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

Gli autori sono grati agli arbitri sconosciuti per preziosi consigli e Sukyung Choi, Byeongwoo Ko e Baekkyoung Shin per la collaborazione nella creazione di esperimenti. Questo lavoro è stato supportato dal cervello Busan 21 progetto nel 2017.

1. il moto della particella incipiente nel limite di flusso strisciante.
Nota: Le misurazioni sono effettuate in un reometro rotazionale che è stato modificato per questa specifica applicazione.
<ol><li>Preparando il reometro.
	<ol>
<li>Collegare l'aria compressa per il reometro per evitare di danneggiare i cuscinetti di aria. Aprire la valvola oltre i filtri dell'aria fino a raggiungere una pressione di circa 5 bar nel sistema.</li>
		<li>Collegare la pompa di circolazione...

Presentiamo due diversi metodi sperimentali per caratterizzare il moto della particella incipiente in funzione della geometria del letto di sedimenti. A tal fine, utilizziamo un monostrato di sfere regolarmente organizzato secondo una simmetria triangolare o quadrata in modo tale che il parametro geometrico si semplifica in una singola geometria. Nel limite di flusso strisciante, descriviamo il metodo sperimentale utilizzando un rotametro rotazionale per indurre il flusso laminare al taglio come in precedenti studi<sup c...

