Визуально на основе характеристик движения зарождающегося частиц в обычных подложек: от ламинарного турбулентных условиях

Движения зарождающегося частиц встречается в широком диапазоне промышленных и природных процессов. Экологические примеры включают начальный процесс отложения транспорт в реки и океаны, кровати эрозии или Дюна образование среди других ^1,2,3. Пневматической подачи⁴, удаление загрязняющих веществ или очистке поверхности^5,6 являются типичными промышленных применений, связанных с началом движения частиц.

Благодаря широкому спектру приложений начала движения частиц подробно изучено более столетия, главным образом под бурные условия^{7,8,9,10,11, 12,13,14,15}. Многие экспериментальные подходы применялись для определения порога для начала движения. Эти исследования включают в себя такие параметры, как частица Рейнольдс номер^{13,16,17,18,19,20}, относительная потока погружения ^{21 , 22 , 23 , 24} или геометрические факторы, как угол почивают^16,18,25, воздействие потока^26,27,28,29, относительный зерна выступ²⁹ или streamwise кровать склона³⁰.

Текущие данные для порога, включая турбулентных условиях широко разбросаны^{31 12,}и результаты часто кажутся несовместимыми²⁴. Это главным образом объясняется сложность контроля или определения параметров потока под бурные условия^13,14. Кроме того порог для движения осадков сильно зависит от режима движения, то есть раздвижные, прокатки или подъема¹⁷ и критерий характеризовать зарождающегося движения³¹. Последний может быть неоднозначной на кровати коррозионно-опасных отложений.

В течение последнего десятилетия экспериментальные исследователи изучили движения зарождающегося частиц в ламинарный потоки^{32,33,34,,3536,37, 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44}, где широкий спектр длина шкалы, взаимодействующих с кроватью, избегать⁴⁵. В многих практических сценариев, подразумевая седиментации, частицы очень малы и число Рейнольдса частиц остается ниже, чем около 5⁴⁶. С другой стороны ламинарный потоки способны генерировать геометрические узоры как рябь и дюны, как турбулентные потоки^42,47. Было показано, что similitudes в обеих схемах отразить что аналогии в базовой физики⁴⁷ так важно понимание для транспортировки частиц могут быть получены из лучше контролируется экспериментальной системы⁴⁸.

В ламинарного потока Charru et al. заметил, что местные перестановка гранулированных кровати равномерно размера бусин, так называемые кровать армирование, привели к прогрессивное увеличение порога для начала движения до насыщенных условий были достигнуты ³². литература, однако, показывает различные пороговые значения для насыщенных условий в скачками аранжированное отложений кровати в зависимости от экспериментальной установки^36,44. Это рассеяние может быть из-за сложности управления частиц параметров, таких как ориентация, выступ уровень и компактность отложений.

Основная цель этой рукописи является подробно описать как охарактеризовать зарождающегося движения одного сфер как функция геометрических свойств горизонтальной отложений кровати. Для этой цели мы используем регулярные геометрии, состоящий из монослои фиксированной бус, регулярно устраиваются согласно треугольной или квадратичной конфигураций. Похож на регулярные подложках, которые мы используем находятся в приложений, таких как шаблон-Ассамблея частиц в microfluidic анализов⁴⁹, самостоятельной сборки микросхемами в замкнутых геометрий структурированных⁵⁰ или внутренних частиц индуцированной Транспорт в микроканалов⁵¹. Что еще более важно использование регулярных субстратов позволяет нам подчеркнуть влияние местных геометрии и ориентации и во избежание любых неясностей, о роли окрестности.

В ламинарного потока мы наблюдали, что критическое количество щитов увеличен на 50% только в зависимости от расстояния между сферами субстрата и, таким образом, на экспозиции шарик для потока³⁸. Аналогичным образом, мы обнаружили, что критическое число Шилдс изменено до раза два в зависимости от ориентации субстрат для направления потока³⁸. Мы заметили, что неподвижные соседей влияют только на начала мобильных шарик если они были ближе, чем о трех частиц диаметром⁴¹. Вызваны результаты эксперимента, мы недавно представили строгий аналитическая модель, которая предсказывает критическое число Шилдс в ползучая предел потока⁴⁰. Модель охватывает начала движения от весьма подвержены скрытые бусины.

В первой части этой рукописи предложения с описанием экспериментальной процедуры, используемой в предыдущих исследованиях на сдвиг числа Рейнольдса, ре *, ниже, чем 1. Ламинарный поток наведено с вращения Реометр с параллельной конфигурации. В этой низкий предел числа Рейнольдса частица не должны испытывать каких-либо колебаний скорости²⁰ и система соответствует так называемой гидравлически гладкой потока, где частицы погружен в течение вязкой подслой.

После зарождающегося движения на ламинарный поток, роль турбулентности может проясниться. Руководствуясь этой идеи, мы представляем Роман экспериментальной процедуры во второй части протокола. С помощью Гёттинген низкой скорости аэродинамической трубе с открытым реактивного тестирования секции, критических Шилдс, номер может быть определена в широкий диапазон от ре * включая гидравлически переходного потока и турбулентного режима. Экспериментальные результаты может обеспечить важную информацию о как сил и моментов действовать на частицу вследствие турбулентного потока в зависимости от геометрии субстрата. Кроме того эти результаты могут использоваться как ориентир для более сложных моделей на высокие ре * в Аналогичным образом, что последние работы в ламинарный поток был использован кормить полу вероятностные модели⁵² или проверить последние численные модели⁵³. Мы представляем некоторые показательные примеры приложений в ре * от 40 до 150.

Зарождающегося критерий устанавливается как движения одной частицы от его начального равновесия к следующему. Обработка изображений используется для определения режима начала движения, т.е. качения, скольжения, лифтинг^39,41. Для этой цели обнаруживается угол поворота мобильных сфер, которые ознаменовались вручную. Алгоритм отслеживает положение знаков и сравнивает его с центром сферы. Предварительный набор экспериментов было проведено в обеих экспериментальных установок для уточнения, что критическое число Шилдс остается независимо от конечного размера эффектов настройки и относительной потока погружения. Таким образом экспериментальные методы предназначены для исключения любого другого параметра, зависит от критического числа щитов за ре * и геометрических свойств осадков кровати. Ре * очень разнообразен, с использованием различных комбинаций жидкость частицу. Критическое количество щитов характеризуется как функция захоронения степени, , определяется Мартино и др. ³⁷ как где является угол естественного откоса, т.е. критический угол на котором движение происходит⁵⁴, и — это степень воздействия, определяется как соотношение между площадь поперечного сечения, эффективно воздействию потока с Общая площадь поперечного сечения мобильных шарик.