JoVE Logo
Auteurs
Contactez-nous

S'identifier

Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.

Dans cet article

  • Résumé
  • Résumé
  • Introduction
  • Protocole
  • Résultats
  • Discussion
  • Déclarations de divulgation
  • Remerciements
  • matériels
  • Références
  • Réimpressions et Autorisations

Résumé

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.

Résumé

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, figure-introduction-9882 , définie par Martino et al. 37 comme figure-introduction-10028 où figure-introduction-10100 est l’angle de repos, c'est-à-dire l’angle critique à laquelle le mouvement se produit54, et figure-introduction-10295 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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocole

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.

  1. Préparer le rhéomètre.
    1. 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 système.
    2. Raccorder le circulateur fluid à la plaque de mesure. S’assurer que les tuyaux de l’élément Peltier sont reliés au rhéomètre. Mettre en marche le circulateur fluid et régler la température (20 ° C).
    3. Monter le conteneur personnalisé contenant le substrat régulièrement sur le rhéomètre.
      1. Prenez le substrat ordinaire hors du conteneur et nettoyer la surface avec de l’eau distillée. Sécher la surface avec un chiffon de nettoyage pour lentilles et enlever la poussière résiduelle possible à l’air comprimé.
        Remarque : Les substrats réguliers sont monocouches de 15 x 15 mm2 construit à partir de perles de verre sodocalcique sphériques de µm (± 405,9 8,7).
      2. À l’aide d’un ruban double face épaisseur 0,4 mm, fixer le substrat régulièrement dans le récipient en vous assurant que le centre de substrat est à une distance de 21 mm de l’axe de pivotement.
      3. Placez l’adaptateur personnalisé sur la plaque du rhéomètre.
      4. Monter le conteneur circulaire sur mesure dans le plat en veillant à ce que la partie plate avant fait face le système d’imagerie conçu pour l’enregistrement de côté.
        Remarque : Assurez-vous que le réservoir est complètement horizontal avec le niveau d’eau (0,6 mm/m). Pour cela, placez le niveau d’eau sur le conteneur parallèlement à l’arrière de l’appareil et mettez-le de niveau avec les pieds réglables rhéomètre. Répétez l’opération en tournant le niveau d’eau de 90 degrés.
    4. Allumez le rhéomètre. Attendez que la procédure de démarrage est terminée et le statut « OK » s’affiche sur l’écran du périphérique.
    5. Démarrez l’ordinateur et le logiciel rheometer. Initialiser le rhéomètre et réglez le thermostat du panneau de commande du logiciel à la valeur désirée (20 ° C).
    6. Monter le système de mesure personnalisé. Réglage du zéro écart du logiciel.
      Remarque : Avant de régler l’écart zéro, s’assurer qu’il n’y a aucun mobiles perles sur le substrat et que les frontières de substrat ne sont pas pliées. Une erreur de mise à l’écart zéro entraînera une erreur systématique dans le calcul du cisaillement note et donc à la mesure des boucliers critiques numéro. Une incertitude absolue de 0,05 mm est supposée dans la largeur de la fente pour calculer le nombre critique de boucliers.
    7. Soulevez la plaque mesure 30 mm et retirez-le.
    8. Remplissez le réservoir avec environ 70 mL d’huile de silicone 100 mPa·s. S’assurer que le niveau du liquide dans le contenant reste supérieur à 2 mm. L’huile de silicone ne doit pas couvrir la partie supérieure de la plaque transparente. Attendre environ 15-20 min pour l’équilibre thermique. Pendant ce temps, ajuster les systèmes d’imagerie (Voir l’étape 2 du protocole).
      Remarque : La température qui est fixée à (295.15 ± 0,5) K ici, est contrôlé par un élément Peltier connecté au rhéomètre et mesurée avec un thermomètre externe. Fluctuations de moins de 0,5 K sont observées au cours des expériences.
  2. Réglage du système d’imagerie.
    1. Allumez la lampe au xénon à Arc 300 W. Ajustez le guide de lumière flexible pour illuminer le talon sur le côté à travers les murs transparents du conteneur.
    2. Régler l’intensité lumineuse de LED afin d’éviter la forte réflexion de la lumière sur le substrat.
    3. Modifier le système d’imagerie conçu pour enregistrer le mouvement de la particule par le haut à travers la plaque mesure transparent.
      1. Démarrage du logiciel d’imagerie de l’ordinateur, puis choisissez le profil monochrome dans la boîte de dialogue démarrage.
      2. Ouvrir la caméra CMOS de 768 x 576 du système d’imagerie installé sur le dessus du conteneur. Lancer la vidéo en direct.
      3. Réglez la phase de positionnement horizontale jusqu'à ce que la position de référence qui a été précédemment marquée dans le centre du substrat apparaît au centre de l’image.
      4. Ajuster la phase de positionnement verticale de se concentrer sur le substrat.
      5. Placez délicatement une sphère de verre sodo-calcique marquée de µm (± 405,9 8,7).
      6. Assurez-vous qu’au moins une des marques est placé à une distance d’environ 75 % du rayon perle ou plus grande de l’axe de rotation. Si ce n’est pas le cas, déplacez manuellement la mesure plaque pour réaliser le mouvement du talon à la prochaine position d’équilibre (voir la Figure 2(a) comme référence).
        NOTE : Afin d’assurer un suivi approprié pendant le mouvement, les billes mobiles sont marqués par plusieurs spots séparés par environ 45° (voir Figure 3(a)). Le code comprend un état des flux de contrôle simple pour minimiser les écarts de marque afin de calculer l’angle de rotation. Pour plus de détails, nous nous référons à Agudo et al. 39de 2017.
