Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

Movimento de partícula incipiente é encontrado em uma ampla gama de processos industriais e naturais. Ambientais são exemplos o processo inicial de sedimento transporte no rio e oceanos, erosão de cama ou formação de dunas, entre outros, ^1,2,3. Pneumático, transportando⁴, remoção de poluentes ou limpeza de superfícies^5,6 são aplicações industriais típicas, envolvendo o início do movimento da partícula.

Devido à ampla variedade de aplicações, o início do movimento da partícula foi estudado extensivamente ao longo de um século, principalmente sob condições turbulentas^{7,8,9,10,11, 12,13,14,15}. Muitas abordagens experimentais foram aplicadas para determinar o limiar para o início do movimento. Os estudos incluem parâmetros tais como a partícula Reynolds número^{13,16,17,18,19,20}, a submersão de fluxo relativo ^{21 , 22 , 23 , 24} ou fatores geométricos como o ângulo do repose^16,18,25, exposição para o fluxo^26,,^27,28,29, protrusão de grão relativo²⁹ ou cama streamwise inclinação³⁰.

Os dados atuais para o limiar incluindo condições turbulentas estão amplamente espalhados^12,31 , e os resultados muitas vezes parecem inconsistentes²⁴. Isto é principalmente devido à complexidade inerente de controlar ou determinar parâmetros de fluxo sob condições turbulentas^13,14. Além disso, o limiar para o movimento de sedimentos depende fortemente o modo de movimento, ou seja, deslizamento, rolamento ou levantamento¹⁷ e o critério para caracterizar o incipiente movimento³¹. Este último pode ser ambíguo em uma cama de sedimentos erodíveis.

Durante a última década, experimentais pesquisadores estudaram o movimento da partícula incipiente em fluxos laminar^{32,33,34,35,36,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44}, onde o amplo espectro de escalas de comprimento interagindo com a cama é evitado⁴⁵. Em muitos cenários práticos que implica sedimentação, as partículas são muito pequenas e a partícula, o número de Reynolds permanece inferior a cerca de 5⁴⁶. Por outro lado, os fluxos laminar são capazes de gerar padrões geométricos como ondulações e dunas como escoamentos turbulentos do^42,47. Similitudes em ambos os regimes foram mostrados para refletir as analogias no subjacente física⁴⁷ então uma visão importante para o transporte de partículas pode ser obtida um melhor controlado sistema experimental⁴⁸.

No fluxo laminar, Charru et al notou que o rearranjo de local de um leito granular de grânulos de tamanhos uniforme, chamado cama blindagem, resultou em um aumento progressivo do limiar para o início do movimento até condições saturadas foram alcançadas ³². no entanto, a literatura, revela diferentes limiares para condições saturadas em camas de sedimentos irregularmente arranjados dependendo da montagem experimental^36,44. Essa dispersão pode ser devido à dificuldade de controlar parâmetros de partículas tais como orientação, nível de saliência e compactação dos sedimentos.

O objetivo principal deste manuscrito é descrever em detalhe como caracterizar o incipiente movimento de esferas única em função das Propriedades geométricas da cama horizontal de sedimentos. Para o efeito, usamos geometrias regulares, consistindo de monocamadas de grânulos fixos regularmente organizadas de acordo com configurações triangulares ou quadráticas. Substratos regulares semelhantes ao que usamos são encontrados em aplicações tais como para o modelo-conjunto de partículas em ensaios microfluidic⁴⁹, auto-montagem de microdevices em geometrias estruturado confinados⁵⁰ ou intrínseco induzida por partículas transporte em microcanais⁵¹. Mais importante, usar substratos regulares permite-nos para destacar o impacto da geometria local e orientação e para evitar qualquer dubiety sobre o papel da vizinhança.

No fluxo laminar, observamos que o número de escudos a crítica aumentou 50% apenas dependendo do espaçamento entre as esferas de substrato e, portanto, sobre a exposição do talão para o fluxo de³⁸. Da mesma forma, nós encontramos que o número de escudos crítico alterado por até um fator de dois, dependendo da orientação do substrato para a direção de fluxo³⁸. Notamos que imóveis vizinhos afetam apenas o início da esfera móvel se estivessem mais perto do que a partícula sobre três diâmetros⁴¹. Desencadeada pelas conclusões do experimento, recentemente apresentamos um modelo analítico rigoroso que prevê o número crítico de escudos no rastejamento fluxo limite⁴⁰. O modelo abrange o início do movimento de altamente expostos para contas ocultas.

A primeira parte do manuscrito lida com a descrição do procedimento experimental utilizado em estudos anteriores no cisalhamento número de Reynolds, Re *, menor que 1. O fluxo laminar é induzido com uma rotação rheometer com uma configuração paralela. Este limite de número de Reynolds baixo, a partícula não é para qualquer flutuação de velocidade²⁰ de experiência e o sistema coincide com o chamado fluxo hidraulicamente suave onde a partícula está submersa dentro da subcamada viscosa.

Uma vez que o incipiente movimento no fluxo laminar é estabelecido, o papel da turbulência pode tornar-se mais claro. Motivado por esta ideia, nós introduzimos um novo procedimento experimental na segunda parte do protocolo. Usando um túnel de vento de baixa velocidade de Göttingen com seção de teste do jato aberto, os escudos críticos número pode ser determinado em uma ampla gama de Re * incluindo o fluxo hidraulicamente transitório e regime turbulento. Os resultados experimentais podem fornecer uma importante visão sobre como as forças e torques agem sobre uma partícula devido ao fluxo turbulento, dependendo da geometria do substrato. Além disso, estes resultados podem ser usados como referência para modelos mais sofisticados em alta Re * da mesma forma que o trabalho passado em fluxo laminar tem sido utilizado para alimentar semi modelos probabilísticos⁵² ou validar recentes modelos numéricos⁵³. Apresentamos alguns exemplos representativos de aplicações em Re * variando de 40 a 150.

O critério incipiente é estabelecido como o movimento da partícula única da posição de equilíbrio inicial para a próxima. Processamento de imagem é usado para determinar o modo de início do movimento, ou seja, rolamento, deslizamento, levantamento de^39,41. Para esse efeito, o ângulo de rotação das esferas móveis que foram marcados manualmente é detectado. O algoritmo rastreia a posição das marcas e compara-o com o centro da esfera. Um conjunto preliminar de experimentos foi realizado em ambos os set-ups experimentais para esclarecer que o número de escudos a crítica continua a ser independente dos efeitos de tamanho finito do set-up e submersão de fluxo relativo. Os métodos experimentais destinam-se, portanto, para excluir qualquer outro parâmetro depende do número de escudos crítico além do Re * e Propriedades geométricas da cama sedimento. O Re * é variada usando diferentes combinações de fluido-partícula. O número de escudos crítico é caracterizado em função do grau de enterro, , definido por Martino et al ³⁷ como onde é o ângulo de repouso, ou seja, o ângulo crítico, no qual movimento ocorre⁵⁴, e é o grau de exposição, definido como a razão entre a área transversal efetivamente exposta ao fluxo de a área transversal total da esfera móvel.