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

De auteurs zijn dankbaar aan onbekende scheidsrechters voor waardevolle adviezen en Sukyung Choi, Byeongwoo Ko en Baekkyoung Shin voor de samenwerking bij het opzetten van de experimenten. Dit werk werd gesteund door de hersenen Busan 21 Project in 2017.

1. beginnende Particle beweging in de sluipende Flow-limiet.
Let op: De metingen zijn uitgevoerd in een roterende rheometer dat is gewijzigd voor deze specifieke toepassing.
<ol><li>Voorbereiding van de Rheometer.
	<ol>
<li>Sluit de luchttoevoer op de rheometer om te voorkomen beschadiging van de lagers van de lucht. Open de klep naast de luchtfilters totdat een druk van ongeveer 5 bars in het systeem wordt bereikt.</li>
		<li>De vloeistof rondpompthemostaat verbinden met de...

Presenteren we twee verschillende experimentele methoden voor het karakteriseren van de beweging van de beginnende deeltje als een functie van de sediment bed geometrie. Voor dat doel gebruiken we een monolayer van bollen regelmatig gerangschikt volgens een driehoekige of kwadratische symmetrie op zodanige wijze dat de geometrische parameter naar een enkele geometry vereenvoudigt. In de sluipende stroom beperken beschrijven we de experimentele methode met behulp van een roterende rotameter ertoe de laminaire schuintrekke...