      7. Ouvrez la boîte de dialogue pour définir les paramètres de la caméra et régler la cadence de 30 images par seconde. Ajuster la durée d’exposition pour s’assurer que les marques se distinguent bien partir du pourtour de la perle.
        Remarque : La sphère de verre sodocalcique plongée dans une huile de silicone de 100 mPa·s nécessite environ 4 secondes pour déplacer de sa position initiale vers le bassin versant de la position d’équilibre voisin. Par conséquent, un framerate de 30 images/s permet une incertitude inférieure à 1 %.
    4. Monter la mesure pour le rhéomètre.
    5. Définissez la distance de mesure à 2 mm.
      Remarque : La mise au point de la caméra supérieure doit être réajusté légèrement en raison de la présence de la plaque de Plexiglas.
    6. Modifier le système d’imagerie conçu pour enregistrer le mouvement de la particule du côté par le biais de la lame de microscope transparent.
      1. Ouvrir la caméra CMOS 4912 x 3684 du système d’imagerie installé à l’avant du conteneur et démarrage de la vidéo en direct.
      2. Ajuster à la verticale et la phase de positionnement horizontale placé parallèlement à la rhéomètre jusqu'à ce que le talon marqué apparaît au centre de l’image.
      3. Réglez le zoom modulaire jusqu'à ce que le champ de vision inclut la surface supérieure du substrat, le talon et la partie inférieure du disque mesure.
      4. Ajuster la phase de positionnement horizontale placée perpendiculairement à la rhéomètre de se concentrer sur le talon.
      5. Ouvrez la boîte de dialogue pour définir les paramètres de la caméra et régler la cadence de 30 images par seconde.
  3. Déterminer la vitesse de rotation critique pour le début du mouvement.
    1. Augmenter la vitesse de rotation, n, de 0,02 à 0,05 révolutions par seconde par petits incréments de 0,00025 tours / seconde à l’aide du logiciel rheometer de façon linéaire.
      1. Dans la fenêtre de mesure, double-cliquez sur la cellule pour le type de contrôle et de modifier la plage de la vitesse de 0,02 à 0,05 révolutions par seconde.
      2. Double-cliquez sur le paramètre de temps et entrez le numéro de mesure points, 60 et la durée de chaque mesure, 5 s.
      3. Définissez un tableau représentant la vitesse de rotation en fonction du temps.
    2. Ouvrir la vidéo en direct par les caméras de dessus et de côté. Commencez à enregistrer une séquence vidéo de deux caméras en utilisant le logiciel d’imagerie.
    3. Démarrer la mesure en utilisant le logiciel rheometer.
      Remarque : Une expérience préliminaire avec une plus grande taille d’étape est recommandée avant l’étape 1.3.1.1 afin d’estimer approximativement la limite de vitesse à laquelle le mouvement naissant va arriver. Par exemple, à une distance de 21 mm de l’axe de pivotement et d’utiliser l’huile de silicone de 100 mPa·s, la perle de verre se déplace au tournant à des vitesses d’environ 0,035 révolutions par seconde. Par conséquent, varient de 0,02 à 0,05 révolutions par seconde semble approprié pour l’expérience.
    4. Regardez attentivement la vidéo en direct du sommet ou de la caméra de côté et la mesure s’arrête lorsque le talon se déplace de sa position d’équilibre. Notez la vitesse à laquelle le talon traverse la separatrix à la position d’équilibre voisin. La vitesse de rotation notée représente la vitesse de rotation critique, nC. Arrêter les séquences vidéo.
      Remarque : Vérifiez que la taille de palier est assez petite pour que l’augmentation de la vitesse au cours de l’intervalle de temps qui le talon nécessite de déplacer de sa position initiale à celle voisine ne comporte pas plus de 1 % de la valeur critique.
    5. Placez le talon à sa position d’origine. Ceci est possible en déplaçant manuellement la plaque tournante jusqu'à ce que le talon déplace une position arrière. Répétez l’expérience cinq fois Notant la vitesse critique moyenne et l’écart-type.
    6. Répétez les étapes 1.3.1 à 1.3.5 avec une perle marquée différente dans 2 positions adjacentes au centre du substrat.
  4. Analyse des données.
    1. Déterminer le mode de déplacement : analyser la séquence d’images préalablement enregistrées du haut ou du côté avec l’algorithme comme décrit dans Agudo et coll. 201739.
    2. Déterminer le nombre critique de boucliers et le nombre de Reynolds de cisaillement.
      1. Obtenir le nombre critique de boucliers du équation suivante40
        figure-protocol-10124(1)
        où figure-protocol-10202 a été obtenu à l’étape 1.3.4, figure-protocol-10301 est la viscosité cinématique, figure-protocol-10400 et figure-protocol-10472 sont respectivement de particule et densités liquides, figure-protocol-10596 est l’accélération de la pesanteur et figure-protocol-10709 est le diamètre de la perle mobile, toutes les connus. figure-protocol-10833 est la largeur de la fente, définie comme la distance entre le haut des sphères substrat et la plaque mesure, c'est-à-dire 2 mm et r est la distance radiale de la particule de l’axe de rotation, c'est-à-dire 21 mm.
      2. Obtenir le nombre de Reynolds de cisaillement, Re * basé sur la vitesse de cisaillement, de l’équation suivante :
        figure-protocol-11273(2)
    3. Recommencer la procédure depuis 1.1.3 à 1.4.2 en utilisant un substrat régulièrement différent.
    4. Utiliser des perles de différentes densités et différentes viscosités fluides afin de couvrir un large éventail de la Re * des conditions d’écoulement rampant jusqu'à 1.

