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

Jos&#233; R. Agudo; Jiwon Han; Jinyoung Park; Sinyoung Kwon; Soebiakto Loekman; Giovanni Luzi; Christoph Linderberger; Antonio Delgado; Andreas Wierschem

doi:10.3791/57238

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Engenharia

Visual basado en la caracterización de la propuesta del partícula incipiente en sustratos Regular: de Laminar a turbulentas condiciones

Published: February 22, 2018

doi:

10.3791/57238

José R. Agudo¹, Jiwon Han¹, Jinyoung Park¹, Sinyoung Kwon¹, Soebiakto Loekman², Giovanni Luzi¹, Christoph Linderberger³, Antonio Delgado^1,4, Andreas Wierschem⁴

¹Institute of Fluid Mechanics, FAU Busan Campus,University of Erlangen-Nuremberg, ²Institute of Chemical Reaction Engineering, FAU Busan Campus,University of Erlangen-Nuremberg, ³Institute of Bioprocess Engineering, FAU Busan Campus,University of Erlangen-Nuremberg, ⁴Institute of Fluid Mechanics,Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

Summary

Se presentan dos métodos diferentes para caracterizar el movimiento de la partícula incipiente de un solo grano en función de la geometría de la cama de sedimentos de laminar a turbulento.

Abstract

Se presentan dos métodos experimentales para determinar el umbral de movimiento de la partícula en función de las propiedades geométricas de la cama de laminar para condiciones de flujo turbulento. Para ello, el incipiente movimiento de un grano individual se estudia en sustratos regulares que constan de una monocapa de fijadas esferas de tamaño uniforme que se arreglan regularmente en simetrías triangulares y cuadráticas. El umbral se caracteriza por el número crítico de Shields. El criterio para el inicio del movimiento se define como el desplazamiento de la posición original de equilibrio a la vecina. El desplazamiento y el modo de movimiento se identifican con un sistema de proyección de imagen. El flujo laminar es inducido mediante un reómetro rotacional con una configuración de discos paralelos. La cizalla, el número de Reynolds es inferior a 1. El flujo turbulento es inducido en un túnel de viento de baja velocidad con sección de prueba de chorro abierto. La velocidad de aire se regula con un variador de frecuencia en el ventilador del soplador. El perfil de velocidad se mide con una sonda de hilo caliente conectada a un anemómetro de película caliente. El número de Reynolds del esquileo oscila entre 40 y 150. La ley logarítmica de la velocidad y la ley modificada pared presentado por Rotta se utilizan para deducir la velocidad de corte de los datos experimentales. El último es de especial interés cuando el talón móvil se expone parcialmente al flujo turbulento en el llamado régimen de flujo hidráulico transitorio. La tensión de esquileo se estima en el inicio del movimiento. Algunos resultados ilustrativos que muestran el fuerte impacto del ángulo de reposo y la exposición del grano al flujo del esquileo se representan en ambos regímenes.

Introduction

Movimiento incipiente de la partícula se encuentra en una amplia gama de procesos industriales y naturales. Ambientales por ejemplo el proceso inicial de sedimento transporte en río y los océanos, erosión de la cama o formación de dunas entre otras ¹^,²^,³. ⁴de transporte neumático, eliminación de contaminantes o limpieza de superficies⁵^,⁶ son aplicaciones industriales típicas que implica el inicio del movimiento de la partícula.

Debido a la amplia gama de aplicaciones, el inicio del movimiento de la partícula se ha estudiado extensivamente más de un siglo, sobre todo bajo condiciones turbulentas⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^, ¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵. Muchos enfoques experimentales se han aplicado para determinar el umbral para el inicio del movimiento. Los estudios incluyen parámetros como la partícula Reynolds número¹³^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰, la sumersión de flujo relativo ²¹ ^, ²² ^, ²³ ^, ²⁴ o factores geométricos como el ángulo de reposan¹⁶^,¹⁸^,²⁵, exposición al flujo²⁶^,²⁷^,²⁸^,²⁹, relativo grano saliente²⁹ o CBES cama cuesta³⁰.