Beginnende particle beweging wordt aangetroffen in een breed scala aan industriële en natuurlijke processen. Milieu voorbeelden zijn het eerste proces van sediment transport in rivier en oceanen, erosie van het bed of de vorming van het Duin o.a. 1,2,3. Pneumatische transport4, verwijdering van verontreinigende stoffen of het reinigen van oppervlakken5,6 zijn typische industriële toepassingen waarbij van het begin van de beweging van de deeltjes.
Vanwege de brede waaier van toepassingen, heeft het begin van de beweging van de deeltjes uitvoerig bestudeerd meer dan een eeuw, meestal onder turbulente omstandigheden7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Vele experimentele benaderingen zijn toegepast om te bepalen van de drempel voor het intreden van de beweging. De studies omvatten parameters zoals het deeltje Reynolds nummer13,16,17,18,19,20, de relatieve stroom onderdompeling 21 , 22 , 23 , 24 of geometrische factoren als de hoek van rust16,18,25, blootstelling aan de stroom26,27,28,29, relatieve graan uitsteeksel29 of30helling streamwise bed.
De huidige gegevens voor de drempelwaarde waaronder turbulente omstandigheden verspreid zijn in grote lijnen12,31 en de resultaten lijken vaak inconsistent24. Dit is vooral te wijten aan de inherente complexiteit van beheren van of het bepalen van de parameters van de stroom onder turbulente omstandigheden13,14. Bovendien, de drempel voor sediment motie sterk afhankelijk van de modus van de beweging, d.w.z. glijden, glooiende of hijs17 en het criterium te karakteriseren de beginnende beweging31. De laatste kan dubbelzinnig of worden in een bed van erosiegevoelige sediment.
Tijdens het laatste decennium, hebben experimentele onderzoekers bestudeerd beginnende particle beweging in laminaire stromen32,33,34,35,,36,,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, waar het brede spectrum van lengte schalen interactie met het bed is vermeden45. In vele praktische scenario's impliceert sedimentatie, de deeltjes zijn vrij klein en het deeltje Reynolds getal blijft lager dan ongeveer 546. Aan de andere kant, kunnen laminaire stromen genereren van geometrische patronen als rimpelingen en de duinen als turbulente stromen42,47. Similitudes in beide regimes is aan analogieën in de onderliggende natuurkunde47 dus belangrijk inzicht voor het vervoer van deeltje kan worden verkregen bij een beter gecontroleerd experimenteel systeem48aangetoond.
In het laminaire flow, Charru et al. opgemerkt dat de lokale omlegging van een granulaire bed van uniform formaat kralen, zogenaamde bed pantser, geleid tot een geleidelijke verhoging van de drempel voor het intreden van de beweging tot verzadigde voorwaarden werden bereikt 32. literatuur, onthult echter verschillende drempels voor verzadigde voorwaarden in onregelmatig gearrangeerde sediment bedden afhankelijk van de experimentele opstelling36,44. Deze verstrooiing kan te wijten zijn aan de moeilijkheid van controlerende deeltje parameters zoals afdrukstand, uitsteeksel niveau en compactheid van de sedimenten.
Het hoofddoel van dit manuscript is in detail te beschrijven hoe de beginnende beweging van één sferen te karakteriseren als een functie van de geometrische eigenschappen van de horizontale sediment bed. Voor dat doel gebruiken we regelmatig geometrieën, bestaande uit monolayers van vaste kralen regelmatig gerangschikt volgens driehoekige of kwadratische configuraties. Regelmatige substraten vergelijkbaar met die we gebruiken zijn gevonden in toepassingen zoals voor de sjabloon-montage van deeltjes in microfluidic assays49, zelf-assemblage van microdevices in begrensde gestructureerde geometrieën50 of intrinsieke deeltje-geïnduceerde vervoer in microchannels51. Nog belangrijker, met behulp van reguliere substraten stelt ons in staat wil het effect van lokale geometrie en oriëntatie en om te voorkomen dat eventuele angst over de rol van de buurt.
In laminaire flow vastgesteld we hebben dat de kritische Shields aantal verhoogd met 50% alleen afhankelijk van de afstand tussen de ondergrond en dus ook op de blootstelling van de parel aan de stroom-38. Ook vonden we dat het kritisch Shields-nummer gewijzigd door tot een factor twee afhankelijk van de oriëntatie van het substraat tot en met de stroom richting38. We hebben gemerkt dat immobiel buren alleen van invloed op het begin van de mobiele Parel als ze dichterbij dan ongeveer drie deeltje diameter41 waren. Veroorzaakt door de bevindingen van het experiment, hebben we onlangs een rigoureuze analytische model dat het nummer van de kritische Shields in de sluipende stroom limiet40 voorspeltgepresenteerd. Het model heeft betrekking op het begin van de beweging van sterk blootgesteld aan verborgen parels.
Het eerste deel van dit manuscript behandelt van de beschrijving van de experimentele procedure gebruikt in eerdere studies aan schuintrekken Reynolds getal, Re *, lager dan 1. De laminaire flow wordt geïnduceerd met een roterende rheometer met een parallelle configuratie. In deze Reynolds getal onderlimiet, het deeltje is niet verondersteld om te ervaren elke snelheid schommelingen20 en het systeem overeenkomt met de zogenaamde hydraulisch vlotte doorstroming waar het deeltje binnen de viskeuze sublaag wordt ondergedompeld.
Zodra de beginnende beweging bij laminaire flow is gevestigd, kan de rol van turbulentie kan duidelijker zijn. Gemotiveerd door dit idee, introduceren wij een nieuwe experimentele procedure in het tweede deel van het protocol. Met behulp van een windtunnel van Göttingen lage snelheid met open jet test sectie, de kritische schilden nummer kan worden bepaald in een breed scala van Re * inclusief de hydraulisch overgangsperiode flow en de turbulente regime. De experimentele resultaten kunnen belangrijk inzicht over hoe de krachten en koppels op een deeltje als gevolg van de turbulente stroming afhankelijk van de geometrie van het substraat handelen. Bovendien, deze resultaten kunnen worden gebruikt als een maatstaf voor meer geavanceerde modellen op hoge Re * op een vergelijkbare manier dat afgelopen werk in laminaire flow is gebruikt om te voeden halve probabilistische modellen52 of valideren van recente numerieke modellen53. Wij presenteren representatieve voorbeelden van toepassingen op Re * variërend van 40 tot 150.
De beginnende criterium is opgericht als de beweging van de enkel deeltje van de initiële evenwicht positie naar de volgende. Beeldverwerking is gebruikt om te bepalen van de wijze van begin van de beweging, d.w.z. rollen, glijden, heffen39,41. Te dien einde, wordt de hoek van de rotatie van mobiele bollen die handmatig zijn gemarkeerd gedetecteerd. Het algoritme tracks van de positie van de merken en vergelijkt deze met het midden van het gebied. Een voorlopige reeks experimenten werd uitgevoerd in beide experimentele opstellingen te verduidelijken dat de kritische Shields nummer onafhankelijk van eindige grootte effecten van de set-up en de relatieve stroom onderdompeling blijft. De experimentele methoden zijn zo ontworpen om uit te sluiten van een andere parameter afhankelijk van de kritische Shields nummer buiten Re * en geometrische eigenschappen van het sediment bed. De Re * is gevarieerd, met behulp van verschillende combinaties van de vloeistof-deeltjes. De kritische Shields nummer wordt gekenmerkt als een functie van de begrafenis graad, <img alt="Equation 01" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg"> </img>, gedefinieerd door Martino et al. 37 als <img alt="Equation 02" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg"> waar <img alt="Equation 03" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg"> is de hoek van rust, d.w.z. de kritische hoek op welke motion treedt op54, en <img alt="Equation 04" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg"> is de mate van blootstelling, gedefinieerd als de verhouding tussen de oppervlakte van de dwarsdoorsnede effectief blootgesteld aan de stroom om de totale oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de mobiele Parel.