2. naissante Particle Motion sous le régime Turbulent hydrauliquement transitoire et rugueuse.

Remarque : Les mesures sont effectuées dans une sur mesure basse vitesse soufflerie avec section d’essai jet ouvert, type de Göttingen.

  1. Préparation du système d’imagerie.
    1. Fixer le substrat quadratique dans le milieu de la section de l’essai.
    2. Place une bille de 5 mm alumine précédemment marqués à la position initiale désirée (110 mm du bord d’attaque et 95 mm du bord côté).
    3. Connectez la caméra à grande vitesse, couplée à l’objectif macro à l’ordinateur et allumez-le. Ajuster la lentille macro jusqu'à ce que le talon de la cible est clair dans l’image.
    4. Lancer le logiciel d’imagerie sur l’ordinateur. Activez « Caméra Live » et réglez le « taux d’échantillonnage » à 1000FPS.
    5. Allumez la source de lumière LED et ajuster l’intensité ainsi que la mise au point de la caméra pour obtenir une image claire de la particule et ses marques.
      Remarque : Vérifiez qu’au moins une des marques est placé à une distance d’environ 75 % du rayon perle ou plus grande de l’axe de rotation (voir la Figure 3(a) comme référence).
  2. Déterminer la vitesse du ventilateur critique pour le début du mouvement.
    1. Régler la vitesse du ventilateur bien inférieure à la valeur critique (environ 1400 tours minute pour la perle d’alumine de 5 mm).
    2. Démarrer l’enregistrement en appuyant sur la gâchette sur le logiciel d’imagerie.
    3. Augmenter la vitesse en étapes environ 4 à 6 tr/min toutes les 10 s jusqu’au mouvement naissant se produit.
    4. Remarque la valeur de la vitesse critique à laquelle le mouvement naissant se produit et arrêter la séquence vidéo.
    5. Placez une nouvelle perle marquée à la même position initiale et recommencer la procédure depuis 2.2.1 à 2.2.4 dix fois. Notez la vitesse critique pour chaque mesure.
    6. Recommencer la procédure depuis 2.2.1 à 2.2.5 à la même distance du bord d’attaque, mais à 65 et 125 mm du bord côté, respectivement. Notez la vitesse critique pour chaque mesure.
  3. Préparation à la température constante du fil chaud Anémomètre (LTC).
    1. Définir la fonction de contrôle de LTC pour stand-by et la résistance de la décennie à 00.00. Allumez l’alimentation principale et attendre environ 15-20 min pour se réchauffer.
    2. Brancher la sonde court-circuitage et mettre la fonction de contrôle CTA à mesure de la résistance. Régler les zéro Ohms jusqu'à ce que l’aiguille est placée dans la marque rouge et commuter en arrière la fonction de contrôle en mode de veille.
    3. Remplacez la sonde court-circuit de la sonde de fil chaud miniature. Activer la fonction de contrôle CTA à mesure de la résistance. Régler les interrupteurs de résistance jusqu'à ce que l’aiguille est placée dans la marque rouge.
      Remarque : La résistance mesurée correspond à la résistance au froid de la sonde miniature. La valeur mesurée doit être en accord avec la valeur fournie par le fabricant (3,32 Ω).
    4. Activez la fonction CTA pour stand-by et ajuster la décennie de la résistance à 5,5 Ω d’atteindre un ratio de surchauffe d’environ 65 %.
    5. Mesurer la bande passante de la LTC à la vitesse critique moyenne (étape 2.2.4).
      1. Mettre en marche le ventilateur et la valeur de la vitesse de rotation du ventilateur à la valeur critique, environ 1400 tr/mn. Mettez en marche l’oscilloscope.
      2. Allumez le générateur d’ondes carrées de la LTC.
      3. Lancer le logiciel de l’oscilloscope sur l’ordinateur, puis ouvrez le module CSV pour activer l’enregistrement de données. Choisissez le canal (CH1) et sauvegarder l’enregistrement des données c'est-à-dire temps et tension, sous le nom de fichier souhaité. Attendez jusqu'à ce que les mesures de finition (environ 3 min).
        Remarque : La fréquence de coupure est calculée à partir des temps de réponse au cours de laquelle la tension a chuté à un niveau de - 3db (voir la Figure 4(a)).
      4. Éteignez le générateur d’ondes carrées et régler la fonction CTA à la veille.
