Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Jos&#233; R. Agudo; Jiwon Han; Jinyoung Park; Sinyoung Kwon; Soebiakto Loekman; Giovanni Luzi; Christoph Linderberger; Antonio Delgado; Andreas Wierschem

doi:10.3791/57238

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Ingénierie

Basée visuellement caractérisation du mouvement particule naissante dans les substrats régulières : de laminaire à turbulence

Published: February 22, 2018

doi:

10.3791/57238

José R. Agudo, Jiwon Han, Jinyoung Park, Sinyoung Kwon, Soebiakto Loekman, Giovanni Luzi, Christoph Linderberger, Antonio Delgado⁴, Andreas Wierschem

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

Deux méthodes différentes pour caractériser le mouvement de la particule naissante d’une perle unique en fonction de la géométrie de lit de sédiments de laminaire à un écoulement turbulent sont présentés.

Abstract

Deux différentes méthodes expérimentales pour déterminer le seuil du mouvement de la particule en fonction des propriétés géométriques du lit de laminaire à un écoulement turbulent des conditions sont présentées. À cette fin, le mouvement naissant d’une perle unique est étudié sur des substrats réguliers qui se composent d’une monocouche de sphères fixes de taille uniforme régulièrement répartis dans des symétries triangulaires et quadratiques. Le seuil est caractérisé par le nombre critique de boucliers. Le critère de l’apparition du mouvement se définit comme le déplacement de la position d’équilibre original à celui voisin. Le déplacement et le mode de requête sont identifiées par un système d’imagerie. L’écoulement laminaire est induite à l’aide d’un rhéomètre rotationnel avec une configuration de disque parallèle. Le cisaillement de nombre de Reynolds reste inférieure à 1. L’écoulement turbulent est induit dans une soufflerie basse vitesse avec section d’essai jet ouvert. La vitesse de l’air est réglementée avec un convertisseur de fréquence sur le ventilateur. Le profil de vitesse est mesuré par une sonde de fil chaud reliée à un anémomètre à film chaud. Le cisaillement de nombre de Reynolds varie entre 40 et 150. La loi logarithmique de la vitesse et le droit de mur modifiée présentée par Rotta sont utilisées pour déduire la vitesse de cisaillement des données expérimentales. Ce dernier est d’un intérêt particulier lorsque le talon mobile est partiellement exposé à l’écoulement turbulent dans le régime d’écoulement hydraulique transitoire dite. La contrainte de cisaillement est estimée au début du mouvement. Certains résultats illustratifs le fort impact de l’angle de repos et l’exposition de la perle aux flux de cisaillement sont représentés dans les deux régimes.

Introduction

Mouvement de la particule naissante est rencontrée dans une vaste gamme de processus industriels et naturels. Environnement on peut citer le processus initial de sédiments dans la rivière et des Océans, érosion du lit ou la formation dune entre autres de transport ¹^,²^,³. Pneumatique transport⁴, enlèvement de polluants ou de nettoyage de surfaces⁵^,,⁶ sont des applications industrielles typiques impliquant l’apparition du mouvement de la particule.

En raison de la large gamme d’applications, le début du mouvement de la particule a été particulièrement étudié plus d’un siècle, pour la plupart sous conditions turbulentes⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^, ¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵. Plusieurs approches expérimentales ont été appliqués pour déterminer le seuil d’apparition de mouvement. Les études comprennent des paramètres tels que la particule Reynolds numéro¹³^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰, la submersion de débit relatif ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ou facteurs géométriques comme l’angle de reposent¹⁶^,¹⁸^,²⁵, exposition à l’écoulement²⁶^,²⁷^,²⁸^,²⁹, grain relative protrusion²⁹ ou lit longitudinale pente³⁰.

