Visual basado en la caracterización de la propuesta del partícula incipiente en sustratos Regular: de Laminar a turbulentas condiciones
Summary
Se presentan dos métodos diferentes para caracterizar el movimiento de la partícula incipiente de un solo grano en función de la geometría de la cama de sedimentos de laminar a turbulento.
Abstract
Se presentan dos métodos experimentales para determinar el umbral de movimiento de la partícula en función de las propiedades geométricas de la cama de laminar para condiciones de flujo turbulento. Para ello, el incipiente movimiento de un grano individual se estudia en sustratos regulares que constan de una monocapa de fijadas esferas de tamaño uniforme que se arreglan regularmente en simetrías triangulares y cuadráticas. El umbral se caracteriza por el número crítico de Shields. El criterio para el inicio del movimiento se define como el desplazamiento de la posición original de equilibrio a la vecina. El desplazamiento y el modo de movimiento se identifican con un sistema de proyección de imagen. El flujo laminar es inducido mediante un reómetro rotacional con una configuración de discos paralelos. La cizalla, el número de Reynolds es inferior a 1. El flujo turbulento es inducido en un túnel de viento de baja velocidad con sección de prueba de chorro abierto. La velocidad de aire se regula con un variador de frecuencia en el ventilador del soplador. El perfil de velocidad se mide con una sonda de hilo caliente conectada a un anemómetro de película caliente. El número de Reynolds del esquileo oscila entre 40 y 150. La ley logarítmica de la velocidad y la ley modificada pared presentado por Rotta se utilizan para deducir la velocidad de corte de los datos experimentales. El último es de especial interés cuando el talón móvil se expone parcialmente al flujo turbulento en el llamado régimen de flujo hidráulico transitorio. La tensión de esquileo se estima en el inicio del movimiento. Algunos resultados ilustrativos que muestran el fuerte impacto del ángulo de reposo y la exposición del grano al flujo del esquileo se representan en ambos regímenes.
Introduction
Movimiento incipiente de la partícula se encuentra en una amplia gama de procesos industriales y naturales. Ambientales por ejemplo el proceso inicial de sedimento transporte en río y los océanos, erosión de la cama o formación de dunas entre otras 1,2,3. 4de transporte neumático, eliminación de contaminantes o limpieza de superficies5,6 son aplicaciones industriales típicas que implica el inicio del movimiento de la partícula.
Debido a la amplia gama de aplicaciones, el inicio del movimiento de la partícula se ha estudiado extensivamente más de un siglo, sobre todo bajo condiciones turbulentas7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Muchos enfoques experimentales se han aplicado para determinar el umbral para el inicio del movimiento. Los estudios incluyen parámetros como la partícula Reynolds número13,16,17,18,19,20, la sumersión de flujo relativo 21 , 22 , 23 , 24 o factores geométricos como el ángulo de reposan16,18,25, exposición al flujo26,27,28,29, relativo grano saliente29 o CBES cama cuesta30.
Los datos actuales para el umbral incluyendo condiciones turbulentas se encuentran ampliamente dispersos12,31 y los resultados a menudo parecen incompatibles24. Esto se debe principalmente a la complejidad del control o determinación de parámetros de flujo bajo condiciones turbulentas13,14. Además, el umbral para el movimiento del sedimento depende del modo de movimiento, es decir, deslizamiento, balanceo o elevación17 y el criterio para caracterizar el movimiento incipiente31. Este último puede ser ambiguo en un lecho de sedimentos erosionables.
Durante la última década, los investigadores experimentales han estudiado movimiento de partícula incipiente en flujos laminares32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, Dónde está el amplio espectro de escalas de la longitud con la cama evitar45. En muchas situaciones prácticas que implica sedimentación, las partículas son muy pequeñas y el número de Reynolds de partícula sigue siendo inferior a aproximadamente 546. Por otro lado, flujos laminares son capaces de generar patrones geométricos como ondulaciones y dunas como flujos turbulentos42,47. Similitudes en ambos regímenes se han demostrado para reflejar analogías en el subyacente física47 para que penetración importante para el transporte de la partícula puede obtenerse un mejor control de sistema experimental48.
En flujo laminar, Charru et al notar que el cambio de local de un lecho granular de granos de tamaños uniforme, cama supuesto blindaje, dio lugar a un aumento progresivo del umbral para el inicio del movimiento hasta que se lograron condiciones saturadas 32. literatura, sin embargo, revela diferentes umbrales para condiciones saturadas en lechos de sedimentos dispuestos irregularmente dependiendo el montaje experimental36,44. Esta dispersión puede deberse a la dificultad de controlar parámetros de partículas tales como orientación, nivel de la protuberancia y compactación de los sedimentos.
