Summary

Визуально на основе характеристик движения зарождающегося частиц в обычных подложек: от ламинарного турбулентных условиях

Published: February 22, 2018
doi:

Summary

Представлены два различных метода для характеризующие движения зарождающегося частиц один шарик как функция геометрии кровать осадков от ламинарного для турбулентного потока.

Abstract

Представлены две различные экспериментальные методы для определения порогового показателя движения частиц в зависимости от геометрических свойств постели от ламинарного турбулентные условия потока. Для этой цели зарождающегося движения одного из бисера изучается на регулярных подложках, которые состоят из монослоя фиксированной сфер одинакового размера, которые регулярно устраиваются в треугольной и квадратичные симметрии. Порог характеризуется критическим числом щиты. Критерием для начала движения определяется как перемещение из исходного положения равновесия в соседний. Перемещение и режим движения определяются с системой обработки изображений. Ламинарный поток наведено с помощью вращения Реометр с параллельной диска конфигурации. Сдвиг числа Рейнольдса остается ниже 1. Турбулентный поток индуцируется в низкой скорости аэродинамической трубе с открытым реактивного тестирования секции. Скорость воздуха регулируется преобразователем частоты на вентилятор вентилятор. Профиль скорости измеряется с зондом горячий провод подключен к горячий фильм анемометр. Сдвиг числа Рейнольдса колеблется от 40 до 150. Логарифмическая скорость закон и Закон изменение стены, представленный Rotta используются для определения скорости сдвига от экспериментальных данных. Последний представляет особый интерес, когда мобильные шарик частично подвергается турбулентный поток в so-called потоков гидравлически переходного режима. Касательное напряжение оценивается в начале движения. В обоих режимах представлены некоторые наглядные результаты показаны сильное влияние угол естественного откоса, и воздействия шарик для наклона потока.

Introduction

Движения зарождающегося частиц встречается в широком диапазоне промышленных и природных процессов. Экологические примеры включают начальный процесс отложения транспорт в реки и океаны, кровати эрозии или Дюна образование среди других 1,2,3. Пневматической подачи4, удаление загрязняющих веществ или очистке поверхности5,6 являются типичными промышленных применений, связанных с началом движения частиц.

Благодаря широкому спектру приложений начала движения частиц подробно изучено более столетия, главным образом под бурные условия7,8,9,10,11, 12,13,14,15. Многие экспериментальные подходы применялись для определения порога для начала движения. Эти исследования включают в себя такие параметры, как частица Рейнольдс номер13,16,17,18,19,20, относительная потока погружения 21 , 22 , 23 , 24 или геометрические факторы, как угол почивают16,18,25, воздействие потока26,27,28,29, относительный зерна выступ29 или streamwise кровать склона30.

Текущие данные для порога, включая турбулентных условиях широко разбросаны31 12,и результаты часто кажутся несовместимыми24. Это главным образом объясняется сложность контроля или определения параметров потока под бурные условия13,14. Кроме того порог для движения осадков сильно зависит от режима движения, то есть раздвижные, прокатки или подъема17 и критерий характеризовать зарождающегося движения31. Последний может быть неоднозначной на кровати коррозионно-опасных отложений.

В течение последнего десятилетия экспериментальные исследователи изучили движения зарождающегося частиц в ламинарный потоки32,33,34,,3536,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, где широкий спектр длина шкалы, взаимодействующих с кроватью, избегать45. В многих практических сценариев, подразумевая седиментации, частицы очень малы и число Рейнольдса частиц остается ниже, чем около 546. С другой стороны ламинарный потоки способны генерировать геометрические узоры как рябь и дюны, как турбулентные потоки42,47. Было показано, что similitudes в обеих схемах отразить что аналогии в базовой физики47 так важно понимание для транспортировки частиц могут быть получены из лучше контролируется экспериментальной системы48.