Les données actuelles pour le seuil, y compris des conditions turbulentes sont largement dispersées¹²^,³¹ et les résultats semblent souvent incohérente²⁴. C’est principalement en raison de la complexité inhérente de contrôler et de déterminer les paramètres de débit sous conditions turbulentes¹³^,¹⁴. En outre, le seuil pour le mouvement des sédiments dépend fortement de la mode de mouvement, c’est-à-dire coulissants, roulants ou levage¹⁷ et le critère pour caractériser le mouvement naissant³¹. Ce dernier peut être ambiguë d’un lit de sédiments érodés.

Au cours de la dernière décennie, chercheurs expérimentaux ont étudié mouvement naissant de particules dans des écoulements laminaires³²^,³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷^, ³⁸ ^, ³⁹ ^, ⁴⁰ ^, ⁴¹ ^, ⁴² ^, ⁴³ ^, ⁴⁴, où le large spectre d’échelles de longueur en interaction avec le lit est évitée⁴⁵. Dans de nombreux scénarios pratiques impliquant la sédimentation, les particules sont assez petites et la particule de nombre de Reynolds reste inférieure à environ 5⁴⁶. En revanche, des écoulements laminaires sont capables de générer des motifs géométriques comme les ondulations et les dunes comme écoulements turbulents font⁴²^,⁴⁷. Similitudes dans les deux schémas montrent pour tenir compte des analogies dans la physique sous-jacente⁴⁷ donc des perspectives importantes pour le transport de particules peuvent être obtenues une meilleure contrôlé système expérimental⁴⁸.

En écoulement laminaire, Charru et coll. a remarqué que le réarrangement local d’un lit granulaire des perles uniformément tailles, lit ce qu’on appelle perrés, a entraîné une augmentation progressive du seuil d’apparition de mouvement jusqu’à ce que des conditions saturées ont été atteints ³². la littérature, cependant, révèle des seuils différents pour les conditions de saturation dans les lits de sédiments irrégulièrement disposées selon le contexte expérimental³⁶^,⁴⁴. Cette diffusion peut être dû à la difficulté de contrôle paramètres de particules comme orientation, le niveau de la protubérance et compacité des sédiments.

L’objectif principal de ce manuscrit est de décrire en détail comment caractériser le mouvement naissant des sphères unique en fonction des propriétés géométriques du lit sédiments horizontaux. À cette fin, nous utilisons des géométries régulières, consistant en monocouches de perles fixes régulièrement disposés selon des configurations triangulaires ou quadratiques. Semblable à des substrats régulières que nous utilisons sont trouvent dans des applications comme pour le modèle-assemblage de particules dans les dosages microfluidique⁴⁹, auto-assemblage des micro-dispositifs intrinsèque ou en clos structuré géométries⁵⁰ provoquées par les particules transport en microcanaux⁵¹. Plus important encore, en utilisant des substrats régulières nous permet de mettre en évidence l’impact de la géométrie locale et d’orientation et d’éviter tout dubiety sur le rôle du quartier.

En écoulement laminaire, nous avons observé que le nombre critique de Shields a augmenté de 50 % seulement selon l’espacement entre les sphères du substrat et donc sur l’exposition du talon à l’ écoulement³⁸. De même, nous avons constaté que le nombre critique de boucliers modifiés par jusqu’à un facteur de deux selon l’orientation du substrat à la direction de débit³⁸. Nous avons remarqué que voisins immobiles ne touchent que l’apparition du talon mobile s’ils étaient moins de particules environ trois diamètres⁴¹. Déclenchée par les conclusions de l’expérience, nous avons récemment présenté un modèle analytique rigoureux qui prédit le nombre critique de boucliers rampante débit limite⁴⁰. Le modèle couvre le début du mouvement de très exposés aux perles cachées.

La première partie de ce manuscrit porte sur la description de la méthode expérimentale utilisée dans des études antérieures au cisaillement nombre de Reynolds, Re *, inférieure à 1. L’écoulement laminaire est induite par un rhéomètre rotationnel avec une configuration parallèle. Dans cette faible limite de nombre de Reynolds, la particule n’est pas censé pour éprouver toute fluctuation de vitesse²⁰ et le système correspond à la soi-disant hydrauliquement fluidité où la particule est immergée dans la sous-couche visqueuse.

