Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Moto incipiente della particella viene rilevata in una vasta gamma di processi industriali e naturali. Ambientali sono esempi il processo iniziale di sedimento trasporto nel fiume e oceani, erosione del letto o della formazione di dune tra gli altri ^1,2,3. ⁴il trasporto pneumatico, rimozione delle sostanze inquinanti o la pulizia di superfici^5,6 sono tipiche applicazioni industriali che comportano l’insorgenza di moto delle particelle.

Dovuto la vasta gamma di applicazioni, l’inizio del moto delle particelle è stato ampiamente studiato oltre un secolo, principalmente in condizioni turbolente^{7,8,9,10,11, 12,13,14,15}. Molti approcci sperimentali sono stati applicati per determinare la soglia per l’inizio del movimento. Gli studi comprendono parametri quali la particella Reynolds numero^{13,16,17,18,19,20}, la sommersione di flusso relativa ^{21 , 22 , 23 , 24} o fattori geometrici come l’angolo di riposano^16,18,25, esposizione al flusso^26,27,28,29, grano relativa protrusione²⁹ o letto longitudinale pendenza³⁰.

I dati correnti per la soglia tra cui condizioni di turbolenza sono ampiamente sparsi in^12,31 e i risultati sembrano spesso incoerente²⁴. Ciò è principalmente dovuto la complessità intrinseca di controllo o di determinare i parametri di flusso in condizioni turbolente^13,14. Inoltre, la soglia per il movimento dei sedimenti dipende fortemente la modalità di movimento, cioè scivolamento, rotolamento o sollevamento¹⁷ e il criterio per caratterizzare il movimento incipiente³¹. Quest’ultimo può risultare ambiguo in un letto di sedimenti erodibili.

Durante l’ultimo decennio, i ricercatori sperimentali hanno studiato movimento incipiente delle particelle in flussi laminari^{32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44}, dove l’ampia gamma di scale di lunghezza, interagendo con il letto è evitato⁴⁵. In molti scenari pratici che implica la sedimentazione, le particelle sono abbastanza piccole e la particella numero di Reynolds rimane inferiore a circa 5⁴⁶. D’altra parte, i flussi laminari sono in grado di generare schemi geometrici come increspature e dune come flussi turbolenti fanno^42,47. Similitudini in entrambi i regimi sono stati indicati per riflettere analogie nel sottostante fisica⁴⁷ così comprensione importante per il trasporto delle particelle possa essere ottenuti da una migliore controllato sistema sperimentale⁴⁸.

A flusso laminare, Charru et al ha notato che la riorganizzazione locale un letto granulare di dimensioni perline, cosiddetto letto armatura, ha provocato un progressivo aumento della soglia per l’insorgenza di movimento fino a condizioni di saturazione sono stati raggiunti ³². letteratura, tuttavia, rivela diverse soglie per condizioni di saturazione in letti di sedimento irregolarmente disposte a seconda il set-up sperimentale^36,44. Questa dispersione può essere dovuta alla difficoltà di controllare i parametri delle particelle come orientamento, livello di sporgenza e compattezza dei sedimenti.

L’obiettivo principale di questo manoscritto è quello di descrivere in dettaglio come caratterizzare il movimento incipiente delle singole sfere in funzione delle proprietà geometriche del letto orizzontale sedimento. A tal fine, utilizziamo geometrie regolari, costituito da strati monomolecolari di perline fissi regolarmente organizzati secondo configurazioni triangolari o quadratiche. Substrati regolari simili a che usiamo sono trovati in applicazioni come per il modello-assemblaggio di particelle in saggi microfluidici⁴⁹, auto-assemblaggio di microdispositivi in geometrie strutturato confinati⁵⁰ o intrinseco indotta da particelle trasporto a microcanali⁵¹. Ancora più importante, utilizzando substrati regolare ci permette di evidenziare l’impatto della geometria locale e orientamento e di evitare qualsiasi dubiety circa il ruolo del quartiere.

A flusso laminare, abbiamo osservato che il numero di scudi critico aumentato del 50% solo a seconda della spaziatura tra le sfere di substrato e quindi sull’esposizione del tallone al flusso³⁸. Allo stesso modo, abbiamo trovato che il numero di scudi critico cambiato da fino a un fattore di due a seconda dell’orientamento del substrato per la direzione di flusso³⁸. Abbiamo notato che immobili vicini riguardano solo l’inizio del tallone mobile se fossero più vicini di particella circa tre diametri⁴¹. Innescati i risultati dell’esperimento, abbiamo recentemente presentato un rigoroso modello analitico che predice il numero critico di scudi nella strisciante flusso limite⁴⁰. Il modello copre l’insorgenza di movimento da altamente esposti a perle nascoste.

La prima parte di questo manoscritto si occupa con la descrizione delle procedure sperimentali utilizzata negli studi precedenti a forze di taglio numero di Reynolds, Re *, inferiore a 1. Il flusso laminare è indotta con un reometro rotazionale con una configurazione in parallelo. In questo basso limite di numero di Reynolds, la particella non dovrebbe per sperimentare qualsiasi fluttuazione di velocità²⁰ e il sistema corrisponda il cosiddetto flusso idraulicamente liscio dove la particella è sommerso all’interno il sottolivello viscoso.

Una volta stabilita la incipiente movimento a flusso laminare, il ruolo della turbolenza può diventare più chiaro. Motivati da questa idea, introduciamo una procedura sperimentale romanzo nella seconda parte del protocollo. Utilizzando una galleria di bassa velocità del vento Gottinga con sezione di prova aperta jet, gli scudi critici numero può essere determinato in una vasta gamma di Re * compreso il flusso idraulicamente transitorio e regime turbolento. I risultati sperimentali possono fornire la comprensione importante su come forze e coppie agire su una particella a causa del flusso turbolento a seconda della geometria del substrato. Inoltre, questi risultati utilizzabile come punto di riferimento per i modelli più sofisticati alle alta Re * in un modo simile che lavoro passato a flusso laminare è stato utilizzato per alimentare dei semi modelli probabilistici⁵² o per convalidare recenti modelli numerici⁵³. Vi presentiamo alcuni esempi rappresentativi delle applicazioni presso Re * che vanno da 40 a 150.

Il criterio di incipiente è stabilito come il moto di una particella singola dalla sua posizione di equilibrio iniziale a quella successiva. Elaborazione delle immagini viene utilizzato per determinare la modalità di inizio del movimento, cioè rotolamento, scorrevole, sollevamento^39,41. A tale scopo, viene rilevato l’angolo di rotazione delle sfere mobili che sono stati contrassegnati manualmente. L’algoritmo rileva la posizione dei segni e lo confronta con il centro della sfera. Un primo insieme di esperimenti è stata condotta in due set-up sperimentale per chiarire che il numero di scudi critico rimane indipendente degli effetti di dimensioni finite del set-up e sommersione di flusso relativa. I metodi sperimentali così sono progettati per escludere qualsiasi altro parametro dipendono dal numero di scudi critico oltre proprietà geometriche del letto sedimento e Re *. Re * è vario utilizzando diverse combinazioni di fluido-particelle. Il numero di scudi critico è caratterizzato in funzione del grado sepoltura, , definito da Martino et al. ³⁷ come dove è l’angolo di riposo, cioè l’angolo critico al quale movimento si verifica⁵⁴, e è il grado di esposizione, definito come il rapporto tra l’area della sezione trasversale efficacemente esposto al flusso all’area della sezione trasversale totale del tallone mobile.