В ламинарного потока Charru et al. заметил, что местные перестановка гранулированных кровати равномерно размера бусин, так называемые кровать армирование, привели к прогрессивное увеличение порога для начала движения до насыщенных условий были достигнуты 32. литература, однако, показывает различные пороговые значения для насыщенных условий в скачками аранжированное отложений кровати в зависимости от экспериментальной установки36,44. Это рассеяние может быть из-за сложности управления частиц параметров, таких как ориентация, выступ уровень и компактность отложений.

Основная цель этой рукописи является подробно описать как охарактеризовать зарождающегося движения одного сфер как функция геометрических свойств горизонтальной отложений кровати. Для этой цели мы используем регулярные геометрии, состоящий из монослои фиксированной бус, регулярно устраиваются согласно треугольной или квадратичной конфигураций. Похож на регулярные подложках, которые мы используем находятся в приложений, таких как шаблон-Ассамблея частиц в microfluidic анализов49, самостоятельной сборки микросхемами в замкнутых геометрий структурированных50 или внутренних частиц индуцированной Транспорт в микроканалов51. Что еще более важно использование регулярных субстратов позволяет нам подчеркнуть влияние местных геометрии и ориентации и во избежание любых неясностей, о роли окрестности.

В ламинарного потока мы наблюдали, что критическое количество щитов увеличен на 50% только в зависимости от расстояния между сферами субстрата и, таким образом, на экспозиции шарик для потока38. Аналогичным образом, мы обнаружили, что критическое число Шилдс изменено до раза два в зависимости от ориентации субстрат для направления потока38. Мы заметили, что неподвижные соседей влияют только на начала мобильных шарик если они были ближе, чем о трех частиц диаметром41. Вызваны результаты эксперимента, мы недавно представили строгий аналитическая модель, которая предсказывает критическое число Шилдс в ползучая предел потока40. Модель охватывает начала движения от весьма подвержены скрытые бусины.

В первой части этой рукописи предложения с описанием экспериментальной процедуры, используемой в предыдущих исследованиях на сдвиг числа Рейнольдса, ре *, ниже, чем 1. Ламинарный поток наведено с вращения Реометр с параллельной конфигурации. В этой низкий предел числа Рейнольдса частица не должны испытывать каких-либо колебаний скорости20 и система соответствует так называемой гидравлически гладкой потока, где частицы погружен в течение вязкой подслой.

После зарождающегося движения на ламинарный поток, роль турбулентности может проясниться. Руководствуясь этой идеи, мы представляем Роман экспериментальной процедуры во второй части протокола. С помощью Гёттинген низкой скорости аэродинамической трубе с открытым реактивного тестирования секции, критических Шилдс, номер может быть определена в широкий диапазон от ре * включая гидравлически переходного потока и турбулентного режима. Экспериментальные результаты может обеспечить важную информацию о как сил и моментов действовать на частицу вследствие турбулентного потока в зависимости от геометрии субстрата. Кроме того эти результаты могут использоваться как ориентир для более сложных моделей на высокие ре * в Аналогичным образом, что последние работы в ламинарный поток был использован кормить полу вероятностные модели52 или проверить последние численные модели53. Мы представляем некоторые показательные примеры приложений в ре * от 40 до 150.

Зарождающегося критерий устанавливается как движения одной частицы от его начального равновесия к следующему. Обработка изображений используется для определения режима начала движения, т.е. качения, скольжения, лифтинг39,41. Для этой цели обнаруживается угол поворота мобильных сфер, которые ознаменовались вручную. Алгоритм отслеживает положение знаков и сравнивает его с центром сферы. Предварительный набор экспериментов было проведено в обеих экспериментальных установок для уточнения, что критическое число Шилдс остается независимо от конечного размера эффектов настройки и относительной потока погружения. Таким образом экспериментальные методы предназначены для исключения любого другого параметра, зависит от критического числа щитов за ре * и геометрических свойств осадков кровати. Ре * очень разнообразен, с использованием различных комбинаций жидкость частицу. Критическое количество щитов характеризуется как функция захоронения степени, Equation 01 , определяется Мартино и др. 37 как Equation 02 где Equation 03 является угол естественного откоса, т.е. критический угол на котором движение происходит54, и Equation 04 — это степень воздействия, определяется как соотношение между площадь поперечного сечения, эффективно воздействию потока с Общая площадь поперечного сечения мобильных шарик.