Los datos actuales para el umbral incluyendo condiciones turbulentas se encuentran ampliamente dispersos¹²^,³¹ y los resultados a menudo parecen incompatibles²⁴. Esto se debe principalmente a la complejidad del control o determinación de parámetros de flujo bajo condiciones turbulentas¹³^,¹⁴. Además, el umbral para el movimiento del sedimento depende del modo de movimiento, es decir, deslizamiento, balanceo o elevación¹⁷ y el criterio para caracterizar el movimiento incipiente³¹. Este último puede ser ambiguo en un lecho de sedimentos erosionables.

Durante la última década, los investigadores experimentales han estudiado movimiento de partícula incipiente en flujos laminares³²^,³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷^, ³⁸ ^, ³⁹ ^, ⁴⁰ ^, ⁴¹ ^, ⁴² ^, ⁴³ ^, ⁴⁴, Dónde está el amplio espectro de escalas de la longitud con la cama evitar⁴⁵. En muchas situaciones prácticas que implica sedimentación, las partículas son muy pequeñas y el número de Reynolds de partícula sigue siendo inferior a aproximadamente 5⁴⁶. Por otro lado, flujos laminares son capaces de generar patrones geométricos como ondulaciones y dunas como flujos turbulentos⁴²^,⁴⁷. Similitudes en ambos regímenes se han demostrado para reflejar analogías en el subyacente física⁴⁷ para que penetración importante para el transporte de la partícula puede obtenerse un mejor control de sistema experimental⁴⁸.

En flujo laminar, Charru et al notar que el cambio de local de un lecho granular de granos de tamaños uniforme, cama supuesto blindaje, dio lugar a un aumento progresivo del umbral para el inicio del movimiento hasta que se lograron condiciones saturadas ³². literatura, sin embargo, revela diferentes umbrales para condiciones saturadas en lechos de sedimentos dispuestos irregularmente dependiendo el montaje experimental³⁶^,⁴⁴. Esta dispersión puede deberse a la dificultad de controlar parámetros de partículas tales como orientación, nivel de la protuberancia y compactación de los sedimentos.

El objetivo principal de este manuscrito es describir en detalle cómo caracterizar el incipiente movimiento de las esferas solo en función de las propiedades geométricas de la cama de sedimentos horizontales. Para ello, utilizamos geometrías regulares, que consiste en monocapas de granos fijadas regularmente dispuestos según configuraciones triangulares o cuadráticas. Substratos regulares similar al que utilizamos se encuentran en aplicaciones tales como para el conjunto de plantilla de partículas en microfluidos ensayos⁴⁹, uno mismo-Asamblea de microdispositivos en geometrías estructuradas confinados⁵⁰ o intrínseca inducida por partículas transporte en microcanales⁵¹. Lo más importante, utilizando sustratos regulares permite destacar el impacto de la geometría local y orientación y para evitar cualquier inseguridad acerca del papel del barrio.

En flujo laminar, se observó que el número crítico de Shields aumentó en un 50% sólo dependiendo de la separación entre las esferas de sustrato y, por tanto, en la exposición del grano para el flujo³⁸. Del mismo modo, encontramos que el número crítico de Shields cambiante por hasta un factor de dos dependiendo de la orientación del sustrato a la dirección de flujo³⁸. Nos dimos cuenta que vecinos inmóviles sólo afectan el inicio de la cuenta móvil si estuvieran más cercanas que cerca de tres partícula diámetro⁴¹. Desencadenada por los resultados del experimento, recientemente hemos presentado un modelo analítico riguroso que predice el número crítico de Shields en el arrastramiento flujo límite⁴⁰. El modelo cubre el inicio del movimiento de muy expuestos a perlas ocultas.

La primera parte de este manuscrito ocupa de la descripción del procedimiento experimental utilizado en estudios anteriores en el esquileo de número de Reynolds, Re *, menor que 1. El flujo laminar se induce con un reómetro rotacional con una configuración paralela. En este límite de número de Reynolds bajo, la partícula no se supone que cualquier fluctuación de velocidad²⁰ de experiencia y el sistema coincide con el supuesto flujo hidráulicamente liso si la partícula está sumergida dentro de la subcapa viscosa.

