Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

Beginnende Partikelbewegung ist in den unterschiedlichsten industriellen und natürlichen Prozessen aufgetreten. Ökologischen Beispiele sind den ersten Prozess von Sediment transport im Fluss und Ozeane, Bett Erosion oder Düne Bildung u. a. ^1,2,3. Pneumatische Förderung⁴, Beseitigung von Schadstoffen oder Reinigung der Oberflächen^5,6 sind typische industrielle Anwendungen mit Beginn der Partikelbewegung.

Aufgrund der breiten Palette von Anwendungen wurde der Beginn der Teilchenbewegung mehr als ein Jahrhundert, vor allem unter turbulenten Bedingungen^{7,8,9,10,11ausgiebig studiert, 12,13,14,15}. Viele experimentelle Ansätze wurden angewendet, um den Schwellenwert für den Beginn der Bewegung bestimmen. Die Studien umfassen Parameter wie das Teilchen Reynolds Zahl^{13,16,17,18,19,20}, die relativen untertauchen ^{21 , 22 , 23 , 24} oder geometrischen Faktoren als der Winkel des ruhen^16,18,25, Belastung durch die Strömung^26,27,28,29, relative Korn Vorsprung²⁹ oder streamwise Bett Steigung³⁰.

Die aktuellen Daten für die Schwelle in turbulenten Bedingungen einschließlich^12,31 breit verstreut sind und die Ergebnisse scheinen oft inkonsistente²⁴. Dies ist vor allem aufgrund der Komplexität der Kontrolle oder der Bestimmung Strömungsparameter unter turbulenten Bedingungen^13,14. Außerdem hängt die Schwelle für Sediment Bewegung stark von der Art der Bewegung, d.h. Rutschen, rollende oder anhebende¹⁷ und das Kriterium der beginnende Bewegung³¹zu charakterisieren. Letzteres kann in einem Bett erosionsgefährdet Sediment mehrdeutig sein.

Während des letzten Jahrzehnts haben experimentelle Forscher untersuchten beginnende Partikelbewegung laminare Strömungen^{32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44}, wo befindet sich das breite Spektrum der Längenskalen Interaktion mit dem Bett vermieden⁴⁵. In vielen praktischen Szenarien impliziert Sedimentation der Partikel sind recht klein und das Teilchen Reynolds-Zahl bleibt niedriger als etwa 5⁴⁶. Auf der anderen Seite sind laminare Strömungen in der Lage, geometrische Mustern als Wellen und Dünen zu generieren, wie turbulente Strömungen^42,47. Gleichnisse in beide Therapien haben gezeigt, zu reflektieren, Analogien in der zugrundeliegenden Physik⁴⁷ damit wichtige Erkenntnisse für die Teilchentransport kann eine bessere beigezogen werden Experimentiersystem⁴⁸gesteuert.

In Laminar-Flow bemerkte Charru Et Al. , dass die lokalen Umlagerung von einem körnigen Bett gleichmäßig große Kügelchen, so genannte Bett Armierung, führte zu einer schrittweisen Anhebung der Schwelle für das Auftreten von Bewegung bis gesättigte Bedingungen erreicht wurden ³². Literatur, zeigt jedoch unterschiedliche Schwellenwerte für gesättigte Bedingungen in unregelmäßig angeordneten Sediment Betten je nach Versuchsaufbau^36,44. Diese Streuung möglicherweise aufgrund der Schwierigkeiten der kontrollierenden Partikel Parameter wie Ausrichtung, Vorwölbung Ebene und Kompaktheit der Sedimente.

Das Hauptziel dieser Handschrift ist im Detail beschreiben, wie die beginnende Bewegung der einzelnen Kugeln als Funktion der geometrischen Eigenschaften des Bettes horizontale Sediment zu charakterisieren. Zu diesem Zweck verwenden wir regelmäßige Geometrien, bestehend aus Monolagen feste Kügelchen, die regelmäßig nach dreieckigen oder quadratischen Konfigurationen geordnet. Ähnlich wie regelmäßige Substrate, die wir verwenden sind Anwendungen wie z. B. für die Vorlage-Montage von Partikeln in mikrofluidischen Assays⁴⁹, Selbstmontage des Abformverfahren in geschlossenen strukturierten Geometrien⁵⁰ oder intrinsische Partikel-induzierte entnehmen Sie bitte Transport in Mikrokanälen⁵¹. Noch wichtiger ist, ermöglicht es mit regelmäßigen Substrate, markieren Sie die Auswirkungen der lokalen Geometrie und Orientierung und Schrecksekunde über die Rolle der Nachbarschaft zu vermeiden.