  4. Étalonnage de la LTC.
    1. Activez la fonction CTA à exploiter. Veiller à ce que la sonde s’ajuste à une hauteur suffisamment loin de la plaque, afin qu’il se trouve dans la zone de flux libre.
    2. Régler la vitesse de rotation fan à 200 tr/min. Mesurer la vitesse longitudinale dans la zone de libre flux à l’aide de l’anémomètre à hélice et lisez la tension sur l’oscilloscope.
    3. Répétez l’étape 2.4.2 pour différentes vitesses de rotation avec un incrément fixe de 50 tr/min jusqu'à environ 1450 tr/mn (soit un total de 26 lectures).
    4. Établir une corrélation entre la vitesse de rotation et la vitesse longitudinale d’écoulement libre mesurée, figure-protocol-16739 . Obtenir la vitesse critique, figure-protocol-16845 , ce qui correspond à la vitesse de rotation critique pour chacune des mesures effectuées des étapes 2.2.5 à 2.2.6. Calculer la vitesse moyenne d’écoulement libre critique, figure-protocol-17093 et l’écart type des mesures.
    5. Établir une corrélation entre la vitesse et la tension après un ajustement polynôme du troisième degré :
      figure-protocol-17310(3)
      Ici, figure-protocol-17390 est la vitesse longitudinale mesurée en m/s, figure-protocol-17504 est la tension mesurée en volts (V), et figure-protocol-17613 sont les coefficients d’ajustement. Les courbes d’étalonnage sont indiquées dans la Figure 4(b) avant et après les mesures du profil de la vitesse.
  5. Mesurer la vitesse longitudinale dont la position murale normale des conditions critiques.
    1. Extraire le talon marqué du substrat.
    2. Régler le volant de la phase de positionnement horizontal jusqu'à ce que la sonde fil chaud est placée à la position initiale désirée (110 mm du bord d’attaque et 95 mm du bord côté).
    3. Ajustez soigneusement le volant de la verticale positionnement étape jusqu'à ce que la sonde est placée dans le proche possible de la surface du substrat. Voir à travers la caméra couplée à l’objectif macro pour s’assurer que le fil ne touche pas la surface du substrat. La valeur zéro de l’indicateur de niveau numérique à cette position.
      Mise en garde : Le fil chaud est très sensible et s’il touche la surface, il se brisera. Par souci de sécurité, nous mettons la sonde à une distance de 0,05 mm au-dessus de la sphère de substrat (voir la Figure 1(e) comme référence). Il s’agit d’un élément de paroi normale normalisé figure-protocol-18952 où figure-protocol-19024 est la mesure de la valeur, mise en marche figure-protocol-19136 est la vitesse de cisaillement et figure-protocol-19245 est la viscosité cinématique de l’air à la température de fonctionnement. Notez que la valeur de départ est au-dessous de figure-protocol-19436 où la viscosité est dominante55.
    4. La valeur de la vitesse de rotation du ventilateur à la vitesse de rotation moyenne au cours de laquelle le mouvement naissant se produit, reportez-vous à l’étape 2.2.4. La vitesse d’écoulement libre correspond donc à figure-protocol-19791 .
    5. Régler la fréquence d’échantillonnage à 1 kSa et le nombre d’échantillons à 6000 sur l’oscilloscope (total des temps d’échantillonnage de 6 s). Choisissez le canal (CH1) et démarrer la mesure. Enregistrer les données d’enregistrement sous le nom de fichier souhaité. Attendez jusqu'à ce que les mesures de finition (environ 3 min).
    6. Accroître la position du mur à la normale de la sonde par une augmentation de 0,01 mm à 0,4 mm et d’un incrément de 0,1 mm à hauteur de 10 mm. Cela correspond à un total de 137 points de la courbe de profil de vitesse. Enregistrer les données enregistrées pour chaque hauteur.
  6. Analyse des données.
    1. Calculer la vitesse longitudinale moyenne et l’intensité turbulente pour chaque position du mur à la normale.
      1. Exécuter l’algorithme développé lui-même afin d’évaluer les quantités de statistiques. Ouvrez le script et sélectionnez le dossier contenant la courbe d’étalonnage et les données stockées pour chacun de la hauteur mesurée.
