Name: visually based characterization of the incipient particle motion in regular substrates: from laminar to turbulent conditions
Uploaded: 2018-02-22T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions at JoVE.com

Forfatterne er taknemmelige til ukendt dommere af værdifulde råd og Sukyung Choi, Byeongwoo Ko og Baekkyoung Shin for samarbejde i opsætning af eksperimenter. Dette arbejde blev støttet af hjernen Busan 21 projekt i 2017.

1. begyndende partikel bevægelse i den snigende Flow begrænsning.
Bemærk: Målingerne er udført i et roterende rheometer, der er blevet ændret for dette specifikke program.
<ol><li>Forberedelse af Rheometer.
	<ol>
<li>Tilslut luftforsyningen til rheometer for at undgå at beskadige luft lejer. Åbne ventilen udover luftfiltre, indtil et tryk på ca 5 barer i systemet er opnået.</li>
		<li>Tilslut til væske cirkulationspumpe til måling pladen. Sikre, at slanger af Pel...

Vi præsentere to forskellige eksperimentelle metoder til kendetegner begyndende partikel bevægelse som en funktion af sediment bed geometri. Til dette formål bruger vi en éncellelag af kugler jævnligt arrangeret efter en trekantet eller kvadratiske symmetri på en sådan måde, at parameteren geometriske forenkler til en enkelt geometri. I den snigende flow grænse beskriver vi den eksperimentelle metode ved hjælp af en roterende rotameter til at fremkalde laminar shear flow som i tidligere undersøgelser<sup class...

