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

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

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

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Die beginnende Kriterium ist als die Bewegung des Teilchens von seiner anfänglichen Gleichgewichtslage zur nächsten etabliert. Bildverarbeitung wird verwendet, um den Modus der Beginn der Bewegung, d.h. ermitteln Rollen, schieben, heben³⁹^,⁴¹. Zu diesem Zweck wird der Drehwinkel des mobilen Sphären, die manuell gekennzeichnet wurden erkannt. Der Algorithmus ermittelt die Position der Marken und vergleicht es mit dem Mittelpunkt der Kugel. Eine erste Reihe von Experimenten führte in beiden Versuchsanordnungen zu klären, dass die kritische Zahl der Schilde unabhängig von endlicher Größeneffekte des Set-up und relativen untertauchen bleibt. Die experimentellen Methoden sollen somit einen anderen Parameter hängt von der kritischen Schilde Anzahl jenseits Re * und geometrischen Eigenschaften des Bettes Sediment auszuschließen. Re * ist abwechslungsreich mit verschiedenen Flüssigkeit-Partikel-Kombinationen. Die kritische Zahl der Schilde zeichnet sich als eine Funktion der Bestattung Grad, , definierte von Martino Et Al. ³⁷ als wo ist der Winkel des Ausruhens, d. h. der Grenzwinkel bei welcher Bewegung^{54 tritt}, und ist die Exposition, definiert als das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche, die effektiv die Strömung ausgesetzt um die totale Querschnittsfläche des mobilen Wulstes.

Protocol

(1) beginnende Partikelbewegung in der schleichenden Flow-Grenze. Hinweis: Die Messungen werden in einem rotatorischen Rheometer, der geändert wurde für diese spezielle Anwendung durchgeführt. Vorbereitung der Rheometer. Schließen Sie die Luftzufuhr zu dem Rheometer, um Beschädigungen der Luftlager zu vermeiden. Öffnen Sie das Ventil neben dem Luftfilter, bis ein Druck von ca. 5 Bar im System erreicht ist. Die Messplatte Fluid Thermostaten …

Representative Results

Abbildung 1 (a) stellt eine Skizze der Versuchsaufbau verwendet, um die kritische Zahl der Schilde in der schleichenden Fluss Grenze, Abschnitt 1 des Protokolls zu charakterisieren. Die Messungen erfolgen in einer rotatorischen Rheometer, die geändert wurde für diese spezielle Anwendung. Eine transparente Plexiglasplatte von 70 mm Durchmesser wurde sorgfältig an einer parallelen Platten von 25 mm Durchmesser befestigt. Die Trägheit des Me…

Discussion

Wir präsentieren zwei verschiedene experimentelle Methoden zur Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung als Funktion der Sediment Bett Geometrie. Zu diesem Zweck verwenden wir eine Monolage Kugeln regelmäßig geordnet nach eine dreieckige oder quadratische Symmetrie in einer Weise, dass die geometrische Parameter an einer einzigen Geometrie vereinfacht. In der schleichenden Fluss Grenze beschreiben wir die experimentelle Methode mit einer rotatorischen Rotameter induzieren die laminare Schubfluss wie in früh…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

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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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).