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

Os autores são gratos para árbitros desconhecidos para conselhos valiosos e Sukyung Choi, Byeongwoo Ko e Baekkyoung Shin para a colaboração na criação de experiências. Este trabalho foi financiado pelo projeto cérebro Busan 21 em 2017.

1. partícula incipiente movimento no limite de fluxo rastejando.
Nota: As medições são realizadas em um rheometer rotacional que tenha sido modificado para esta aplicação específica.
<ol><li>Preparando o Rheometer.
	<ol>
<li>Conecte a alimentação de ar para o rheometer para evitar danificar os rolamentos de ar. Abra a válvula além dos filtros de ar, até que seja alcançada uma pressão de aproximadamente 5 bares no sistema.</li>
		<li>Conecte o circulador fluido ...

Apresentamos dois métodos experimentais diferentes para caracterizar o movimento de partículas incipiente como uma função da geometria da cama do sedimento. Para o efeito, usamos uma monocamada de esferas regularmente organizadas de acordo com uma simetria triangular ou quadrática, de modo que o parâmetro geométrico simplifica para uma geometria única. O limite de fluxo rastejando, descrevemos o método experimental usando um rotâmetro rotacional para induzir o fluxo de cisalhamento laminar como em anteriores es...

Movimento de partícula incipiente é encontrado em uma ampla gama de processos industriais e naturais. Ambientais são exemplos o processo inicial de sedimento transporte no rio e oceanos, erosão de cama ou formação de dunas, entre outros, 1,2,3. Pneumático, transportando4, remoção de poluentes ou limpeza de superfícies5,6 são aplicações industriais típicas, envolvendo o início do movimento da partícula.
Devido à ampla variedade de aplicações, o início do movimento da partícula foi estudado extensivamente ao longo de um século, principalmente sob condições turbulentas7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Muitas abordagens experimentais foram aplicadas para determinar o limiar para o início do movimento. Os estudos incluem parâmetros tais como a partícula Reynolds número13,16,17,18,19,20, a submersão de fluxo relativo 21 , 22 , 23 , 24 ou fatores geométricos como o ângulo do repose16,18,25, exposição para o fluxo26,,27,28,29, protrusão de grão relativo29 ou cama streamwise inclinação30.
Os dados atuais para o limiar incluindo condições turbulentas estão amplamente espalhados12,31 , e os resultados muitas vezes parecem inconsistentes24. Isto é principalmente devido à complexidade inerente de controlar ou determinar parâmetros de fluxo sob condições turbulentas13,14. Além disso, o limiar para o movimento de sedimentos depende fortemente o modo de movimento, ou seja, deslizamento, rolamento ou levantamento17 e o critério para caracterizar o incipiente movimento31. Este último pode ser ambíguo em uma cama de sedimentos erodíveis.
Durante a última década, experimentais pesquisadores estudaram o movimento da partícula incipiente em fluxos laminar32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, onde o amplo espectro de escalas de comprimento interagindo com a cama é evitado45. Em muitos cenários práticos que implica sedimentação, as partículas são muito pequenas e a partícula, o número de Reynolds permanece inferior a cerca de 546. Por outro lado, os fluxos laminar são capazes de gerar padrões geométricos como ondulações e dunas como escoamentos turbulentos do42,47. Similitudes em ambos os regimes foram mostrados para refletir as analogias no subjacente física47 então uma visão importante para o transporte de partículas pode ser obtida um melhor controlado sistema experimental48.
No fluxo laminar, Charru et al notou que o rearranjo de local de um leito granular de grânulos de tamanhos uniforme, chamado cama blindagem, resultou em um aumento progressivo do limiar para o início do movimento até condições saturadas foram alcançadas 32. no entanto, a literatura, revela diferentes limiares para condições saturadas em camas de sedimentos irregularmente arranjados dependendo da montagem experimental36,44. Essa dispersão pode ser devido à dificuldade de controlar parâmetros de partículas tais como orientação, nível de saliência e compactação dos sedimentos.
O objetivo principal deste manuscrito é descrever em detalhe como caracterizar o incipiente movimento de esferas única em função das Propriedades geométricas da cama horizontal de sedimentos. Para o efeito, usamos geometrias regulares, consistindo de monocamadas de grânulos fixos regularmente organizadas de acordo com configurações triangulares ou quadráticas. Substratos regulares semelhantes ao que usamos são encontrados em aplicações tais como para o modelo-conjunto de partículas em ensaios microfluidic49, auto-montagem de microdevices em geometrias estruturado confinados50 ou intrínseco induzida por partículas transporte em microcanais51. Mais importante, usar substratos regulares permite-nos para destacar o impacto da geometria local e orientação e para evitar qualquer dubiety sobre o papel da vizinhança.
No fluxo laminar, observamos que o número de escudos a crítica aumentou 50% apenas dependendo do espaçamento entre as esferas de substrato e, portanto, sobre a exposição do talão para o fluxo de38. Da mesma forma, nós encontramos que o número de escudos crítico alterado por até um fator de dois, dependendo da orientação do substrato para a direção de fluxo38. Notamos que imóveis vizinhos afetam apenas o início da esfera móvel se estivessem mais perto do que a partícula sobre três diâmetros41. Desencadeada pelas conclusões do experimento, recentemente apresentamos um modelo analítico rigoroso que prevê o número crítico de escudos no rastejamento fluxo limite40. O modelo abrange o início do movimento de altamente expostos para contas ocultas.
A primeira parte do manuscrito lida com a descrição do procedimento experimental utilizado em estudos anteriores no cisalhamento número de Reynolds, Re *, menor que 1. O fluxo laminar é induzido com uma rotação rheometer com uma configuração paralela. Este limite de número de Reynolds baixo, a partícula não é para qualquer flutuação de velocidade20 de experiência e o sistema coincide com o chamado fluxo hidraulicamente suave onde a partícula está submersa dentro da subcamada viscosa.
Uma vez que o incipiente movimento no fluxo laminar é estabelecido, o papel da turbulência pode tornar-se mais claro. Motivado por esta ideia, nós introduzimos um novo procedimento experimental na segunda parte do protocolo. Usando um túnel de vento de baixa velocidade de Göttingen com seção de teste do jato aberto, os escudos críticos número pode ser determinado em uma ampla gama de Re * incluindo o fluxo hidraulicamente transitório e regime turbulento. Os resultados experimentais podem fornecer uma importante visão sobre como as forças e torques agem sobre uma partícula devido ao fluxo turbulento, dependendo da geometria do substrato. Além disso, estes resultados podem ser usados como referência para modelos mais sofisticados em alta Re * da mesma forma que o trabalho passado em fluxo laminar tem sido utilizado para alimentar semi modelos probabilísticos52 ou validar recentes modelos numéricos53. Apresentamos alguns exemplos representativos de aplicações em Re * variando de 40 a 150.
O critério incipiente é estabelecido como o movimento da partícula única da posição de equilíbrio inicial para a próxima. Processamento de imagem é usado para determinar o modo de início do movimento, ou seja, rolamento, deslizamento, levantamento de39,41. Para esse efeito, o ângulo de rotação das esferas móveis que foram marcados manualmente é detectado. O algoritmo rastreia a posição das marcas e compara-o com o centro da esfera. Um conjunto preliminar de experimentos foi realizado em ambos os set-ups experimentais para esclarecer que o número de escudos a crítica continua a ser independente dos efeitos de tamanho finito do set-up e submersão de fluxo relativo. Os métodos experimentais destinam-se, portanto, para excluir qualquer outro parâmetro depende do número de escudos crítico além do Re * e Propriedades geométricas da cama sedimento. O Re * é variada usando diferentes combinações de fluido-partícula. O número de escudos crítico é caracterizado em função do grau de enterro, <img alt="Equation 01" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg"> </img>, definido por Martino et al 37 como <img alt="Equation 02" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg"> onde <img alt="Equation 03" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg"> é o ângulo de repouso, ou seja, o ângulo crítico, no qual movimento ocorre54, e <img alt="Equation 04" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg"> é o grau de exposição, definido como a razão entre a área transversal efetivamente exposta ao fluxo de a área transversal total da esfera móvel.