El objetivo principal de este manuscrito es describir en detalle cómo caracterizar el incipiente movimiento de las esferas solo en función de las propiedades geométricas de la cama de sedimentos horizontales. Para ello, utilizamos geometrías regulares, que consiste en monocapas de granos fijadas regularmente dispuestos según configuraciones triangulares o cuadráticas. Substratos regulares similar al que utilizamos se encuentran en aplicaciones tales como para el conjunto de plantilla de partículas en microfluidos ensayos49, uno mismo-Asamblea de microdispositivos en geometrías estructuradas confinados50 o intrínseca inducida por partículas transporte en microcanales51. Lo más importante, utilizando sustratos regulares permite destacar el impacto de la geometría local y orientación y para evitar cualquier inseguridad acerca del papel del barrio.
En flujo laminar, se observó que el número crítico de Shields aumentó en un 50% sólo dependiendo de la separación entre las esferas de sustrato y, por tanto, en la exposición del grano para el flujo38. Del mismo modo, encontramos que el número crítico de Shields cambiante por hasta un factor de dos dependiendo de la orientación del sustrato a la dirección de flujo38. Nos dimos cuenta que vecinos inmóviles sólo afectan el inicio de la cuenta móvil si estuvieran más cercanas que cerca de tres partícula diámetro41. Desencadenada por los resultados del experimento, recientemente hemos presentado un modelo analítico riguroso que predice el número crítico de Shields en el arrastramiento flujo límite40. El modelo cubre el inicio del movimiento de muy expuestos a perlas ocultas.
La primera parte de este manuscrito ocupa de la descripción del procedimiento experimental utilizado en estudios anteriores en el esquileo de número de Reynolds, Re *, menor que 1. El flujo laminar se induce con un reómetro rotacional con una configuración paralela. En este límite de número de Reynolds bajo, la partícula no se supone que cualquier fluctuación de velocidad20 de experiencia y el sistema coincide con el supuesto flujo hidráulicamente liso si la partícula está sumergida dentro de la subcapa viscosa.
Una vez establecido el incipiente movimiento en flujo laminar, el papel de la turbulencia puede ser más claro. Motivado por esta idea, presentamos un novedoso procedimiento experimental en la segunda parte del protocolo. Utilizando un túnel de viento de baja velocidad de Göttingen con sección de prueba de chorro abierto, los escudos críticos número puede ser determinado en una amplia gama de Re * incluyendo el flujo hidráulico transitorio y régimen turbulento. Los resultados experimentales pueden proporcionar información importante acerca de cómo las fuerzas y pares actúan en una partícula debido al flujo turbulento dependiendo de la geometría del sustrato. Además, estos resultados pueden ser utilizados como punto de referencia para los modelos más sofisticados en alta Re * de manera similar que trabajo en flujo laminar en el pasado se ha utilizado para alimentar semi modelos probabilísticos52 o validar recientes modelos numéricos53. Presentamos algunos ejemplos representativos de las aplicaciones en el Re * desde 40 hasta 150.
El incipiente criterio se establece como el movimiento de la partícula individual desde su posición de equilibrio inicial a otro. Procesamiento de imágenes se utiliza para determinar el modo de inicio del movimiento, es decir, rodar, resbalar, elevación39,41. Para ello, se detecta el ángulo de rotación de esferas móviles que fueron marcados manualmente. El algoritmo de seguimiento de la posición de las marcas y compara con el centro de la esfera. Un conjunto preliminar de experimentos se llevó a cabo en ambos montajes experimentales para aclarar que el número crítico de Shields sigue siendo independiente de los efectos de tamaño finito de la configuración y la inmersión de flujo relativa. Los métodos experimentales están diseñados así para excluir cualquier otro parámetro que depende del número de escudos crítico más allá de Re * y propiedades geométricas de la cama de sedimentos. La Re * es variada con diferentes combinaciones de partículas de fluido. El número crítico de Shields se caracteriza por ser una función del grado de entierro, 
, definido por Martino et al. 37 como 
que 
es el ángulo de reposo, es decir, el ángulo crítico en que movimiento se produce54, y 
es el grado de exposición, definido como el cociente entre el área transversal efectiva expuesto al flujo al área transversal total de la cuenta móvil.
Protocol
Representative Results
Discussion
Presentamos dos métodos experimentales para caracterizar el movimiento incipiente de la partícula en función de la geometría de la cama de sedimentos. Para ello, utilizamos una monocapa de esferas dispuestas regularmente según una simetría triangular o cuadrática de tal manera que el parámetro geométrico se simplifica a una sola geometría. En el límite de flujo arrastramiento, describimos el método experimental en un rotámetro rotacional para inducir el flujo de corte laminar como en anteriores estudios<sup …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores están agradecidos a los árbitros desconocidos para valiosos consejos y Sukyung Choi, Byeongwoo Ko y Baekkyoung Shin para la colaboración en la configuración de los experimentos. Este trabajo fue apoyado por el proyecto cerebro Busan 21 en 2017.
Materials
| MCR 302 Rotational Rheometer | Antoon Par | Induction of shear laminar flow |
| Measuring Plate PP25 | Antoon Par | Induction of shear laminar flow |
| Peltier System P-PTD 200 | Antoon Par | 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 |
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