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 takknemlig til ukjent dommerne for verdifulle råd og Sukyung Choi, Byeongwoo Ko og Baekkyoung Shin for samarbeid i å sette opp eksperimenter. Dette arbeidet ble støttet av hjernen Busan 21 prosjektet i 2017.

1. begynnende partikkel bevegelse i snikende flyt grensen.
Merk: Målingene er utført i en roterende rheometer som er blitt endret for dette spesielle programmet.
<ol><li>Forbereder Rheometer.
	<ol>
<li>Koble til lufttilførselen til rheometer for å unngå skade luft lagrene. Åpne ventilen foruten luftfiltre til et trykk på ca 5 barer i systemet er oppnådd.</li>
		<li>Koble den flytende Sirkulator til måling plate. Kontroller at slangene av Peltier-element er koblet ti...

Vi presenterer to ulike eksperimentelle metoder for å karakterisere begynnende partikkel bevegelse som en funksjon av sediment seng geometrien. For dette formålet bruker vi en monolayer med kuler regelmessig ordnet etter en trekantet eller kvadratiske symmetri slik at parameteren geometriske forenkler til en enkelt geometri. I snikende flyt grensen beskriver vi eksperimentelle metoden bruker en roterende rotameter for å indusere laminær skjær flyten i tidligere studier39,<sup class...

Begynnende partikkel bevegelse oppdages i en rekke industrielle og naturlige prosesser. Miljømessige eksempler den første prosessen med sediment transport i elv og hav, seng erosjon eller dune formasjon blant andre 1,2,3. Pneumatiske formidle4, fjerning av miljøgifter eller rengjøring flater5,6 er typisk industrielle applikasjoner med utbruddet av partikkel bevegelse.
På grunn av det brede utvalget av programmer, er utbruddet av partikkel bevegelse grundig studert over et århundre, for det meste under turbulent forhold7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Mange eksperimentelle tilnærminger er brukt for å bestemme terskelen for utbruddet av bevegelse. Studiene inkluderer parametere som partikkel Reynolds nummer13,16,17,18,19,20, relativ flyt drukningsdatoen 21 , 22 , 23 , 24 eller geometriske faktorer som vinkelen på hvile16,18,25, eksponering til de flyte26,27,28,29, relativ korn protrusion29 eller streamwise seng skråningen30.
Gjeldende data for terskelen inkludert turbulent forhold er bredt spredt12,31 og resultatene synes ofte inkonsekvent24. Dette er hovedsakelig på grunn av den iboende kompleksiteten til kontrollere eller bestemme flytparametrene under turbulent forhold13,14. Dessuten avhengig terskelen for sediment bevegelse sterkt av bevegelse, dvs skyve, bølgende eller løfte17 og kriteriet for å karakterisere den begynnende bevegelsen31. Sistnevnte kan være i en erodible sedimenter seng.
I løpet av det siste tiåret, har eksperimentelle forskere studert begynnende partikkel bevegelse i laminær flyter32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, hvor brede spekteret av lengde skalaer samarbeidsstil sengen er unngått45. I mange praktiske scenarier antyde sedimentering, partiklene er ganske liten og partikkel Reynolds nummer er fortsatt lavere enn ca 546. På den annen side, kan laminær strømmer generere geometriske mønstre som krusninger og sanddyner som turbulente42,47. Similitudes i begge regimer har blitt vist å reflektere analogier den underliggende fysikk47 så viktig innsikt for partikkel transport kan fås fra en bedre kontrollert eksperimentelle systemet48.
I laminær strømning merke Charru et al. at den lokale omorganisering av en detaljert seng av enhetlig størrelse perler, såkalte bed armouring, resulterte i en progressiv økning av terskelen for utbruddet av bevegelse til mettet betingelser ble oppnådd 32. litteratur, viser imidlertid forskjellige terskler for mettet forhold i uregelmessig arrangert sediment senger avhengig av eksperimentelle set-up36,44. Denne spredning kan skyldes problemer med kontrollerende partikkel parametere som papirretning, protrusion nivå og kompakthet av sedimenter.
Hovedmålet med dette manuskriptet er å beskrive i detalj hvordan å karakterisere begynnende bevegelsen av enkelt kuler som en funksjon av geometriske egenskaper for vannrett sediment sengen. For dette formålet bruker vi vanlige geometrier, som består av monolayers av faste perler regelmessig ordnet etter trekantet eller kvadratiske konfigurasjoner. Vanlig underlag lik som vi bruker er funnet i applikasjoner som for mal-montering av partikler i microfluidic analyser49, selvstendig montering av Micro Devices i trange strukturert geometrier50 eller egenverdi partikkel-indusert transport i microchannels51. Enda viktigere, tillater bruker vanlige underlag oss å markere virkningen av lokale geometri og orientering og unngå alle dubiety om rollen av nabolaget.
I laminær strømning observerte vi at kritiske skjold økt med 50% bare avhengig av avstanden mellom substrat kulene og dermed på eksponering for perlen flyt38. Tilsvarende vi fant at kritiske skjold tallet endres av til en faktor på to avhengig av retningen på underlaget flyt retning38. Vi la merke til at immobile naboer bare påvirke utbruddet av mobil perle hvis de var nærmere enn tre partikkel diameter41. Utløst av eksperimentet funnene, har vi nylig presentert en streng analytiske modell som spår kritiske skjold nummeret i snikende flyt grense40. Modellen dekker utbruddet av bevegelse fra svært utsatt for skjulte perler.
Den første delen av dette manuskriptet omhandler beskrivelsen av den eksperimentelle prosedyren brukes i tidligere studier på skjær Reynolds nummer, Re *, lavere enn 1. Laminær strømning er indusert med en roterende rheometer med en parallell konfigurasjon. I denne lave Reynolds tallgrense, partikkelen er ikke ment for å oppleve noen hastighet svingninger20 og samsvarer system den såkalte hydraulisk jevne flyten der partikkelen er neddykket i tyktflytende sublayer.
Når begynnende bevegelse på laminær strømning er opprettet, kan rollen turbulens bli klarere. Motivert av denne ideen, introduserer vi en ny eksperimentelle prosedyren i den andre delen av protokollen. Bruker en Göttingen lav hastighet vindtunnel åpne jet test del, de kritiske skjoldene antallet kan fastslås i et bredt spekter av Re * inkludert hydraulisk overgangsreglene flyten og turbulente regimet. Eksperimentelle resultatene kan gi viktig innsikt om hvordan styrker og dreiemomenter opptre på en partikkel på grunn av den turbulente flyten avhengig av underlaget geometrien. Dessuten, disse resultatene kan brukes som en målestokk for mer avanserte modeller på høy Re * på en lignende måte at tidligere arbeid i laminær strømning er brukt å mate semi probabilistisk modeller52 eller validere siste numeriske modeller53. Vi presentere noen representative eksempler på programmer på Re * spenner fra 40 til 150.
Begynnende kriteriet er etablert som bevegelse av én partikkel fra første likevekt posisjon til neste. Bildebehandling brukes til å bestemme modusen for utbruddet av bevegelse, dvs rullende, skyve, løfte39,41. For dette formålet oppdages rotasjonsvinkelen med mobile kuler som manuelt er merket. Algoritmen spor plasseringen av merkene og sammenligner den med midt i sfæren. En innledende sett av eksperimenter ble gjennomført i både eksperimentelle oppsetninger å avklare at kritiske skjold nummeret forblir uavhengig av endelig størrelse effekten av oppsett og relativ flyt submergence. Eksperimentelle metoder er dermed utformet å utelukke en annen parameter avhengig av kritiske skjold nummeret utover Re og geometriske egenskaper av sediment seng. Re * er variert med væske-partikkel kombinasjoner. Kritisk skjold nummeret er karakterisert som en funksjon av begravelse grad, <img alt="Equation 01" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg"> </img>, definert av Martino et al. 37 som <img alt="Equation 02" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg"> der <img alt="Equation 03" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg"> er Friksjonsvinkel, dvs den kritiske vinkelen på hvilke bevegelse oppstår54, og <img alt="Equation 04" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg"> er eksponering graden, definert som forholdet mellom tverrsnitt område effektivt utsatt for strømmen til totalt tverrsnitt område av mobil 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 forskjellige eksperimentelle metoder for å bestemme terskelen partikkel bevegelse som en funksjon av geometriske egenskapene til sengen fra laminær å turbulente strømningsforhold presenteres. For dette formålet, er begynnende bevegelsen av en eneste perle studert på vanlig underlag som består av en monolayer av faste kuler av samme størrelse som arrangeres jevnlig i trekantet og kvadratiske symmetrier. Terskelen er preget av kritiske skjold nummeret. Kriteriet for utbruddet av bevegelse er definert som forskyvning fra opprinnelige likevekt stillingen til naboøya en. Forskyvning og modus for bevegelse identifiseres med en tenkelig system. Laminær strømning er indusert ved hjelp av en roterende rheometer med en parallell diskkonfigurasjon. Skjær Reynolds nummeret forblir under 1. Turbulente flyten er indusert i en lav hastighet vindtunnel med åpne jet test delen. Lufthastighet reguleres med en frekvens omformer på viften blåser. Hastighet profilen måles med en varm ledningen sonde koblet til en varm film optimalt. Skjær Reynolds antallet varierer mellom 40 og 150. Logaritmisk hastighet loven og endrede veggen loven presentert av Rotta brukes til å antyde skjær hastigheten fra eksperimentelle data. Sistnevnte er spesielt når mobil perle delvis eksponeres for turbulente flyten i såkalte hydraulisk overgangsreglene flyt regimet. Skjær stress er anslått til utbruddet av bevegelse. Noen veiledende resultater viser sterk virkningen av Friksjonsvinkel og eksponering av perlen å skråstille flyt er representert i begge regimer.