        Remarque : Le script calcule tout d’abord les coefficients d’ajustement de la courbe d’étalonnage comme indiqué dans l’équation 3. Pour chaque hauteur, il calcule la vitesse longitudinale instantanée, figure-protocol-21114 en utilisant l’équation 3 et calcule l’échelle de temps d’intégration de l’autocorrélation méthode56. Par la suite, il calcule la moyenne de temps, figure-protocol-21355 et la vitesse de racine carrée, figure-protocol-21456 , pour les échantillons qui sont séparés par deux fois le temps d’intégration nécessaire à l’analyse moyenne temporelle.
      2. Tracer la verticale sans dimension, figure-protocol-21700 contre la vitesse moyenne de temps longitudinale sans dimension figure-protocol-21839 , où figure-protocol-21919 est le diamètre des sphères substrat. Terrain figure-protocol-22034 contre la vitesse carrée racine sans dimension figure-protocol-22150 . Figure 4 (d représente les résultats dans le cas de la perle d’alumine de 5 mm.
    2. Calculer la vitesse de cisaillement des données expérimentales.
      1. Ajustement de la vitesse moyenne de temps sans dimension avec la distribution de vitesse logarithmique57
        figure-protocol-22583(5)
        où figure-protocol-22661 est la vitesse de cisaillement, figure-protocol-22768 est la constante de von Kármán et figure-protocol-22877 est une constante qui dépend de la cisaille Reynolds numéro26. La ligne continue dans la Figure 4(c) est un ajustement logarithmique à la vitesse moyenne de temps.
        Remarque : De l’ajustement aux données expérimentales, il peut être démontré que la vitesse de cisaillement, figure-protocol-23293 est donnée par :
        figure-protocol-23388(6)
        où figure-protocol-23466 est le coefficient d’ajustement logarithmique et figure-protocol-23584 20.
        La sous-couche visqueuse, figure-protocol-23717 se maintient au-dessus de la partie supérieure des sphères substrat dans nos expériences. Dans le scénario plus rigoureux, EQ 5 soient remplacés par la Loi de vitesse modifiée présentée par Rotta20,58.
        figure-protocol-24050(7)
        où figure-protocol-24130 et figure-protocol-24208 . figure-protocol-24285 est l’épaisseur de la sous-couche visqueuse qui peut être calculée approximativement par figure-protocol-24443 55.
        L’algorithme calcule directement la vitesse de cisaillement de l’ajustement de données expérimentales à EQ. 5 et EQ. 7. Les symboles bleus dans la Figure 4(c) représentent l’ajustement aux données expérimentales selon EQ. 7.
        À Re * supérieure à 70, figure-protocol-24832 représente jusqu'à 5 % de diamètre perle mobile et en utilisant un ajustement de 5 EQ ou EQ. 7 implique une variation sur figure-protocol-25023 au sein de la gamme adoptée d’incertitude. Comparer la ligne continue et symboles bleus dans la Figure 4(c) à une Re * d’environ 87,5.
    3. Déterminer le mode de déplacement : analyser la séquence d’images préalablement enregistrées du côté avec l’algorithme comme décrit dans Agudo et coll. 201739.
    4. Déterminer le nombre critique de boucliers et le nombre de Reynolds de cisaillement.
      1. Obtenir le nombre critique de boucliers de la suivante de l’équation22
        figure-protocol-25683(8)
        où figure-protocol-25761 a été obtenu à l’étape 10.2, figure-protocol-25865 et figure-protocol-25937 sont respectivement de particule et densités de fluide, figure-protocol-26062 est l’accélération de la pesanteur et figure-protocol-26169 est le diamètre de la perle mobile, tous connus.
      2. Obtenir la particule Reynolds number, Re *, de l’équation suivante :
        figure-protocol-26371(9)
      3. Répétez la procédure pour mesurer le profil des vitesses en fonction de la coordonnée normale mur, étape 2.5, à la même distance du bord d’attaque, mais à 65 et 125 mm dans le sens de la largeur, respectivement.
      4. Répéter la procédure de 2,1 à 2.6.4.3 à l’aide de tailles différentes perles et substrats ordinaires.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Résultats