Protocol

1. движения зарождающегося частиц в ползучая предел потока. Примечание: Измерения проводятся в ротации Реометр, который был изменен для этого конкретного приложения. Подготовка Реометр. Подключение подачи воздуха к Реометр во избежание повреждения п?…

Representative Results

Рисунок 1 (a) представляет эскиз экспериментальной установки, используемые для характеристики критическое число Шилдс в ползучая предел потока, статья 1 протокола. Измерения проводятся в ротации Реометр, который был изменен для этого конкретн?…

Discussion

Мы представляем два различных экспериментальных методов для характеризующие движения зарождающегося частиц в зависимости от геометрии кровать отложений. Для этой цели мы используем монослоя сфер, регулярно устраиваются согласно треугольные или квадратичной симметрии таким образом…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы благодарны тем, неизвестных судей за ценные советы и Sukyung Чой, Byeongwoo Ko и Baekkyoung шин для сотрудничества в создании экспериментов. Эта работа была поддержана мозг Пусан 21 проекта в 2017 году.

Materials

MCR 302 Rotational Rheometer Antoon Par Induction of shear laminar flow
Measuring Plate PP25 Antoon Par Induction of shear laminar flow
Peltier System P-PTD 200 Antoon Par Keep temperature of silicon oils constant in the system at laminar flow
Silicone oils with viscosities of approx. 10 and 100 mPas Basildon Chemicals Fluid used to induced the shear in the particles
Soda-lime glass beads of (405.9 ± 8.7) μm The Technical Glass Company Construction of the regular substrates for laminar flow conditions
Opto Zoom 70 Module 0.3x-2.2x WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
2 x TV-Tube 1.0x, D=35 mm, L=146.5 mm WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
UI-1220SE CMOS Camera IDS Imaging Development Systems GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
UI-3590CP CMOS Camera IDS Imaging Development Systems GmbH Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
Volpi IntraLED 3 – LED light source  Volpi USA Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
Active light guide diameter 5mm Volpi USA Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
300 Watt Xenon Arc Lamp Newport Corporation Imaging system for recording the bead motion in the rheometer
Wind-tunnel with open jet test section, Göttingen type  Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG Induction of turbulent flow
Glass spheres of (2.00 ± 0.10) mm Gloches South Korea Construction of the regular substrates for turbulent flow conditions
Alumina spheres of (5.00 ± 0.25) mm Gloches South Korea Targeted bead for experiments
CTA Anemometer DISA 55M01 Disa Elektronik A/S  Measurement of  flow velocity in the wind tunnel
Miniaure Wire Probe Type 55P15 Dantec Dynamics Measurement of  flow velocity in the wind tunnel
HMO2022 Digital Oscilloscope, 2 Analogue. Ch., 200MHz Rohde & Schwarz Measurement of  flow velocity in the wind tunnel
Phantom Miro eX1 High-speed Camera Vision Research IncVis Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel
Canon ef 180mm f/3.5 l usm macro lens Canon Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel
Table LED Lamp Gloches South Korea Imaging system for recording the bead motion in the wind-tunnel