Figur 1 (a) representerer en skisse av den eksperimentelle set-up benyttes for å karakterisere kritiske skjold tallet i snikende flyt grensen, del 1 av protokollen. Målingene er utført i en roterende rheometer ble endret for dette spesielle programmet. En gjennomsiktig PLEXIGLASS tallerken med 70 mm i diameter var nøye festet til en parallell tallerken med 25 mm i diameter. Treghet av måling var derfor readjusted før måling. En tilpass...

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 ulike metoder for å karakterisere den begynnende partikkel bevegelsen av en eneste perle som en funksjon av sediment seng geometrien fra laminær til turbulente flyt presenteres.

Visuelt basert karakterisering av det begynnende partikkel bevegelsen i vanlig underlag: fra laminær Turbulent 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

Ekko Particle Bilde 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

Mønster via Optiske mettes Transitions - Fabrikasjon 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 området Modifisering av Silicon Surface fuktbarhet av Pulsed UV Laser bestråling i flytende 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 for 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 av nanocrystal Størrelsesfordeling ved hjelp av Raman spektroskopi med en Multi-partikkel Phonon Confinement 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

Utvikling av en Forsøksoppsett for måling av Coefficient of Restitusjon under vakuum betingelser

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 Culture of epikardiell celler fra mus Embryonic Hjerte

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 av faseoppførsel av oljeprøver Under Refinery Prosessbetingelser

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 av menneskelig eksponering forhold med kroppen Dosimeters i 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

Spredningen av passiv Tracers i laminær skjær flyt

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 ...