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

Författarna är tacksamma att okänd domare för värdefulla råd och Sukyung Choi, Byeongwoo Ko och Baekkyoung Shin för samarbetet vid inrättandet av experimenten. Detta arbete stöds av projektet hjärnan Busan 21 2017.

1. begynnande partikel rörelse i krypande flöde gränsen.
Obs: Måtten bedrivs i en roterande reometer som har ändrats för denna specifika applikation.
<ol><li>Förbereda reometer.
	<ol>
<li>Anslut lufttillförseln till reometer för att undvika att skada luftkuddarna. Öppna ventilen förutom luftfiltren tills en pressa av ungefärligt 5 barer i systemet uppnås.</li>
		<li>Anslut vätska cirkulationspumpen till mäta plattan. Se till att slangarna av Peltier-elementet ...

Vi presenterar två olika experimentella metoder för att karakterisera den begynnande partikel vinkar som en funktion av sediment säng geometri. För detta ändamål använder vi en enskiktslager av sfärer regelbundet ordnade enligt en triangulär eller kvadratisk symmetri så att parametern geometriska förenklar till en enda geometri. I den krypande flöde gränsen beskriver vi den experimentella metoden använder en roterande rotameter inducera laminar skjuvning flödet som i tidigare studier39</s...

Begynnande partikel motion påträffas i ett brett utbud av industriella och naturliga processer. Miljömässiga exempel är den inledande processen av sediment transport i floden och oceaner, säng erosionen eller dune formationen bland annat 1,2,3. Pneumatiskt förmedla4, borttagning av föroreningar eller rengöring av ytor5,6 är typiska industriella tillämpningar som involverar uppkomsten av partikel rörelse.
På grund av det breda utbudet av applikationer, har uppkomsten av partikel rörelse studerats över ett sekel, mestadels under turbulenta förhållanden7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Många experimentella metoder har tillämpats för att bestämma tröskelvärdet för uppkomsten av rörelse. Studierna inkluderar parametrar såsom partikeln Reynolds nummer13,16,17,18,19,20, den relativa flöden nedsjunkande 21 , 22 , 23 , 24 eller geometriska faktorer som vinkel repose16,18,25, exponering för flöde26,27,28,29, relativa korn utstick29 eller streamwise säng lutning30.
Aktuella data för tröskelvärdet inklusive turbulenta förhållanden är i stort sett spridda12,31 och resultaten verkar ofta inkonsekvent24. Detta beror främst på den inneboende komplexiteten i styra eller bestämma flödesparametrar under turbulenta förhållanden13,14. Dessutom beror tröskeln för sediment rörelse starkt på funktionsläget av rörelse, dvs glidande, rullande eller lyftande17 och kriteriet för att karakterisera den begynnande motion31. Det senare kan bli tvetydig i en eroderbara sediment säng.
Under det senaste decenniet, har experimentell forskare studerat begynnande partikel motion i laminärt flöden32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, där det breda spektrumet av längdskalor interagerar med sängen är undvikas45. I många praktiska scenarier innebär sedimentering, partiklarna är ganska små och partikeln Reynoldstal förblir lägre än ca 546. Däremot, är laminärt flödena kunna generera geometriska mönster som krusningar och sanddyner som turbulenta flöden gör42,47. Liknelser i båda regimerna har visat att återspegla analogier i underliggande fysik47 så viktig insikt för partikel transport kan erhållas från en bättre kontrollerade experimentella system48.
I laminärt flöde märkte Charru et al. att den lokala ombildning av ett granulat bädd av enhetligt storlek pärlor, så kallade säng armera, resulterade i en progressiv ökning av tröskeln för uppkomsten av rörelse tills mättade villkor uppnåddes 32. litteratur, avslöjar emellertid olika tröskelvärden för mättade tillstånd i oregelbundet ordnade sediment bäddar beroende på de experimentella set-up36,44. Denna spridning kan bero på svårigheten att kontrollera partikel parametrar såsom orientering, utstick nivå och kompakthet av sedimenten.
Det huvudsakliga målet med detta manuskript är att beskriva i detalj hur man karakterisera den begynnande rörelsen av enda sfärer som en funktion av geometriska egenskaper av horisontella sediment sängen. För detta ändamål använder vi regelbundna geometrier, bestående av enskiktslager av fast pärlor regelbundet ordnade enligt triangulära eller kvadratisk konfigurationer. Vanliga substrat liknar som vi använder finns i applikationer såsom för mall-montering av partiklar i ultrakalla analyser49, självmontering av microdevices i trånga strukturerad geometrier50 eller inneboende partikel-inducerad transport i mikrokanaler51. Viktigare, tillåter med regelbundna substrat oss att belysa effekterna av lokala geometri och orientering och undvika någon ovisshet om rollen av kvarteret.
I laminärt flöde observerade vi att kritiska sköldar ökat med 50% bara beroende på avståndet mellan substrat kulorna och därmed på kornet exponering för det flöde38. Likaså fann vi att antalet kritiska sköldar ändrande av upp till en faktor av två beroende på orienteringen av substratet till flöde riktning38. Vi märkte att orörliga grannar bara påverka uppkomsten av den mobila pärlan om de var närmare än ca tre partikel diametrarna41. Utlöses av experimentet resultaten, har vi nyligen presenterat en strikt analytisk modell som beräknar antalet kritiska sköldar i krypande flöde gränsen40. Modellen täcker uppkomsten av motion från mycket utsatt till dolda pärlor.
Den första delen av detta manuskript behandlar beskrivningen av experimentella förfarandet används i tidigare studier vid skjuvning Reynoldstal, Re *, lägre än 1. Laminär induceras med en roterande reometer med en parallell konfiguration. I denna låga Reynolds tal gräns, partikeln ska inte uppleva någon hastighet fluktuation20 och systemet matchar den så kallade hydrauliskt smidigt flöde där partikeln är nedsänkt inom viskösa Underskiktet.
När begynnande rörelse vid laminärt flöde är etablerad, kan rollen av turbulens bli tydligare. Motiveras av denna idé, vi införa en roman experimentell förfarande i den andra delen av protokollet. Använda en Göttingen låg hastighet vindtunnel med öppna jet test avsnitt, kritiska sköldar antal kan fastställas i ett brett utbud av Re * inklusive hydrauliskt övergångsperiod flödet och den turbulenta regimen. Experimentella resultat kan ge viktiga insikter om hur krafter och vridmoment agerar på en partikel på grund av den turbulent flöden beroende på substrat geometri. Dessutom kan dessa resultat användas som ett riktmärke för mer sofistikerade modeller på hög Re * på ett liknande sätt att tidigare arbete i laminärt flöde har använts till foder semi probabilistiska modeller52 eller att validera senaste numeriska modeller53. Vi presenterar några representativa exempel på applikationer på Re * alltifrån 40 till 150.
Begynnande kriteriet är etablerad som den enda partikeln från dess ursprungliga equilibrium placerar till nästa rörelse. Bildbehandling är används för att bestämma läget för uppkomsten av rörelse, dvs rullande, glidande, lyft39,41. För detta ändamål upptäcks rotationsvinkeln av mobila sfärer som markerades manuellt. Algoritmen spårar positionen för varumärkena och jämför den med mitten av sfären. En preliminär uppsättning experiment genomfördes i både experimentella uppställningar att klargöra att antalet kritiska sköldar förblir oberoende av set-up och relativa flöden nedsjunkande effekter på ändlig storlek. De experimentella metoderna är således avsedda att utesluta någon annan parameter som är beroende av antalet kritiska sköldar bortom Re * och geometriska egenskaper av sediment sängen. De Re * är omväxlande med olika vätska-partikel kombinationer. Antalet kritiska sköldar kännetecknas som en funktion av nedgrävning graden, <img alt="Equation 01" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg"> </img>, definierad av Martino o.a. 37 som <img alt="Equation 02" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg"> där <img alt="Equation 03" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg"> är rasvinkel, dvs den kritiska vinkeln på vilken rörelse uppstår54, och <img alt="Equation 04" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg"> är exponering graden, definieras som förhållandet mellan tvärsnittsarea effektivt utsätts för flödet till totala tvärsnittsarean på den mobila pärlan.