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?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer

Remerciements

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

matériels

NameCompanyCatalog NumberComments
MCR 302 Rotational RheometerAnton PaarInduction of shear laminar flow
Measuring Plate PP25Anton PaarInduction of shear laminar flow
Peltier System P-PTD 200Anton PaarKeep temperature of silicon oils constant in the system at laminar flow
Silicone oils with viscosities of approx. 10 and 100 mPasBasildon ChemicalsFluid used to induced the shear in the particles
Soda-lime glass beads of (405.9 ± 8.7) μmThe Technical Glass CompanyConstruction of the regular substrates for laminar flow conditions
Opto Zoom 70 Module 0.3x-2.2xWEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbHImaging system for recording the bead motion in the rheometer
2 x TV-Tube 1.0x, D=35 mm, L=146.5 mmWEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbHImaging system for recording the bead motion in the rheometer
UI-1220SE CMOS CameraIDS Imaging Development Systems GmbHImaging system for recording the bead motion in the rheometer
UI-3590CP CMOS CameraIDS Imaging Development Systems GmbHImaging system for recording the bead motion in the rheometer
Volpi IntraLED 3 - LED light source Volpi USAImaging system for recording the bead motion in the rheometer
Active light guide diameter 5mmVolpi USAImaging system for recording the bead motion in the rheometer
300 Watt Xenon Arc LampNewport CorporationImaging system for recording the bead motion in the rheometer
Wind-tunnel with open jet test section, Göttingen type Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AGInduction of turbulent flow
Glass spheres of (2.00 ± 0.10) mmGloches South KoreaConstruction of the regular substrates for turbulent flow conditions
Alumina spheres of (5.00 ± 0.25) mmGloches South KoreaTargeted bead for experiments
CTA Anemometer DISA 55M01Disa Elektronik A/S Measurement of  flow velocity in the wind tunnel
Miniaure Wire Probe Type 55P15Dantec DynamicsMeasurement of  flow velocity in the wind tunnel
HMO2022 Digital Oscilloscope, 2 Analogue. Ch., 200MHzRohde & SchwarzMeasurement of  flow velocity in the wind tunnel
Phantom Miro eX1 High-speed CameraVision Research IncVisImaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel
Canon ef 180mm f/3.5 l usm macro lensCanonImaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel
Table LED LampGloches South KoreaImaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel

Références

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Réimpressions et Autorisations

Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE

Demande d’autorisation

Explorer plus d’articles

Ing nierienum ro 132coulement granulaireparticule Fluid FlowTransport des s dimentsmouvement naissant

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Confidentialité

Conditions d'utilisation

Politiques

Contactez-nous

RECOMMANDER À LA BIBLIOTHÈQUE

NEWSLETTERS JoVE

Recherche

Enseignement

Auteurs

Bibliothécaires

À PROPOS DE JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Tous droits réservés.