Basée visuellement caractérisation du mouvement particule naissante dans les substrats régulières : de laminaire à turbulence

Mouvement de la particule naissante est rencontrée dans une vaste gamme de processus industriels et naturels. Environnement on peut citer le processus initial de sédiments dans la rivière et des Océans, érosion du lit ou la formation dune entre autres de transport ^1,2,3. Pneumatique transport⁴, enlèvement de polluants ou de nettoyage de surfaces^5,,⁶ sont des applications industrielles typiques impliquant l’apparition du mouvement de la particule.

En raison de la large gamme d’applications, le début du mouvement de la particule a été particulièrement étudié plus d’un siècle, pour la plupart sous conditions turbulentes^{7,8,9,10,11, 12,13,14,15}. Plusieurs approches expérimentales ont été appliqués pour déterminer le seuil d’apparition de mouvement. Les études comprennent des paramètres tels que la particule Reynolds numéro^{13,16,17,18,19,20}, la submersion de débit relatif ^{21 , 22 , 23 , 24} ou facteurs géométriques comme l’angle de reposent^16,18,25, exposition à l’écoulement^26,27,28,29, grain relative protrusion²⁹ ou lit longitudinale pente³⁰.

Les données actuelles pour le seuil, y compris des conditions turbulentes sont largement dispersées^12,31 et les résultats semblent souvent incohérente²⁴. C’est principalement en raison de la complexité inhérente de contrôler et de déterminer les paramètres de débit sous conditions turbulentes^13,14. En outre, le seuil pour le mouvement des sédiments dépend fortement de la mode de mouvement, c’est-à-dire coulissants, roulants ou levage¹⁷ et le critère pour caractériser le mouvement naissant³¹. Ce dernier peut être ambiguë d’un lit de sédiments érodés.

Au cours de la dernière décennie, chercheurs expérimentaux ont étudié mouvement naissant de particules dans des écoulements laminaires^{32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44}, où le large spectre d’échelles de longueur en interaction avec le lit est évitée⁴⁵. Dans de nombreux scénarios pratiques impliquant la sédimentation, les particules sont assez petites et la particule de nombre de Reynolds reste inférieure à environ 5⁴⁶. En revanche, des écoulements laminaires sont capables de générer des motifs géométriques comme les ondulations et les dunes comme écoulements turbulents font^42,47. Similitudes dans les deux schémas montrent pour tenir compte des analogies dans la physique sous-jacente⁴⁷ donc des perspectives importantes pour le transport de particules peuvent être obtenues une meilleure contrôlé système expérimental⁴⁸.

En écoulement laminaire, Charru et coll. a remarqué que le réarrangement local d’un lit granulaire des perles uniformément tailles, lit ce qu’on appelle perrés, a entraîné une augmentation progressive du seuil d’apparition de mouvement jusqu’à ce que des conditions saturées ont été atteints ³². la littérature, cependant, révèle des seuils différents pour les conditions de saturation dans les lits de sédiments irrégulièrement disposées selon le contexte expérimental^36,44. Cette diffusion peut être dû à la difficulté de contrôle paramètres de particules comme orientation, le niveau de la protubérance et compacité des sédiments.

L’objectif principal de ce manuscrit est de décrire en détail comment caractériser le mouvement naissant des sphères unique en fonction des propriétés géométriques du lit sédiments horizontaux. À cette fin, nous utilisons des géométries régulières, consistant en monocouches de perles fixes régulièrement disposés selon des configurations triangulaires ou quadratiques. Semblable à des substrats régulières que nous utilisons sont trouvent dans des applications comme pour le modèle-assemblage de particules dans les dosages microfluidique⁴⁹, auto-assemblage des micro-dispositifs intrinsèque ou en clos structuré géométries⁵⁰ provoquées par les particules transport en microcanaux⁵¹. Plus important encore, en utilisant des substrats régulières nous permet de mettre en évidence l’impact de la géométrie locale et d’orientation et d’éviter tout dubiety sur le rôle du quartier.

En écoulement laminaire, nous avons observé que le nombre critique de Shields a augmenté de 50 % seulement selon l’espacement entre les sphères du substrat et donc sur l’exposition du talon à l’ écoulement³⁸. De même, nous avons constaté que le nombre critique de boucliers modifiés par jusqu’à un facteur de deux selon l’orientation du substrat à la direction de débit³⁸. Nous avons remarqué que voisins immobiles ne touchent que l’apparition du talon mobile s’ils étaient moins de particules environ trois diamètres⁴¹. Déclenchée par les conclusions de l’expérience, nous avons récemment présenté un modèle analytique rigoureux qui prédit le nombre critique de boucliers rampante débit limite⁴⁰. Le modèle couvre le début du mouvement de très exposés aux perles cachées.

La première partie de ce manuscrit porte sur la description de la méthode expérimentale utilisée dans des études antérieures au cisaillement nombre de Reynolds, Re *, inférieure à 1. L’écoulement laminaire est induite par un rhéomètre rotationnel avec une configuration parallèle. Dans cette faible limite de nombre de Reynolds, la particule n’est pas censé pour éprouver toute fluctuation de vitesse²⁰ et le système correspond à la soi-disant hydrauliquement fluidité où la particule est immergée dans la sous-couche visqueuse.

Une fois que le mouvement naissant à flux laminaire est établie, le rôle de la turbulence peut devenir plus clair. Motivé par cette idée, nous introduisons une nouvelle procédure expérimentale dans la deuxième partie du protocole. En utilisant un tunnel de vent de basse vitesse Göttingen avec section d’essai jet ouvert, les boucliers critiques nombre peut être déterminé dans une large gamme de Re * y compris le débit hydraulique transitoire et le régime turbulent. Les résultats expérimentaux peuvent fournir un important aperçu sur comment les forces et couples agissent sur une particule en raison de l’écoulement turbulent selon la géométrie du substrat. En outre, ces résultats peuvent servir comme point de repère pour des modèles plus élaborés à haute Re * de la même manière que les travaux antérieurs en écoulement laminaire a été utilisée pour alimenter les modèles probabilistes de semi⁵² ou à valider ces dernières modèles numériques⁵³. Nous présentons quelques exemples représentatifs des demandes de Re * allant de 40 à 150.

Le critère naissant est établi comme le mouvement de la particule unique de sa position d’équilibre initial à la suivante. Traitement de l’image est utilisée pour déterminer le mode d’apparition du mouvement, c’est-à-dire rouler, glisser, levage^39,41. À cette fin, l’angle de rotation des sphères mobiles qui ont été marqués manuellement est détecté. L’algorithme suit la position des marques et la compare avec le centre de la sphère. Une première série d’expériences a été menée dans les deux configurations expérimentales de préciser que le nombre de boucliers critique reste indépendant des effets de taille finie de l’installation et la submersion du débit relatif. Les méthodes expérimentales sont donc conçus pour exclure tout autre paramètre dépend du nombre de boucliers critique au-delà de Re * et les propriétés géométriques du lit sédiments. La Re * est modifiée à l’aide de différentes combinaisons de particule fluide. Le nombre critique de boucliers se caractérise en fonction du degré funéraire, , définie par Martino et al. ³⁷ comme où est l’angle de repos, c’est-à-dire l’angle critique à laquelle le mouvement se produit⁵⁴, et est le degré d’exposition, défini comme le rapport entre l’aire transversale effectivement exposé au flux à la section transversale totale du talon mobile.