References

  1. Groh, C., Wierschem, A., Aksel, N., Rehberg, I., Kruelle, C. A. Barchan dunes in two dimensions: Experimental tests for minimal models. Phys. Rev. E. 78, 021304 (2008).
  2. Wierschem, A., Groh, C., Rehberg, I., Aksel, N., Kruelle, C. Ripple formation in weakly turbulent flow. Eur. Phys. J. E. 25, 213-221 (2008).
  3. Herrmann, H. . Dune Formation in Traffic and Granular Flow. , (2007).
  4. Stevanovic, V. D., et al. Analysis of transient ash pneumatic conveying over long distance and prediction of transport capacity. Powder Technol. 254, 281-290 (2014).
  5. Fan, F. -. G., Soltani, M., Ahmadi, G., Hart, S. C. Flow-induced resuspension of rigid-link fibers from surfaces. Aerosol. Sci. Tech. 27, 97-115 (1997).
  6. Burdick, G., Berman, N., Beaudoin, S. Hydrodynamic particle removal from surfaces. Thin Solid Films. , 116-123 (2005).
  7. Chang, Y. Laboratory investigation of flume traction and transportation. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. , 1701-1740 (1939).
  8. Paintal, A. A stochastic model of bed load transport. J. Hydraul. Res. 9, 527-554 (1971).
  9. Mantz, P. A. Incipient transport of fine grains and flakes by fluids-extended shield diagram. J. Hydr. Eng. Div.-Asce. 103, (1977).
  10. Yalin, M. S., Karahan, E. Inception of sediment transport. J. Hydr. Eng. Div.-Asce. 105, 1433 (1979).
  11. Kuhnle, R. A. Incipient motion of sand-gravel sediment mixtures. J. Hydraul. Eng. 119, 1400-1415 (1993).
  12. Marsh, N. A., Western, A. W., Grayson, R. B. Comparison of methods for predicting incipient motion for sand beds. J. Hydraul. Eng. 130, 616-621 (2004).
  13. Vollmer, S., Kleinhans, M. G. Predicting incipient motion, including the effect of turbulent pressure fluctuations in the bed. Water Resour. Res. 43, (2007).
  14. Valyrakis, M., Diplas, P., Dancey, C. L., Greer, K., Celik, A. O. Role of instantaneous force magnitude and duration on particle entrainment. J. Geophys. Res.-Earth. 115, (2010).
  15. Dey, S., Ali, S. Z. Stochastic mechanics of loose boundary particle transport in turbulent flow. Phys. Fluids. 29, 055103 (2017).
  16. Wiberg, P. L., Smith, J. D. Calculations of the critical shear stress for motion of uniform and heterogeneous sediments. Water Resour. Res. 23, 1471-1480 (1987).
  17. Ling, C. -. H. Criteria for incipient motion of spherical sediment particles. J. Hydraul. Eng. 121, 472-478 (1995).
  18. Dey, S. Sediment threshold. Appl. Math. Model. 23, 399-417 (1999).
  19. Bravo, R., Ortiz, P., Pérez-Aparicio, J. Incipient sediment transport for non-cohesive landforms by the discrete element method (DEM). Appl. Math. Model. 38, 1326-1337 (2014).
  20. Ali, S. Z., Dey, S. Hydrodynamics of sediment threshold. Phys. Fluids. 28, 075103 (2016).
  21. Yalin, M. S. . Mechanics of sediment transport. , (1977).
  22. Graf, W. H., Sueska, L. Sediment transport in steep channels. Journal of Hydroscience and Hydraulic Engineering. 5, 233-255 (1987).
  23. Recking, A. . An experimental study of grain sorting effects on bedload. , (2006).
  24. Roušar, L., Zachoval, Z., Julien, P. Incipient motion of coarse uniform gravel. J. Hydraul. Res. 54, 615-630 (2016).
  25. Miller, R. L., Byrne, R. J. The angle of repose for a single grain on a fixed rough bed. Sedimentology. 6, 303-314 (1966).
  26. Fenton, J., Abbott, J. Initial movement of grains on a stream bed: the effect of relative protrusion. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 352, 523-537 (1977).
  27. Kirchner, J. W., Dietrich, W. E., Iseya, F., Ikeda, H. The variability of critical shear stress, friction angle, and grain protrusion in water-worked sediments. Sedimentology. 37, 647-672 (1990).