<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

Twee verschillende experimentele methoden voor het bepalen van de drempel van de beweging van het deeltje als een functie van de geometrische eigenschappen van het bed van laminaire turbulente stroming voorwaarden worden gepresenteerd. Te dien einde, wordt de beginnende beweging van een enkel kraal bestudeerd op regelmatige substraten die bestaan uit een monolayer van vaste bollen van uniforme grootte, die regelmatig in driehoekige en kwadratische symmetrieën zijn gerangschikt. De drempel wordt gekenmerkt door de kritische Shields-nummer. Het criterium voor het begin van de beweging wordt gedefinieerd als de verplaatsing van de oorspronkelijke positie van het evenwicht naar de naburige. De verplaatsing en de wijze van beweging worden geïdentificeerd met een imaging systeem. De laminaire flow wordt geïnduceerd met behulp van een roterende rheometer met een parallelle schijfconfiguratie. De shear Reynolds-getal blijft onder 1. De turbulente stroming wordt geïnduceerd in een windtunnel lage snelheid met open jet test sectie. De luchtsnelheid wordt geregeld met een frequentie-omzetter de aanjager ventilator. Het profiel van de snelheid wordt gemeten met een sonde van de hete draad aangesloten op een hete film anemometer. De shear Reynolds getal varieert tussen de 40 en 150. De logaritmische snelheid wet en de wet van de gemodificeerde muur gepresenteerd door Rotta worden gebruikt voor het afleiden van de snelheid van de afschuiving van de experimentele gegevens. Dit laatste is van bijzonder belang wanneer de mobiele Parel is gedeeltelijk blootgesteld aan de turbulente stroming in het zogenaamde hydraulisch overgangsperiode flow regime. De schuifspanning wordt geschat op begin van de beweging. Aantal illustratieve resultaten weergegeven: de sterke invloed van de hoek van de rust, en de blootstelling van de kraal wilt schuintrekken stroom zijn in beide regimes vertegenwoordigd.

Figuur 1 (a) Hiermee geeft u een schets van de experimentele opstelling gebruikt voor het karakteriseren van de kritische Shields-nummer in de sluipende stroom limiet, afdeling 1, van het protocol. De metingen zijn uitgevoerd in een roterende rheometer die is gewijzigd voor deze specifieke toepassing. Een transparant Plexiglas plaat van 70 mm diameter werd zorgvuldig vastgesteld aan een parallelle plaat van 25 mm in diameter. De traagheid van...

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

Twee verschillende methoden voor het karakteriseren van de motie van de beginnende deeltje van een enkele kraal als een functie van de geometrie van het sediment bed van laminaire naar een turbulente stroming worden gepresenteerd.

Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden

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

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

Patroonvorming via Optical Verzadigbare Transitions - fabricage en 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

Selectieve Area Wijziging van Silicon Surface Bevochtigbaarheid door Pulsed UV Laser bestraling in Liquid Milieu

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 Channeling Contrast Imaging voor Rapid III-V hetero karakterisatie

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 van Nanocrystal Size Distribution met Raman spectroscopie met een Multi-deeltje Phonon opsluiting 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

Ontwikkeling van een experimentele opstelling voor het meten van de Coëfficiënt van Restitutie onder vacuüm

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 Cultuur van epicardiale cellen uit muis 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 Visualisatie van het fasegedrag van Oil Monsters Under raffinageproces Voorwaarden

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

Effectieve analyse van menselijke blootstellingsvoorwaarden met lichaamsgebonden Dosimeters in de 2,4 GHz-Band

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

De verspreiding van passieve verklikstoffen in Shear laminaire 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 ...