Görsel olarak bağlı normal yüzeylerde yeni başlayan parçacık çekimde karakterizasyonu: çalkantılı koşullarına Laminer üzerinden

Bu deneysel prosedürün amacı, üçgen veya ikinci dereceden konfigürasyonlara göre düzenli olarak düzenlenmiş sabit boncukların tek katmanlarından oluşan düzenli substratlar kullanarak tortu yatağı geometrisinin yeni başlayan parçacık hareketi üzerindeki etkisini ölçmektir. Yeni başlayan parçacık hareketi, daha temiz yüzeyler, kirleticilerin uzaklaştırılması, filtreleme işlemleri veya mikropartiküllerin şablon montajı da dahil olmak üzere mikroakışkanlar gibi çok çeşitli endüstriyel uygulamalarda bulunur. Düzenli alt tabakalar kullanmanın temel avantajı, yerel bir tortu yatağı geometrisi oryantasyonunun etkisini analiz edebilmemiz ve mahallenin rolü hakkında herhangi bir şüpheden kaçınmamızdır.

Sürünen akış sınırından hidrolik olarak kaba akışa kadar geniş bir parçacık Reynolds sayısı aralığını kapsamak için iki farklı yöntem öneriyoruz. Bu yöntemin sonuçları, yerel yatak geometrisinin tortu taşınması veya tahıl yatağı erozyonu gibi doğa süreçlerindeki etkisini anlamamıza da yardımcı olabilir. Bu yöntemin görsel olarak gösterilmesi önemlidir, çünkü örneğin bir rotasyonel reometrenin kullanımı partikül hidrodinamik uygulamaları için yaygın olmayabilir.

Rüzgar tüneli ile yöntemi göstermek, bu konudaki yüksek lisans tezini yeni bitiren laboratuvarımızdan bir yüksek lisans öğrencisi olan Jiwon Han olacak. Bu ölçümler rotasyonel bir reometrede gerçekleşir. Reometre, özelleştirilmiş bir dairesel şeffaf kap içerecek şekilde değiştirilmiştir.

Görüntülemeyi iyileştirmek için gömülü bir mikroskop lamı vardır. Kabın alt kısmında, örnekleri bu şemada yer alan ve iki dijital kamerası ve iki ışık kaynağı da dahil olmak üzere kuruluma genel bir bakış sağlayan düzenli bir alt tabaka vardır. Reometreyi normal çalışma için hazır bulundurun.

Ardından, reometre plakasına özelleştirilmiş bir adaptör yerleştirin, ayrıca alt tabaka ile kabı plakanın üzerine monte edin. Mikroskop slaytının kameraya baktığından emin olun. Reometreyi ve yazılımını başlatın, başlatın ve sıcaklığını ayarlayın.

Ardından, özelleştirilmiş dönen diski alın. Bu, 25 milimetre çapında bir plakaya sabitlenmiş 70 milimetre çapında şeffaf akrilik cam plakadır. Bunu monte edin ve yükseklik referans noktasını ayarlayın.

Ardından dönen diski kaldırın ve çıkarın. Kabı silikon yağı ile doldurarak hazırlığı tamamlayın. Görüntüleme sistemi ile çalışmaya başlayın.

Bu, bir CMOS kamera ve konteynerin üstten görünümüne sahip objektif lensi içerir. İkinci bir yüksek hızlı kamera, konteynerin yandan görünümüne sahiptir. Görünüm mikroskop lamından geçer.

Kabı aydınlatmak için Xenon lambasını ve LED'i açın ve ayarlayın. Alt tabakayı görselleştirmek için CMOS kamerada görüntüleme yazılımı kullanın. Odak noktasına getirmek için dikey sahneyi ayarlayın.

Odaklandıktan sonra, alt tabakanın merkezini belirleyin. Konuma dikkatlice işaretlenmiş soda kaplı bir cam küre yerleştirin. Dönen diski reometreye yükseklik referans noktasının iki milimetre yukarısına yeniden monte ederek devam edin.

Son olarak, yan görüş kamerasında herhangi bir ayarlama yapın. Dönme hızı aralığını girin, dönme hızında doğrusal bir artış programlayın ve ölçümleri başlatın. Her iki kameradan da bir video dizisi kaydetmeye başlayın ve canlı videoyu bunlardan birinden izleyin.

Boncuk denge konumundan çıktığında, ölçümü durdurun ve kritik dönüş hızı olan dönme hızına dikkat edin. Ardından videoları kaydetmeyi bırakın. Veri analizi sırasında, başlangıç hareketinin modunu belirlemeye yardımcı olmak için kaydedilen videoları özel bir görüntü işleme rutinine yükleyin.

Özelleştirilmiş bir düşük hızlı rüzgar tünelinde türbülanslı rejim ölçümleri gerçekleştirin. İçinde ortalanmış normal bir alt tabaka bulunan bir açık jet test bölümüne sahiptir. Doğrusal, dikey ve yatay aşamalar, test bölümündeki bir anemometreyi ve diğer enstrümantasyonu destekler.

Makro lensli yüksek hızlı kamera bir tarafa monte edilmiştir. Bu şema, ekipmana genel bir bakış sağlar. Anemometre sinyalinin bir osiloskop ve bilgisayara girildiğini unutmayın.

İşaretli bir alümina boncuğu yerleştirmek için alt tabakanın neresine yerleştirin. Alt tabakanın merkezi ekseni boyunca ve ön kenardan 110 milimetre uzaklıktaki noktayı belirleyin ve boncuğu oraya yerleştirin. Yüksek hızlı kamerayı kullanın ve boncuğun ve işaretlerinin net, odaklanmış bir görüntüsünü elde etmek için bir LED ışık kaynağını ayarlayın.