  28. Armanini, A., Gregoretti, C. Incipient sediment motion at high slopes in uniform flow condition. Water Resour. Res. 41, (2005).
  29. Chin, C., Chiew, Y. Effect of bed surface structure on spherical particle stability. J. Waterw. Port Coast. 119, 231-242 (1993).
  30. Whitehouse, R., Hardisty, J. Experimental assessment of two theories for the effect of bedslope on the threshold of bedload transport. Mar. Geol. 79, 135-139 (1988).
  31. Buffington, J. M., Montgomery, D. R. A systematic analysis of eight decades of incipient motion studies, with special reference to gravel-bedded rivers. Water Resour. Res. 33, 1993-2029 (1997).
  32. Charru, F., Mouilleron, H., Eiff, O. Erosion and deposition of particles on a bed sheared by a viscous flow. J. Fluid Mech. 519, 55-80 (2004).
  33. Loiseleux, T., Gondret, P., Rabaud, M., Doppler, D. Onset of erosion and avalanche for an inclined granular bed sheared by a continuous laminar flow. Phys. Fluids. 17, 103304 (2005).
  34. Charru, F., Larrieu, E., Dupont, J. -. B., Zenit, R. Motion of a particle near a rough wall in a viscous shear flow. J. Fluid Mech. 570, 431-453 (2007).
  35. Ouriemi, M., Aussillous, P., Medale, M., Peysson, Y., Guazzelli, &. #. 2. 0. 1. ;. Determination of the critical Shields number for particle erosion in laminar flow. Phys. Fluids. 19, 061706 (2007).
  36. Lobkovsky, A. E., Orpe, A. V., Molloy, R., Kudrolli, A., Rothman, D. H. Erosion of a granular bed driven by laminar fluid flow. J. Fluid Mech. 605, 47-58 (2008).
  37. Martino, R., Paterson, A., Piva, M. Onset of motion of a partly hidden cylinder in a laminar shear flow. Phys. Rev. E. 79, 036315 (2009).
  38. Agudo, J., Wierschem, A. Incipient motion of a single particle on regular substrates in laminar shear flow. Phys. Fluids. 24, 093302 (2012).
  39. Agudo, J., et al. Detection of particle motion using image processing with particular emphasis on rolling motion. Rev. Sci. Instrum. 88, 051805 (2017).
  40. Agudo, J., et al. Shear-induced incipient motion of a single sphere on uniform substrates at low particle Reynolds numbers. J. Fluid Mech. 825, 284-314 (2017).
  41. Agudo, J., Dasilva, S., Wierschem, A. How do neighbors affect incipient particle motion in laminar shear flow?. Phys. Fluids. 26, 053303 (2014).
  42. Seizilles, G., Lajeunesse, E., Devauchelle, O., Bak, M. Cross-stream diffusion in bedload transport. Phys. Fluids. 26, 013302 (2014).
  43. Seizilles, G., Devauchelle, O., Lajeunesse, E., Métivier, F. Width of laminar laboratory rivers. Phys. Rev. E. 87, 052204 (2013).
  44. Hong, A., Tao, M., Kudrolli, A. Onset of erosion of a granular bed in a channel driven by fluid flow. Phys. Fluids. 27, 013301 (2015).
  45. Derksen, J., Larsen, R. Drag and lift forces on random assemblies of wall-attached spheres in low-Reynolds-number shear flow. J. Fluid Mech. 673, 548-573 (2011).
  46. Happel, J., Brenner, H. . Low Reynolds Number Hydrodynamics: With Special Applications to Particulate Media. , (1983).
  47. Lajeunesse, E., et al. Fluvial and submarine morphodynamics of laminar and near-laminar flows: A synthesis. Sedimentology. 57, 1-26 (2010).
  48. Aussillous, P., Chauchat, J., Pailha, M., Médale, M., Guazzelli, &. #. 2. 0. 1. ;. Investigation of the mobile granular layer in bedload transport by laminar shearing flows. J. Fluid Mech. 736, 594-615 (2013).
  49. Thompson, J. A., Bau, H. H. Microfluidic, bead-based assay: Theory and experiments. J. Chromatogr. B. 878, 228-236 (2010).
  50. Sawetzki, T., Rahmouni, S., Bechinger, C., Marr, D. W. In situ assembly of linked geometrically coupled microdevices. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 20141-20145 (2008).