Begyndende partikel bevægelse er stødt på i en bred vifte af industrielle og naturlige processer. Miljømæssige eksempler kan nævnes den indledende proces af sediment transport i floden og oceaner, bed erosion eller dune dannelse blandt andre 1,2,3. Pneumatisk formidle4, fjernelse af forurenende stoffer eller rengøring af overflader5,6 er typiske industrielle applikationer med udbrud af partikel bevægelse.
På grund af den brede vifte af applikationer, er udbrud af partikel bevægelse blevet grundigt undersøgt over et århundrede, for det meste under turbulente forhold7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Mange eksperimentelle metoder er blevet anvendt til at bestemme grænsen for udbrud af bevægelse. Undersøgelserne omfatter parametre som partikel Reynolds tal13,16,17,18,19,20, relative flow nedsænkning 21 , 22 , 23 , 24 eller geometriske faktorer som vinkel hvile16,18,25, eksponering for flow26,27,28,29, relative korn fremspring29 eller streamwise bed skråning30.
De aktuelle data for den tærskel, herunder turbulente forhold er stort set spredt12,31 og resultaterne synes ofte inkonsekvent24. Dette er hovedsagelig på grund af den iboende kompleksitet af kontrollerende eller bestemmelse af flow-parametrene under turbulente forhold13,14. Desuden afhænger tærsklen for sediment motion kraftigt tilstanden af bevægelse, dvs glidende, rullende eller hejse17 og kriteriet til at karakterisere den begyndende bevægelse31. Sidstnævnte kan være tvetydig i en erosionsudsatte sediment seng.
I det sidste tiår, har eksperimentelle forskere studeret begyndende partikel bevægelse i laminar flow32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, hvor den bredt spektrum af længdeskalaer interagere med sengen er undgået45. I mange praktisk scenarier indebærer sedimentering, partiklerne er ganske lille og partikel Reynolds tal er fortsat lavere end omkring 546. På den anden side er laminar flow i stand til at generere geometriske mønstre som krusninger og klitter, som turbulent strømme gør42,47. Similitudes i begge regimer har vist sig at afspejle analogier i den underliggende fysik47 så vigtig indsigt for partikel transport kan fås fra en bedre kontrolleret eksperimentel system48.
I laminar flow bemærket Charru et al. at den lokale omlejring af en kornet bund af ensartet størrelse perler, såkaldte bed panser, resulterede i en progressiv forhøjelse af tærsklen for udbrud af bevægelse, indtil mættede betingelser blev opnået 32. litteratur, men viser forskellige tærskelværdier for mættet betingelser i uregelmæssigt arrangeret sediment senge afhængigt af eksperimentelle set-up36,44. Denne spredning kan være på grund af vanskeligheden ved at kontrollere partikel parametre som orientering, fremspring niveau og kompakthed af sedimenterne.
Hovedformålet med dette manuskript er at beskrive i detaljer, hvordan til at karakterisere den begyndende bevægelse af enkelt kugler som en funktion af geometriske egenskaber af horisontale sediment seng. Til dette formål bruger vi regelmæssig geometrier, bestående af encellelag af faste perler jævnligt arrangeret efter trekantet eller kvadratiske konfigurationer. Regelmæssig substrater svarende til, at vi bruger findes i applikationer som til skabelon-samling af partikler i mikrofluid assays49, samlesæt af microdevices i begrænset struktureret geometrier50 eller iboende partikel-induceret transport i microchannels51. Vigtigere er, tillader ved hjælp af regelmæssig substrater os at fremhæve indvirkningen af lokale geometri og orientering og for at undgå eventuelle dubiety om rollen af kvarteret.
I laminar flow konstaterede vi, at kritiske skjolde antallet steg med 50% kun afhængig af afstanden mellem områderne substrat og dermed på perlen eksponering for flow38. På samme måde, vi fandt, at den kritiske skjolde nummer ændret af op til en faktor på to afhængigt af retningen af substrat til flow retning38. Vi har bemærket, at immobile naboer kun påvirke udbrud af den mobile perle, hvis de var tættere end omkring tre partikel diametre41. Udløst af eksperiment resultater, har vi for nylig fremlagt en streng analytisk model, der forudsiger det kritiske skjolde nummer i den snigende flow grænse40. Modellen omfatter udbrud af bevægelse fra stærkt udsat for skjulte perler.
Den første del af håndskriftet beskæftiger sig med beskrivelse af forsøgsmetoden anvendt i tidligere undersøgelser på shear Reynolds tal, Re *, lavere end 1. Laminar flow er induceret med en roterende rheometer med en parallel konfiguration. I denne lave Reynolds tal grænse, partikel formodes ikke for at opleve nogen hastighed udsving20 og systemet matcher den såkaldte hydraulisk glat strøm hvor partiklen er nedsænket i den tyktflydende underlag.
Når begyndende bevægelse laminar flow er etableret, kan rollen af turbulens bliver klarere. Motiveret af denne idé, introducerer vi en roman eksperimentel procedure i den anden del af protokollen. Bruge en Göttingen lav hastighed vindtunnel med åben jet test afsnit, de kritiske skjolde antallet kan bestemmes i en bred vifte af Re * herunder hydraulisk overgangsbestemmelser strømmen og den turbulente regime. De eksperimentelle resultater kan give vigtig indsigt om hvordan styrker og halssmykker handle på en partikel på grund af turbulent flow afhængigt af substrat geometri. Desuden kan disse resultater bruges som benchmark for mere avancerede modeller på høje Re * i en lignende måde, tidligere arbejde i laminar flow blevet brugt til at fodre semi probabilistiske modeller52 eller at validere de seneste numeriske modeller53. Vi præsenterer nogle repræsentative eksempler på ansøgninger på Re * spænder fra 40 til 150.