Rüzgar tünelinin fanını yaklaşık kritik fan hızının çok altında başlatın. Boncuğu izleyin ve fan hızını her 10 saniyede bir dört ila altı RPM artırın. Başlangıç koşullarına yakın olduğunuzda görüntüleme yazılımıyla kayda başlayın.

Başlangıç hareketi meydana geldiğinde fan hızını artırmayı durdurun ve kritik hız değerini not edin ve videoyu durdurun. Yine, veri analizi için, kaydedilen videoyu analiz etmek için özel bir yazılım kullanın ve boncuğun başlangıç hareketinin modunu belirleyin. Şimdi, minyatür bir sıcak tel probu ile anemometre ile çalışın.

Kontrol fonksiyonunu bekleme moduna alın ve direnci %65'lik bir aşırı ısınma oranı için ayarlayın İşaretli boncuğu alt tabakadan çıkarın. Sıcak tel probunu başlangıç konumuna yerleştirmek için anemometreyi hareket ettirin. Anemometreyi kalibre etmek için, prob serbest akış bölgesinde olmalıdır.

Burada, prob alt tabakanın en az 10 milimetre üzerinde olmalıdır. Probu çalıştırın ve fanı 200 RPM dönüş hızında çalıştırın. Ardından hava akımında bir pervane anemometresi kullanın.

Pervane anemometresinden akış hızını okuyun ve kaydedin. Ek olarak, osiloskop üzerindeki sıcak tel prob voltajını okuyun ve kaydedin. 50 RPM'ye kadar dönüş hızında 450 RPM'lik artışlar için anemometre okumalarını kaydetmeyi tekrarlayın.

Bir kalibrasyon eğrisi oluşturmak için verileri kullanın. Probu kamera ile izleyin ve dokunmadan alt tabaka yüzeyine mümkün olduğunca yakın indirin. Başlangıç hareketi için fanı ortalama hızda başlatın ve prob verilerini toplamaya başlayın.

Her veri setinden sonra, probun yüksekliğini artırın ve veri toplamayı tekrarlayın. Bu üstten görünüm anlık görüntüleri, laminer akışta başlangıç hareketi sırasında ikinci dereceden bir yüzey üzerinde işaretlenmiş bir boncuğa aittir. Yazılım, parçacık ve kütle merkezi üzerindeki özellikleri izler.

Veriler, yörüngenin bir fonksiyonu olarak dönme açısının belirlenmesine izin verir ve noktalı çizgi ile gösterilen saf yuvarlanma hareketlerinin beklentilerini yakından takip eder. Bunlar, türbülanslı akışta ikinci dereceden bir yüzey üzerinde işaretlenmiş bir alümina boncuk için benzer yan görünüm anlık görüntüleridir. Bu durumda, boncuk, hareketinin yalnızca erken dönemlerinde saf bir yuvarlanma hareketi gerçekleştiriyor gibi görünmektedir.

Akış bazında hız profilinin zaman ortalamasının bir grafiği olan daireler, sabit sıcaklık anemometresinden gelen veriler kullanılarak mümkündür. Burada, düz çizgi, logaritmik log yasasını kullanarak bir uyum sağlar ve mavi X'ler, değiştirilmiş duvar yasasını kullanarak bir uyum içindir. Kritik kalkan sayısını belirlemek için gereken kesme hızı, uyumlardan çıkarılır.

Burada, her iki duvar yasası da kesme hızı için benzer değerler önermektedir. Burada, küçük bir yükseklik aralığında kök ortalama kare akış bazında hız profilinin bir grafiği verilmiştir. Ölçülen iç organ alt tabakası milimetrenin yaklaşık 1/4'ü kadardır, bu da hareketli boncuğun esas olarak türbülanslı bir akışa maruz kaldığını gösterir.

Reometredeki her ölçüm, düzgün bir şekilde yapılırsa beş dakikadan fazla sürmez. Bununla birlikte, rüzgar tünelindeki deneyler, sınır tabakasının ölçümü karmaşık bir süreç olduğu için yaklaşık beş saat sürebilir. Reometredeki boşluğun doğru ayarlanması, kritik kesme hızı ve kritik kalkan sayıları hesaplanırken herhangi bir sistematik hatayı önlemek için kritik öneme sahiptir.

Rüzgar tünelinde, kalibrasyonu yapılan hayvan, kesme hızını belirlemek için dikkatli bir şekilde hareket etmek ister. Ölçüm sırasında önemli bir değişiklik olmadığından emin olmak için ölçümden önce ve sonra kalibrasyon yapılması önerilir. Rüzgar tünelindeki prosedürün ardından, klasik kalkanların ötesindeki diğer kriterler, başlangıç hareketini belirtmek için kullanılabilir.

Olayların süresi termal anemometre ile ölçülebildiği için girdiler veya enerji kriterleri benimsenebilir. Sonuçlar, alt tabaka geometrisine bağlı olarak türbülanslı akış nedeniyle kuvvetlerin ve torkların belirli bir şeye nasıl etki ettiğine dair önemli bilgiler sağlayabilir. Sonuçlar, daha sofistike modeller için bir kıyaslama olarak kullanılabilir.

Bu videoyu izledikten sonra, tortu yatağı geometrisinin başlangıç parçacık hareketi üzerindeki çıkarımını sistematik olarak nasıl ölçebileceğimizi iyi anlamış olmalısınız.