Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden

Beginnende particle beweging wordt aangetroffen in een breed scala aan industriële en natuurlijke processen. Milieu voorbeelden zijn het eerste proces van sediment transport in rivier en oceanen, erosie van het bed of de vorming van het Duin o.a. ^1,2,3. Pneumatische transport⁴, verwijdering van verontreinigende stoffen of het reinigen van oppervlakken^5,6 zijn typische industriële toepassingen waarbij van het begin van de beweging van de deeltjes.

Vanwege de brede waaier van toepassingen, heeft het begin van de beweging van de deeltjes uitvoerig bestudeerd meer dan een eeuw, meestal onder turbulente omstandigheden^{7,8,9,10,11, 12,13,14,15}. Vele experimentele benaderingen zijn toegepast om te bepalen van de drempel voor het intreden van de beweging. De studies omvatten parameters zoals het deeltje Reynolds nummer^{13,16,17,18,19,20}, de relatieve stroom onderdompeling ^{21 , 22 , 23 , 24} of geometrische factoren als de hoek van rust^16,18,25, blootstelling aan de stroom^26,27,28,29, relatieve graan uitsteeksel²⁹ of³⁰helling streamwise bed.

De huidige gegevens voor de drempelwaarde waaronder turbulente omstandigheden verspreid zijn in grote lijnen^12,31 en de resultaten lijken vaak inconsistent²⁴. Dit is vooral te wijten aan de inherente complexiteit van beheren van of het bepalen van de parameters van de stroom onder turbulente omstandigheden^13,14. Bovendien, de drempel voor sediment motie sterk afhankelijk van de modus van de beweging, d.w.z. glijden, glooiende of hijs¹⁷ en het criterium te karakteriseren de beginnende beweging³¹. De laatste kan dubbelzinnig of worden in een bed van erosiegevoelige sediment.

Tijdens het laatste decennium, hebben experimentele onderzoekers bestudeerd beginnende particle beweging in laminaire stromen^32,33,34,35,^,36,^{,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44}, waar het brede spectrum van lengte schalen interactie met het bed is vermeden⁴⁵. In vele praktische scenario’s impliceert sedimentatie, de deeltjes zijn vrij klein en het deeltje Reynolds getal blijft lager dan ongeveer 5⁴⁶. Aan de andere kant, kunnen laminaire stromen genereren van geometrische patronen als rimpelingen en de duinen als turbulente stromen^42,47. Similitudes in beide regimes is aan analogieën in de onderliggende natuurkunde⁴⁷ dus belangrijk inzicht voor het vervoer van deeltje kan worden verkregen bij een beter gecontroleerd experimenteel systeem⁴⁸aangetoond.

In het laminaire flow, Charru et al. opgemerkt dat de lokale omlegging van een granulaire bed van uniform formaat kralen, zogenaamde bed pantser, geleid tot een geleidelijke verhoging van de drempel voor het intreden van de beweging tot verzadigde voorwaarden werden bereikt ³². literatuur, onthult echter verschillende drempels voor verzadigde voorwaarden in onregelmatig gearrangeerde sediment bedden afhankelijk van de experimentele opstelling^36,44. Deze verstrooiing kan te wijten zijn aan de moeilijkheid van controlerende deeltje parameters zoals afdrukstand, uitsteeksel niveau en compactheid van de sedimenten.

Het hoofddoel van dit manuscript is in detail te beschrijven hoe de beginnende beweging van één sferen te karakteriseren als een functie van de geometrische eigenschappen van de horizontale sediment bed. Voor dat doel gebruiken we regelmatig geometrieën, bestaande uit monolayers van vaste kralen regelmatig gerangschikt volgens driehoekige of kwadratische configuraties. Regelmatige substraten vergelijkbaar met die we gebruiken zijn gevonden in toepassingen zoals voor de sjabloon-montage van deeltjes in microfluidic assays⁴⁹, zelf-assemblage van microdevices in begrensde gestructureerde geometrieën⁵⁰ of intrinsieke deeltje-geïnduceerde vervoer in microchannels⁵¹. Nog belangrijker, met behulp van reguliere substraten stelt ons in staat wil het effect van lokale geometrie en oriëntatie en om te voorkomen dat eventuele angst over de rol van de buurt.