<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

Dois diferentes métodos experimentais para a determinação do limiar do movimento de partículas em função das Propriedades geométricas da cama de laminar para fluxo turbulento condições são apresentados. Para esse efeito, o incipiente movimento de uma única conta é estudado em substratos regulares que consistem em uma monocamada de esferas fixas de tamanho uniforme regularmente organizados em simetrias triangulares e quadráticas. O limiar é caracterizado pelo crítico número escudos. O critério para o início do movimento é definido como o deslocamento da posição original de equilíbrio para o vizinho. O deslocamento e o modo de movimento são identificados com um sistema de imagem. O fluxo laminar é induzido usando um rheometer rotacional com uma configuração de disco paralelo. O número de Reynolds de cisalhamento permanece inferior a 1. O fluxo turbulento é induzido em um túnel de vento de baixa velocidade com seção de teste do jato aberto. A velocidade do ar é regulada com um variador de frequência no ventilador ventilador. O perfil de velocidade é medido com uma sonda de fio quente conectada a um anemômetro de filme quente. O número de Reynolds de cisalhamento variam entre 40 e 150. A lei de velocidade logarítmica e a lei de parede modificado apresentado por Rotta são usados para inferir a velocidade de cisalhamento a partir dos dados experimentais. O último é de especial interesse quando o grânulo móvel fica parcialmente exposto ao fluxo turbulento no regime transitório hidraulicamente fluxo so-called. A tensão de cisalhamento é estimado no início do movimento. Alguns resultados ilustrativos, mostrando o forte impacto do ângulo de repouso e a exposição do cordão para cortar o fluxo de são representados em ambos os regimes.

Figura 1 (a) representa um esboço da montagem experimental utilizada para caracterizar o número crítico de escudos no limite de fluxo rastejando, secção 1 do protocolo. As medições são realizadas em um rheometer rotacional que foi modificado para esta aplicação específica. Uma placa de acrílico transparente de 70 mm de diâmetro foi cuidadosamente fixada a uma placa paralela de 25 mm de diâmetro. Portanto, a inércia do sistema d...

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

São apresentados dois métodos diferentes para caracterizar o movimento de partículas incipiente de uma única pérola como uma função da geometria de cama de sedimentos de laminar para fluxo turbulento.

Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

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

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