בין 14 ל- 25%. אנו מציגים רק כמה דוגמאות מייצגות של היישום ב- Re * הנע בין 40 ל- 150. כמו משקפת העתיד של המחקר מחקר, טווח רחב יותר של רי * חייב להיות מכוסה דגש מיוחד על המשטר הידראולית תנוחת בו פחות נתונים זמינים בספרות. באופן דומה, לערוך ניסויים על מעלות קבורה גדול יותר. תוצאות אלה עשוי לשמש תקן ביצוע עבור מודלים מורכבים יותר. לדוגמה, מודל ריאליסטי הציעה לאחרונה על-ידי עלי ו- Dey 2016 מבוסס על מקדם מכשול זה היא להסיק מתוצאות הניסוי רק עבור המקרה של משקעים צפופים חרוזים20. תוצאות הניסוי חלקיקים כי הם שפחות חשוף לזרימה כפי נדונה המגבלה זרימה זוחל עלול לעורר על אקסטרפולציה של המודל על מעלות קבורה גדול יותר. בנוסף, השיטה הניסיונית המוצעת עלול לאפשר לנו להדגיש את התפקיד של מבנים קוהרנטי סוער על חלקיק התחלתית עם פישוט חזקה של הגורם גיאומטריים. זה הוא עדיין ממעטים להבין בספרות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף

Acknowledgments

המחברים מודים שופטים לא ידוע עבור עצה יקר, צ'וי Sukyung, קו Byeongwoo ו- Baekkyoung שין בזכות שיתוף הפעולה בהגדרת הניסויים. עבודה זו נתמכה על ידי הפרויקט 21 בוסן המוח ב-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

הנדסה גיליון 132 זרימה פרטנית זרימת חלקיקים/נוזל משקעים תחבורה תנועה התחלתית
באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת
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