Moto incipiente della particella viene rilevata in una vasta gamma di processi industriali e naturali. Ambientali sono esempi il processo iniziale di sedimento trasporto nel fiume e oceani, erosione del letto o della formazione di dune tra gli altri 1,2,3. 4il trasporto pneumatico, rimozione delle sostanze inquinanti o la pulizia di superfici5,6 sono tipiche applicazioni industriali che comportano l'insorgenza di moto delle particelle.
Dovuto la vasta gamma di applicazioni, l'inizio del moto delle particelle è stato ampiamente studiato oltre un secolo, principalmente in condizioni turbolente7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Molti approcci sperimentali sono stati applicati per determinare la soglia per l'inizio del movimento. Gli studi comprendono parametri quali la particella Reynolds numero13,16,17,18,19,20, la sommersione di flusso relativa 21 , 22 , 23 , 24 o fattori geometrici come l'angolo di riposano16,18,25, esposizione al flusso26,27,28,29, grano relativa protrusione29 o letto longitudinale pendenza30.
I dati correnti per la soglia tra cui condizioni di turbolenza sono ampiamente sparsi in12,31 e i risultati sembrano spesso incoerente24. Ciò è principalmente dovuto la complessità intrinseca di controllo o di determinare i parametri di flusso in condizioni turbolente13,14. Inoltre, la soglia per il movimento dei sedimenti dipende fortemente la modalità di movimento, cioè scivolamento, rotolamento o sollevamento17 e il criterio per caratterizzare il movimento incipiente31. Quest'ultimo può risultare ambiguo in un letto di sedimenti erodibili.
Durante l'ultimo decennio, i ricercatori sperimentali hanno studiato movimento incipiente delle particelle in flussi laminari32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, dove l'ampia gamma di scale di lunghezza, interagendo con il letto è evitato45. In molti scenari pratici che implica la sedimentazione, le particelle sono abbastanza piccole e la particella numero di Reynolds rimane inferiore a circa 546. D'altra parte, i flussi laminari sono in grado di generare schemi geometrici come increspature e dune come flussi turbolenti fanno42,47. Similitudini in entrambi i regimi sono stati indicati per riflettere analogie nel sottostante fisica47 così comprensione importante per il trasporto delle particelle possa essere ottenuti da una migliore controllato sistema sperimentale48.
A flusso laminare, Charru et al ha notato che la riorganizzazione locale un letto granulare di dimensioni perline, cosiddetto letto armatura, ha provocato un progressivo aumento della soglia per l'insorgenza di movimento fino a condizioni di saturazione sono stati raggiunti 32. letteratura, tuttavia, rivela diverse soglie per condizioni di saturazione in letti di sedimento irregolarmente disposte a seconda il set-up sperimentale36,44. Questa dispersione può essere dovuta alla difficoltà di controllare i parametri delle particelle come orientamento, livello di sporgenza e compattezza dei sedimenti.
L'obiettivo principale di questo manoscritto è quello di descrivere in dettaglio come caratterizzare il movimento incipiente delle singole sfere in funzione delle proprietà geometriche del letto orizzontale sedimento. A tal fine, utilizziamo geometrie regolari, costituito da strati monomolecolari di perline fissi regolarmente organizzati secondo configurazioni triangolari o quadratiche. Substrati regolari simili a che usiamo sono trovati in applicazioni come per il modello-assemblaggio di particelle in saggi microfluidici49, auto-assemblaggio di microdispositivi in geometrie strutturato confinati50 o intrinseco indotta da particelle trasporto a microcanali51. Ancora più importante, utilizzando substrati regolare ci permette di evidenziare l'impatto della geometria locale e orientamento e di evitare qualsiasi dubiety circa il ruolo del quartiere.
A flusso laminare, abbiamo osservato che il numero di scudi critico aumentato del 50% solo a seconda della spaziatura tra le sfere di substrato e quindi sull'esposizione del tallone al flusso38. Allo stesso modo, abbiamo trovato che il numero di scudi critico cambiato da fino a un fattore di due a seconda dell'orientamento del substrato per la direzione di flusso38. Abbiamo notato che immobili vicini riguardano solo l'inizio del tallone mobile se fossero più vicini di particella circa tre diametri41. Innescati i risultati dell'esperimento, abbiamo recentemente presentato un rigoroso modello analitico che predice il numero critico di scudi nella strisciante flusso limite40. Il modello copre l'insorgenza di movimento da altamente esposti a perle nascoste.
La prima parte di questo manoscritto si occupa con la descrizione delle procedure sperimentali utilizzata negli studi precedenti a forze di taglio numero di Reynolds, Re *, inferiore a 1. Il flusso laminare è indotta con un reometro rotazionale con una configurazione in parallelo. In questo basso limite di numero di Reynolds, la particella non dovrebbe per sperimentare qualsiasi fluttuazione di velocità20 e il sistema corrisponda il cosiddetto flusso idraulicamente liscio dove la particella è sommerso all'interno il sottolivello viscoso.
Una volta stabilita la incipiente movimento a flusso laminare, il ruolo della turbolenza può diventare più chiaro. Motivati da questa idea, introduciamo una procedura sperimentale romanzo nella seconda parte del protocollo. Utilizzando una galleria di bassa velocità del vento Gottinga con sezione di prova aperta jet, gli scudi critici numero può essere determinato in una vasta gamma di Re * compreso il flusso idraulicamente transitorio e regime turbolento. I risultati sperimentali possono fornire la comprensione importante su come forze e coppie agire su una particella a causa del flusso turbolento a seconda della geometria del substrato. Inoltre, questi risultati utilizzabile come punto di riferimento per i modelli più sofisticati alle alta Re * in un modo simile che lavoro passato a flusso laminare è stato utilizzato per alimentare dei semi modelli probabilistici52 o per convalidare recenti modelli numerici53. Vi presentiamo alcuni esempi rappresentativi delle applicazioni presso Re * che vanno da 40 a 150.
Il criterio di incipiente è stabilito come il moto di una particella singola dalla sua posizione di equilibrio iniziale a quella successiva. Elaborazione delle immagini viene utilizzato per determinare la modalità di inizio del movimento, cioè rotolamento, scorrevole, sollevamento39,41. A tale scopo, viene rilevato l'angolo di rotazione delle sfere mobili che sono stati contrassegnati manualmente. L'algoritmo rileva la posizione dei segni e lo confronta con il centro della sfera. Un primo insieme di esperimenti è stata condotta in due set-up sperimentale per chiarire che il numero di scudi critico rimane indipendente degli effetti di dimensioni finite del set-up e sommersione di flusso relativa. I metodi sperimentali così sono progettati per escludere qualsiasi altro parametro dipendono dal numero di scudi critico oltre proprietà geometriche del letto sedimento e Re *. Re * è vario utilizzando diverse combinazioni di fluido-particelle. Il numero di scudi critico è caratterizzato in funzione del grado sepoltura, <img alt="Equation 01" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg"> </img>, definito da Martino et al. 37 come <img alt="Equation 02" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg"> dove <img alt="Equation 03" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg"> è l'angolo di riposo, cioè l'angolo critico al quale movimento si verifica54, e <img alt="Equation 04" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg"> è il grado di esposizione, definito come il rapporto tra l'area della sezione trasversale efficacemente esposto al flusso all'area della sezione trasversale totale del tallone mobile.