  51. Amini, H., Sollier, E., Weaver, W. M., Di Carlo, D. Intrinsic particle-induced lateral transport in microchannels. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109, 11593-11598 (2012).
  52. Soepyan, F. B., et al. Threshold velocity to initiate particle motion in horizontal and near-horizontal conduits. Powder Technol. 292, 272-289 (2016).
  53. Deskos, G., Diplas, P. Incipient motion of a non-cohesive particle under Stokes flow conditions. International Journal of Multiphase Flow. , (2017).
  54. Julien, P. Y. . Erosion and sedimentation. , (2010).
  55. Jimenez, J. Turbulent flows over rough walls. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 173-196 (2004).
  56. O’neill, P., Nicolaides, D., Honnery, D., Soria, J. . 15th Australasian Fluid Mechanics Conference. , 1-4 (2006).
  57. Schlichting, H. . Boundary-Layer Theory. , (1979).
  58. Rotta, J. Das in wandnähe gültige Geschwindigkeitsgesetz turbulenter Strömungen. Arch. Appl. Mech. 18, 277-280 (1950).
  59. Schlichting, H., Gersten, K., Krause, E., Oertel, H. . Boundary-layer theory. 7, (1955).
  60. Bruun, H. H. . Hot-wire anemometry-principles and signal analysis. , (1995).
  61. Fan, D., Cheng, X., Wong, C. W., Li, J. -. D. Optimization and Determination of the Frequency Response of Constant-Temperature Hot-Wire Anemometers. AIAA J. , 1-7 (2017).
  62. Valyrakis, M., Diplas, P., Dancey, C. L. Entrainment of coarse particles in turbulent flows: An energy approach. J. Geophys. Res.-Earth. 118, 42-53 (2013).
  63. Valyrakis, M., Diplas, P., Dancey, C. L. Entrainment of coarse grains in turbulent flows: An extreme value theory approach. Water Resour. Res. 47, (2011).
  64. Dey, S., Das, R., Gaudio, R., Bose, S. Turbulence in mobile-bed streams. Acta Geophys. 60, 1547-1588 (2012).
  65. Wu, F. -. C., Chou, Y. -. J. Rolling and lifting probabilities for sediment entrainment. J. Hydraul. Res. 129, 110-119 (2003).
  66. Leighton, D., Acrivos, A. The lift on a small sphere touching a plane in the presence of a simple shear flow. Z. Angew. Math. Phys. 36, 174-178 (1985).
  67. Tuyen, N. B., Cheng, N. -. S. A single-camera technique for simultaneous measurement of large solid particles transported in rapid shallow channel flows. Exp. Fluids. 53, 1269-1287 (2012).
  68. Gollin, D., Bowman, E., Shepley, P. Methods for the physical measurement of collisional particle flows. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 26, 012017 (2015).
  69. Amon, A., et al. Focus on Imaging Methods in Granular Physics. Rev. Sci. Instrum. 88, (2017).
  70. Mouilleron, H., Charru, F., Eiff, O. Inside the moving layer of a sheared granular bed. J. Fluid Mech. 628, 229-239 (2009).
  71. Diplas, P., et al. The role of impulse on the initiation of particle movement under turbulent flow conditions. Science. 322, 717-720 (2008).
  72. Coleman, N. L. A theoretical and experimental study of drag and lift forces acting on a sphere resting on a hypothetical streambed. International Association for Hydraulic Research, 12th Congress, proceedings. 3, 185-192 (1967).
  73. El-Gabry, L. A., Thurman, D. R., Poinsatte, P. E. . Procedure for determining turbulence length scales using hotwire anemometry. , (2014).
  74. Roach, P. The generation of nearly isotropic turbulence by means of grids. Int. J. Heat Fluid Fl. 8, 82-92 (1987).

Play Video

Cite This Article
Agudo, J. R., Han, J., Park, J., Kwon, S., Loekman, S., Luzi, G., Linderberger, C., Delgado, A., Wierschem, A. Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions. J. Vis. Exp. (132), e57238, doi:10.3791/57238 (2018).

View Video