Une fois que le mouvement naissant à flux laminaire est établie, le rôle de la turbulence peut devenir plus clair. Motivé par cette idée, nous introduisons une nouvelle procédure expérimentale dans la deuxième partie du protocole. En utilisant un tunnel de vent de basse vitesse Göttingen avec section d’essai jet ouvert, les boucliers critiques nombre peut être déterminé dans une large gamme de Re * y compris le débit hydraulique transitoire et le régime turbulent. Les résultats expérimentaux peuvent fournir un important aperçu sur comment les forces et couples agissent sur une particule en raison de l’écoulement turbulent selon la géométrie du substrat. En outre, ces résultats peuvent servir comme point de repère pour des modèles plus élaborés à haute Re * de la même manière que les travaux antérieurs en écoulement laminaire a été utilisée pour alimenter les modèles probabilistes de semi⁵² ou à valider ces dernières modèles numériques⁵³. Nous présentons quelques exemples représentatifs des demandes de Re * allant de 40 à 150.

Le critère naissant est établi comme le mouvement de la particule unique de sa position d’équilibre initial à la suivante. Traitement de l’image est utilisée pour déterminer le mode d’apparition du mouvement, c’est-à-dire rouler, glisser, levage³⁹^,⁴¹. À cette fin, l’angle de rotation des sphères mobiles qui ont été marqués manuellement est détecté. L’algorithme suit la position des marques et la compare avec le centre de la sphère. Une première série d’expériences a été menée dans les deux configurations expérimentales de préciser que le nombre de boucliers critique reste indépendant des effets de taille finie de l’installation et la submersion du débit relatif. Les méthodes expérimentales sont donc conçus pour exclure tout autre paramètre dépend du nombre de boucliers critique au-delà de Re * et les propriétés géométriques du lit sédiments. La Re * est modifiée à l’aide de différentes combinaisons de particule fluide. Le nombre critique de boucliers se caractérise en fonction du degré funéraire, , définie par Martino et al. ³⁷ comme où est l’angle de repos, c’est-à-dire l’angle critique à laquelle le mouvement se produit⁵⁴, et est le degré d’exposition, défini comme le rapport entre l’aire transversale effectivement exposé au flux à la section transversale totale du talon mobile.

Protocol

1. mouvement de particule naissante dans la limite de débit rampante. Remarque : Les mesures sont effectuées dans un rhéomètre rotationnel qui a été modifié pour cette utilisation spécifique. Préparer le rhéomètre. Connecter l’alimentation en air au rhéomètre afin d’éviter d’endommager les roulements de l’air. Ouvrez le robinet sans compter que les filtres à air, jusqu’à l’obtention d’une pression d’environ 5 bars dans le syst…

Representative Results

Figure 1 (a) représente une esquisse du montage expérimental utilisé pour caractériser le nombre critique de boucliers dans la limite de débit rampante, l’article 1 du protocole. Les mesures sont effectuées dans un rhéomètre rotationnel qui a été modifié pour cette utilisation spécifique. Une plaque de Plexiglas transparente de 70 mm de diamètre a été soigneusement fixée sur une plaque de parallèle de 25 mm de diamètre. L?…

Discussion

Nous présentons deux différentes méthodes expérimentales pour caractériser le mouvement de la particule naissante en fonction de la géométrie de lit de sédiments. Pour cela, nous utilisons une monocouche de sphères régulièrement organisées selon une symétrie triangulaire ou quadratique de telle manière que le paramètre géométrique se simplifie en une géométrie unique. Dans la limite de débit rampante, nous décrivons la méthode expérimentale utilisant un rotamètre rotation pour induire l’écoulem…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs sont reconnaissants aux arbitres inconnus pour les précieux conseils et Sukyung Choi, Byeongwoo Ko et Baekkyoung Shin pour la collaboration à mettre en place les expériences. Ce travail a été soutenu par le projet de 21 de Busan cerveau 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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Citer Cet Article

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).