Una vez establecido el incipiente movimiento en flujo laminar, el papel de la turbulencia puede ser más claro. Motivado por esta idea, presentamos un novedoso procedimiento experimental en la segunda parte del protocolo. Utilizando un túnel de viento de baja velocidad de Göttingen con sección de prueba de chorro abierto, los escudos críticos número puede ser determinado en una amplia gama de Re * incluyendo el flujo hidráulico transitorio y régimen turbulento. Los resultados experimentales pueden proporcionar información importante acerca de cómo las fuerzas y pares actúan en una partícula debido al flujo turbulento dependiendo de la geometría del sustrato. Además, estos resultados pueden ser utilizados como punto de referencia para los modelos más sofisticados en alta Re * de manera similar que trabajo en flujo laminar en el pasado se ha utilizado para alimentar semi modelos probabilísticos⁵² o validar recientes modelos numéricos⁵³. Presentamos algunos ejemplos representativos de las aplicaciones en el Re * desde 40 hasta 150.

El incipiente criterio se establece como el movimiento de la partícula individual desde su posición de equilibrio inicial a otro. Procesamiento de imágenes se utiliza para determinar el modo de inicio del movimiento, es decir, rodar, resbalar, elevación³⁹^,⁴¹. Para ello, se detecta el ángulo de rotación de esferas móviles que fueron marcados manualmente. El algoritmo de seguimiento de la posición de las marcas y compara con el centro de la esfera. Un conjunto preliminar de experimentos se llevó a cabo en ambos montajes experimentales para aclarar que el número crítico de Shields sigue siendo independiente de los efectos de tamaño finito de la configuración y la inmersión de flujo relativa. Los métodos experimentales están diseñados así para excluir cualquier otro parámetro que depende del número de escudos crítico más allá de Re * y propiedades geométricas de la cama de sedimentos. La Re * es variada con diferentes combinaciones de partículas de fluido. El número crítico de Shields se caracteriza por ser una función del grado de entierro, , definido por Martino et al. ³⁷ como que es el ángulo de reposo, es decir, el ángulo crítico en que movimiento se produce⁵⁴, y es el grado de exposición, definido como el cociente entre el área transversal efectiva expuesto al flujo al área transversal total de la cuenta móvil.

Protocol

1. movimiento de partículas incipiente en el límite de flujo arrastramiento. Nota: Las mediciones se llevan a cabo en un reómetro rotacional que ha sido modificado para esta aplicación específica. Preparando el Reómetro. Conecte el suministro de aire para el Reómetro para evitar daños en los cojinetes de aire. Abra la válvula además de los filtros de aire hasta alcanza una presión de aproximadamente 5 bares en el sistema. Conecte la ci…

Representative Results

Figura 1 (a) representa un esquema del montaje experimental utilizado para caracterizar el número crítico de Shields en el límite de flujo arrastramiento, sección 1 del protocolo. Las mediciones se llevan a cabo en un reómetro rotacional que fue modificado para esta aplicación específica. Cuidadosamente se fijó una placa transparente de plexiglás de 70 mm de diámetro a una placa paralela de 25 mm de diámetro. La inercia del sistema…

Discussion

Presentamos dos métodos experimentales para caracterizar el movimiento incipiente de la partícula en función de la geometría de la cama de sedimentos. Para ello, utilizamos una monocapa de esferas dispuestas regularmente según una simetría triangular o cuadrática de tal manera que el parámetro geométrico se simplifica a una sola geometría. En el límite de flujo arrastramiento, describimos el método experimental en un rotámetro rotacional para inducir el flujo de corte laminar como en anteriores estudios<sup …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores están agradecidos a los árbitros desconocidos para valiosos consejos y Sukyung Choi, Byeongwoo Ko y Baekkyoung Shin para la colaboración en la configuración de los experimentos. Este trabajo fue apoyado por el proyecto cerebro Busan 21 en 2017.

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

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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).