<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

Vengono presentati due diversi metodi sperimentali per la determinazione della soglia di movimento delle particelle in funzione delle proprietà geometriche del letto da laminare per condizioni di flusso turbolento. A tale scopo, l'incipiente movimento di una singola perlina è studiato su substrati regolari che consistono di un monostrato di sfere fissi di dimensioni uniformi regolarmente disposti in simmetrie triangolare e quadratiche. La soglia è caratterizzata dal numero di scudi critico. Il criterio per l'inizio del movimento è definito come lo spostamento dalla posizione di equilibrio originale a quella vicina. Lo spostamento e la modalità di movimento sono identificati con un sistema di imaging. Il flusso laminare è indotta utilizzando un reometro rotazionale con una configurazione del disco parallelo. Numero di Reynolds per taglio rimane inferiore a 1. Il flusso turbolento è indotto in una galleria del vento di bassa velocità con sezione di prova aperta jet. La velocità dell'aria è regolata con un convertitore di frequenza sulla ventola soffiante. Il profilo di velocità viene misurato con una sonda a filo caldo collegata ad un anemometro a pellicola calda. La cesoia numero di Reynolds compreso tra 40 e 150. La legge logaritmica di velocità e la legge di parete modificate presentato da Rotta vengono utilizzati per dedurre la velocità di taglio da dati sperimentali. Quest'ultimo è di particolare interesse quando il tallone mobile è parzialmente esposto al flusso turbolento nel cosiddetto regime di flusso idraulico transitorio. La sollecitazione di taglio è stimata all'inizio del movimento. Alcuni risultati illustrativi che mostra il forte impatto dell'angolo di riposo e l'esposizione del tallone per la tosatura del flusso sono rappresentati in entrambi i regimi.

Figura 1 (a) rappresenta uno schizzo della disposizione sperimentale usato per caratterizzare il numero critico di scudi nel limite flusso strisciante, sezione 1 del protocollo. Le misurazioni sono effettuate in un reometro rotazionale che è stato modificato per questa specifica applicazione. Una piastra di Plexiglas trasparente di 70 mm di diametro con attenzione è stata fissata ad una piastra parallela di 25 mm di diametro. L'inerzia del ...

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

Vengono presentati due metodi diversi per caratterizzare il moto della particella incipiente di una singola perlina in funzione della geometria del letto di sedimenti da laminare a flusso turbolento.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

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 ...

Ricerca

Ingegneria

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Patterning via ottici saturabili Transitions - fabbricazione e la caratterizzazione

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

Area selettiva Modifica della Silicon bagnabilità della superficie da impulsi laser UV irradiazione in ambiente liquido

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 per Rapid III-V eteroepitassiale Caratterizzazione

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

Caratterizzazione di nanocristalli Dimensione distribuzione utilizzando Spettroscopia Raman con un Multi-particella Phonon confinamento Modello

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

Sviluppo di un apparato sperimentale per la misura del coefficiente di restituzione sotto vuoto Condizioni

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

Coltura in vitro di cellule provenienti da epicardici Cuore embrionali di topo

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 Visualizzazione del comportamento di fase dei campioni di olio Sotto raffineria condizioni di processo

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

Efficace analisi delle condizioni di esposizione umana con dosimetri indossabili nella banda 2,4 GHz

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

La diffusione dei rivelatori passivi nel flusso laminare Shear

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 ...