<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

Två olika experimentella metoder för fastställandet av tröskelvärdet av partikel vinkar som en funktion av geometriska egenskaper av sängen från laminär till turbulent strömning villkor presenteras. För detta ändamål studeras den begynnande rörelsen av en enda pärla på regelbundna substrat som består av en enskiktslager av fasta sfärer av enhetlig storlek som ordnas regelbundet i trekantiga och kvadratisk symmetrier. Tröskeln kännetecknas av antalet kritiska sköldar. Kriteriet för uppkomsten av motion definieras som förskjutningen från den ursprungliga equilibrium placerar till angränsande en. Förskjutningen och funktionsläget av rörelse identifieras med ett bildsystem. Laminär induceras med en roterande reometer med en parallell diskkonfiguration. Skjuvning Reynoldstal förblir under 1. Den turbulent flöden induceras i en låg hastighet vindtunnel med öppna jet test avsnitt. Lufthastigheten regleras med en frekvensomriktare på fläkten. Ljudhastighetsprofilen mäts med en het tråd sond ansluten till en het film vindmätaren. Skjuvning Reynoldstal varierar mellan 40 och 150. Den logaritmiska hastighet och modifierade vägg lagen presenteras av Rotta används för att härleda den skjuvning hastigheten från experimentella data. Det senare är av särskilt intresse när den mobila pärlan utsätts delvis till ett turbulent flöde i den så kallade hydrauliskt övergångsperiod flöde-regimen. Skjuvspänningen beräknas vid uppkomsten av rörelse. Några belysande resultat visar stark inverkan rasvinkel och exponeringen av pärlan vill skeva flöde finns representerade i båda regimerna.

Figur 1 (a) representerar en skiss av den experimentella set-up som används för att karakterisera antalet kritiska sköldar i krypande flöde gränsen, avsnitt 1 i protokollet. Mätningarna sker i en roterande reometer som ändrades för denna specifika applikation. En transparent Plexiglas tallrik 70 mm i diameter var noggrant fast en parallell platta med 25 mm i diameter. Trögheten i mätsystemet var därför justeras före mätningen. E...

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

Två olika metoder för att karakterisera den begynnande partikel rörelsen av en enda pärla som en funktion av sediment säng geometri från laminär till turbulent strömning presenteras.

Visuellt baserat karakterisering av den begynnande partikel Motion i regelbundna substrat: från laminär till Turbulent villkor

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 Velocimetry Particle Image

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

Mönstring via Optiska mätt Transitions - tillverkning och 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 Ändring av Silicon ytvätbarhet av pulsad UV laserstrålning i flytande miljö

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 Kana Contrast Imaging för Rapid III-V heteroepitaxiell 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 nanokristallstorleksfördelning med användning av Raman-spektroskopi med en Multi-partikel Phonon Förlossning Modell

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

Utveckling av en experimentuppställning för mätning av Coefficient of Restitution under vakuumbetingelser

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-odling av epikardiella celler från mus embryonala hjärta

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 fasbeteende av oljeprover under raffineringsprocessen Villkor

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 analys av människors exponeringsförhållanden med kroppsburen dosmätare i 2,4 GHz-bandet

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 av passiv spårämnen i Laminar skjuvning flöde

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 ...