Den begyndende kriterium er etableret som bevægelse af de enkelt partikel fra sin oprindelige ligevægt holdning til den næste. Billedbehandling bruges til at bestemme tilstanden for debut af bevægelse, dvs. rullende, glidende, løft39,41. Herpå opdages rotationsvinklen for mobile kugler, der prægede manuelt. Algoritmen registrerer placeringen af mærker og sammenligner det med centrum af kuglen. En foreløbig række eksperimenter blev udført i både eksperimentelle set-ups at præcisere at kritiske skjolde antallet forbliver uafhængigt af begrænset størrelse virkninger af set-up og relative flow nedsænkning. De eksperimentelle metoder er således designet til at udelukke enhver anden parameter afhænger af kritisk skjolde antallet ud over Re * og geometriske egenskaber af sediment seng. Re * er varieret med forskellige kombinationer af væske-partikel. Kritiske skjolde antallet er karakteriseret som en funktion af nedgravning grad, <img alt="Equation 01" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg"> </img>, der er defineret af Martino et al. 37 som <img alt="Equation 02" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg"> hvor <img alt="Equation 03" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg"> er vinkel hvile, dvs. den kritiske vinkel, hvor bevægelse sker54, og <img alt="Equation 04" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg"> er den eksponering grad, defineret som forholdet mellem tværsnitsareal effektivt udsat for strømmen at det samlede tværsnitsareal af den mobile perle.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1093">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">MCR 302 Rotational Rheometer</td>
			<td style="width:255px;">Antoon Par</td>
			<td style="width:471px;">Induction of shear laminar flow</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Measuring Plate PP25</td>
			<td style="width:255px;">Antoon Par</td>
			<td>Induction of shear laminar flow</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Peltier System P-PTD 200</td>
			<td style="width:255px;">Antoon Par</td>
			<td>Keep temperature of silicon oils constant in the system at laminar flow</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:368px;">Silicone oils with viscosities of approx. 10 and 100 mPas</td>
			<td style="width:255px;">Basildon Chemicals</td>
			<td>Fluid used to induced the shear in the particles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Soda-lime glass beads of (405.9 &#177; 8.7) &#956;m</td>
			<td style="width:255px;">The Technical Glass Company</td>
			<td>Construction of the regular substrates for laminar flow conditions</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:368px;">Opto Zoom 70 Module 0.3x-2.2x</td>
			<td style="width:255px;">WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:368px;">2 x TV-Tube 1.0x, D=35 mm, L=146.5 mm</td>
			<td style="width:255px;">WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:368px;">UI-1220SE CMOS Camera</td>
			<td style="width:255px;">IDS Imaging Development Systems GmbH</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:368px;">UI-3590CP CMOS Camera</td>
			<td style="width:255px;">IDS Imaging Development Systems GmbH</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Volpi IntraLED 3 - LED light source&#160;</td>
			<td style="width:255px;">Volpi USA</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Active light guide diameter 5mm</td>
			<td style="width:255px;">Volpi USA</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">300 Watt Xenon Arc Lamp</td>
			<td style="width:255px;">Newport Corporation</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:368px;">Wind-tunnel with open jet test section, G&#246;ttingen type&#160;</td>
			<td style="width:255px;">Tintschl BioEnergie und Str&#246;mungstechnik AG</td>
			<td>Induction of turbulent flow</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Glass spheres of (2.00 &#177; 0.10) mm</td>
			<td style="width:255px;">Gloches South Korea</td>
			<td>Construction of the regular substrates for turbulent flow conditions</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Alumina spheres of (5.00 &#177; 0.25) mm</td>
			<td style="width:255px;">Gloches South Korea</td>
			<td>Targeted bead for experiments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">CTA Anemometer DISA 55M01</td>
			<td style="width:255px;">Disa Elektronik A/S&#160;</td>
			<td>Measurement of&#160; flow velocity in the wind tunnel</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Miniaure Wire Probe Type 55P15</td>
			<td style="width:255px;">Dantec Dynamics</td>
			<td>Measurement of&#160; flow velocity in the wind tunnel</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:368px;">HMO2022 Digital Oscilloscope, 2 Analogue. Ch., 200MHz</td>
			<td style="width:255px;">Rohde &#38; Schwarz</td>
			<td>Measurement of&#160; flow velocity in the wind tunnel</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Phantom Miro eX1 High-speed Camera</td>
			<td style="width:255px;">Vision Research IncVis</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Canon ef 180mm f/3.5 l usm macro lens</td>
			<td style="width:255px;">Canon</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:368px;">Table LED Lamp</td>
			<td style="width:255px;">Gloches South Korea</td>
			<td>Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