In Laminar-Flow beobachteten wir, dass die kritische Schilde von 50 % nur je nach Abstand zwischen Substrat und damit auf die Belichtung des Wulstes, der Fluss³⁸gestiegen. Auch wir fanden, dass die kritische Zahl der Schilde von bis zu einem Faktor von zwei je nach Ausrichtung des Substrates auf die Strömung Richtung³⁸geändert. Wir haben festgestellt, dass unbewegliche Nachbarn nur den Beginn des mobilen Wulstes beeinflussen, wenn sie näher als etwa drei Partikel Durchmesser⁴¹waren. Ausgelöst durch die Experiment-Ergebnisse, haben wir vor kurzem eine rigorose Berechnungsmodell vorgestellt, die die kritische Zahl der Schilde in den schleichenden Fluss Grenze⁴⁰vorhersagt. Das Modell deckt den Beginn der Bewegung von versteckten Perlen sehr ausgesetzt.

Der erste Teil dieser Handschrift befasst sich mit der Beschreibung der experimentellen Verfahren verwendet in früheren Studien auf Scherung Reynolds-Zahl Re *, niedriger als 1. Die laminare Strömung wird mit einem rotatorischen Rheometer mit einer parallelen Konfiguration induziert. In dieser niedrigen Reynolds Zahl Grenze das Teilchen soll nicht um jede Geschwindigkeit Schwankungen²⁰ zu erleben und das System passt die sogenannten hydraulisch glatt Flow, wo die Partikel innerhalb der Viskose Unterschicht untergetaucht ist.

Sobald beginnende Bewegung bei Laminar-Flow besteht, kann die Rolle der Turbulenzen klarer geworden. Motiviert durch diese Idee, stellen wir ein neuartige experimentelle Verfahren im zweiten Teil des Protokolls. Verwende Lowspeed Windkanal Göttingen mit offenen Jet-Messstrecke, die kritische Schilde Zahl in eine breite Palette von Re * einschließlich hydraulisch Übergangs fließen und das turbulente Regime bestimmt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über Kräfte und Drehmomente auf ein Teilchen aufgrund der turbulenten Strömung je nach Substrat Geometrie Verhalten. Außerdem können diese Ergebnisse als Maßstab für komplexere Modelle auf hohe Re * in ähnlicher Weise verwendet werden, dass bisherige Arbeit in Laminar-Flow, Semi-probabilistische Modelle⁵² zu ernähren oder den letzten numerischen Modellen⁵³zu überprüfen verwendet worden ist. Wir präsentieren einige repräsentative Beispiele für Anwendungen bei Re * zwischen 40 und 150.

Die beginnende Kriterium ist als die Bewegung des Teilchens von seiner anfänglichen Gleichgewichtslage zur nächsten etabliert. Bildverarbeitung wird verwendet, um den Modus der Beginn der Bewegung, d.h. ermitteln Rollen, schieben, heben^39,41. Zu diesem Zweck wird der Drehwinkel des mobilen Sphären, die manuell gekennzeichnet wurden erkannt. Der Algorithmus ermittelt die Position der Marken und vergleicht es mit dem Mittelpunkt der Kugel. Eine erste Reihe von Experimenten führte in beiden Versuchsanordnungen zu klären, dass die kritische Zahl der Schilde unabhängig von endlicher Größeneffekte des Set-up und relativen untertauchen bleibt. Die experimentellen Methoden sollen somit einen anderen Parameter hängt von der kritischen Schilde Anzahl jenseits Re * und geometrischen Eigenschaften des Bettes Sediment auszuschließen. Re * ist abwechslungsreich mit verschiedenen Flüssigkeit-Partikel-Kombinationen. Die kritische Zahl der Schilde zeichnet sich als eine Funktion der Bestattung Grad, , definierte von Martino Et Al. ³⁷ als wo ist der Winkel des Ausruhens, d. h. der Grenzwinkel bei welcher Bewegung^{54 tritt}, und ist die Exposition, definiert als das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche, die effektiv die Strömung ausgesetzt um die totale Querschnittsfläche des mobilen Wulstes.