In laminaire flow vastgesteld we hebben dat de kritische Shields aantal verhoogd met 50% alleen afhankelijk van de afstand tussen de ondergrond en dus ook op de blootstelling van de parel aan de stroom-³⁸. Ook vonden we dat het kritisch Shields-nummer gewijzigd door tot een factor twee afhankelijk van de oriëntatie van het substraat tot en met de stroom richting³⁸. We hebben gemerkt dat immobiel buren alleen van invloed op het begin van de mobiele Parel als ze dichterbij dan ongeveer drie deeltje diameter^{41 waren}. Veroorzaakt door de bevindingen van het experiment, hebben we onlangs een rigoureuze analytische model dat het nummer van de kritische Shields in de sluipende stroom limiet^{40 voorspelt}gepresenteerd. Het model heeft betrekking op het begin van de beweging van sterk blootgesteld aan verborgen parels.

Het eerste deel van dit manuscript behandelt van de beschrijving van de experimentele procedure gebruikt in eerdere studies aan schuintrekken Reynolds getal, Re *, lager dan 1. De laminaire flow wordt geïnduceerd met een roterende rheometer met een parallelle configuratie. In deze Reynolds getal onderlimiet, het deeltje is niet verondersteld om te ervaren elke snelheid schommelingen²⁰ en het systeem overeenkomt met de zogenaamde hydraulisch vlotte doorstroming waar het deeltje binnen de viskeuze sublaag wordt ondergedompeld.

Zodra de beginnende beweging bij laminaire flow is gevestigd, kan de rol van turbulentie kan duidelijker zijn. Gemotiveerd door dit idee, introduceren wij een nieuwe experimentele procedure in het tweede deel van het protocol. Met behulp van een windtunnel van Göttingen lage snelheid met open jet test sectie, de kritische schilden nummer kan worden bepaald in een breed scala van Re * inclusief de hydraulisch overgangsperiode flow en de turbulente regime. De experimentele resultaten kunnen belangrijk inzicht over hoe de krachten en koppels op een deeltje als gevolg van de turbulente stroming afhankelijk van de geometrie van het substraat handelen. Bovendien, deze resultaten kunnen worden gebruikt als een maatstaf voor meer geavanceerde modellen op hoge Re * op een vergelijkbare manier dat afgelopen werk in laminaire flow is gebruikt om te voeden halve probabilistische modellen⁵² of valideren van recente numerieke modellen⁵³. Wij presenteren representatieve voorbeelden van toepassingen op Re * variërend van 40 tot 150.

De beginnende criterium is opgericht als de beweging van de enkel deeltje van de initiële evenwicht positie naar de volgende. Beeldverwerking is gebruikt om te bepalen van de wijze van begin van de beweging, d.w.z. rollen, glijden, heffen^39,41. Te dien einde, wordt de hoek van de rotatie van mobiele bollen die handmatig zijn gemarkeerd gedetecteerd. Het algoritme tracks van de positie van de merken en vergelijkt deze met het midden van het gebied. Een voorlopige reeks experimenten werd uitgevoerd in beide experimentele opstellingen te verduidelijken dat de kritische Shields nummer onafhankelijk van eindige grootte effecten van de set-up en de relatieve stroom onderdompeling blijft. De experimentele methoden zijn zo ontworpen om uit te sluiten van een andere parameter afhankelijk van de kritische Shields nummer buiten Re * en geometrische eigenschappen van het sediment bed. De Re * is gevarieerd, met behulp van verschillende combinaties van de vloeistof-deeltjes. De kritische Shields nummer wordt gekenmerkt als een functie van de begrafenis graad, , gedefinieerd door Martino et al. ³⁷ als waar is de hoek van rust, d.w.z. de kritische hoek op welke motion treedt op⁵⁴, en is de mate van blootstelling, gedefinieerd als de verhouding tussen de oppervlakte van de dwarsdoorsnede effectief blootgesteld aan de stroom om de totale oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de mobiele Parel.