visually based characterization of the incipient particle motion in regular substrates: from laminar to turbulent conditions

To forskellige eksperimentelle metoder til bestemmelse af tærsklen på partikel bevægelse som en funktion af geometriske egenskaber af seng fra laminar turbulent strømning betingelser er præsenteret. Med henblik herpå, er den begyndende bevægelse af en enkelt perle undersøgt på regelmæssig substrater, der består af en éncellelag af faste kugler af ensartet størrelse, der arrangeres jævnligt i trekantede og kvadratiske symmetrier. Tærsklen er præget af den kritiske skjolde antal. Kriteriet for udbrud af bevægelse er defineret som forskydning fra den oprindelige ligevægt holdning til den nærliggende. Fordrivelse og tilstand af bevægelse er identificeret med et billedbehandlingssystem. Laminar flow er foranlediget ved hjælp af en roterende rheometer med en parallel diskkonfiguration. Shear Reynolds tal forbliver under 1. Turbulent strømning er induceret i en lav hastighed vindtunnel med åben jet test afsnit. Lufthastighed reguleres med en frekvensomformer på blæser fan. Profilen hastighed måles med en hot wire sonde tilsluttet en hot film vindmåler. Shear Reynolds antallet svinger mellem 40 og 150. Den logaritmiske hastighed og modificerede væg loven præsenteret af Rotta bruges til at udlede shear hastigheden fra eksperimentelle data. Sidstnævnte er af særlig interesse, når mobile perle er delvist udsat for turbulent strømning i den såkaldte hydraulisk overgangsbestemmelser flow regime. Shear stress anslås til starten af bevægelse. Nogle illustrative resultater viser den kraftige indvirkning, vinkel hvile og eksponering af perle til shear flow er repræsenteret i begge regimer.

Figur 1 (a) repræsenterer en skitse af den eksperimentelle set-up bruges til at karakterisere den kritiske skjolde antallet i den snigende flow grænse, § 1 i protokollen. Målingerne er udført i et roterende rheometer, der blev ændret for dette specifikke program. En gennemsigtig Plexiglas plade på 70 mm i diameter blev omhyggeligt fast til en parallel plade af 25 mm i diameter. Inertien i maaleanlaegget var derfor justeres inden målin...

Watch this Scientific Journal Video about Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions at JoVE.com

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

To forskellige metoder til kendetegner den begyndende partikel bevægelse af en enkelt perle som en funktion af sediment bed geometri fra laminar til turbulent flow er præsenteret.

Visuelt baserede karakterisering af begyndende partikel bevægelse i regelmæssig substrater: fra Laminar turbulente forhold

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Equilibrium of a Particle

Application of Newton's Laws of Motion

SCIENTISTS IN ACTION

Echo Particle Image Velocimetry

Echo Particle Billede Velocimetri

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Mønster via optisk mættede Transitions - fremstilling og karakterisering

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

Selektiv Area Ændring af Silicon overfladebefugtelighed af Pulsed UV laser Bestråling i Liquid Miljø

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Electron Kanalisering Contrast Imaging til Rapid III-V Heteroepitaxial Karakterisering

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model

Karakterisering af Nanocrystal størrelsesfordeling hjælp Raman spektroskopi med en Multi-partikel Phonon Indespærring Model

Analysis of the size distribution of nanocrystals is a critical requirement for the processing and optimization of their size-dependent properties. The ...

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

Udvikling af en forsøgsopstilling til måling af Restitutionskoefficienten under vakuum

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

In Vitro Culture of Epicardial Cells From Mouse Embryonic Heart

In Vitro Culture of Epicardial Cells From Mouse Embryonic Heart

In Vitro Kultur Epikardielle celler fra mus embryonale Heart

During embryogenesis, the epicardial contribution to coronary vasculature development has been very well established. Cells derived from the epicardium ...

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

In situ Visualisering af fase Behavior af olieprøver Under raffinaderierne til raffinering Betingelser

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to ...

Effective Analysis of Human Exposure Conditions with Body-worn Dosimeters in the 2.4 GHz Band

Effektiv analyse af menneskers eksponering tilstande med kropsbårne dosimetre i 2,4 GHz-båndet

A well-defined experimental procedure is put forward to evaluate maximum exposure conditions in a worst-case scenario whilst avoiding the uncertainties ...

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

Diffusion af Passive røbestoffer i Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...