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

Целью данной экспериментальной процедуры является количественная оценка влияния геометрии слоя осадочных пород на зарождающееся движение частиц с использованием регулярных подложек, состоящих из монослоев неподвижных шариков, регулярно расположенных в соответствии с треугольными или квадратичными конфигурациями. Зарождающееся движение частиц обнаруживается в широком спектре промышленных применений, таких как очистка поверхностей, удаление загрязняющих веществ, процессы фильтрации или микрофлюидика, включая сборку шаблонов микрочастиц. Основное преимущество использования обычных субстратов заключается в том, что мы можем проанализировать влияние ориентации геометрии локального слоя осадочных пород, избегая любых сомнений относительно роли соседства.

Мы предлагаем два различных метода для охвата широкого диапазона числа частиц Рейнольдса, от предела ползучего потока до гидравлически грубого потока. Результаты этого метода также могут помочь нам понять влияние геометрии местного слоя на природные процессы, такие как перенос осадков или эрозия зернового слоя. Визуальная демонстрация этого метода важна, так как использование вращательного реометра, например, может быть нераспространенным для гидродинамических приложений с частицами.

Демонстрировать метод с аэродинамической трубой будет Дживон Хан, аспирантка нашей лаборатории, которая только что защитила магистерскую диссертацию на эту тему. Эти измерения происходят во вращающемся реометре. Реометр модифицирован для включения в него специального круглого прозрачного контейнера.

Имеется встроенное предметное стекло микроскопа для улучшения визуализации. Дно контейнера имеет обычную подложку, примеры которой приведены на этой схеме, которая обеспечивает обзор установки, включая две цифровые камеры и два источника света. Подготовьте реометр к нормальной работе.

Затем поместите индивидуальный адаптер на пластину реометра, также установите контейнер с субстратом поверх пластины. Убедитесь, что предметное стекло микроскопа направлено на камеру. Запустите реометр и его программное обеспечение, инициализируйте его и установите температуру.

Далее приобретите вращающийся диск по индивидуальному заказу. Это прозрачная пластина из акрилового стекла диаметром 70 миллиметров, закрепленная на пластине диаметром 25 миллиметров. Установите его и установите его высоту ориентира.

Затем поднимите вращающийся диск и снимите его. Завершите подготовку, заполнив емкость силиконовым маслом. Начните работу с системой визуализации.

Это включает в себя CMOS-камеру и объектив с видом сверху внутрь контейнера. Вторая высокоскоростная камера имеет боковой вид внутрь контейнера. Вид осуществляется через предметное стекло микроскопа.

Включите и отрегулируйте ксеноновую лампу и светодиод для освещения контейнера. Используйте программное обеспечение для обработки изображений в CMOS-камере для визуализации подложки. Отрегулируйте вертикальную сцену, чтобы сфокусировать ее.

После фокусировки определите центр подложки. Поместите на место тщательно размеченный стеклянный шар, облицованный содой. Продолжайте установку вращающегося диска на реометр на два миллиметра выше точки отсчета высоты.

Наконец, внесите все изменения в камеру бокового обзора. Введите диапазон скорости вращения, запрограммируйте линейное увеличение скорости вращения и начните измерения. Начните запись видеоряда с обеих камер и наблюдайте за видео в реальном времени с одной из них.

Когда бусина сместится из своего равновесного положения, остановите измерение и запишите скорость вращения, которая является критической скоростью вращения. Затем остановите запись видео. Во время анализа данных загружайте записанные видео в пользовательскую процедуру обработки изображений, чтобы определить режим зарождающегося движения.

Выполняйте измерения турбулентного режима в индивидуальной низкоскоростной аэродинамической трубе. Он имеет испытательную секцию с открытой струей и обычной подложкой, расположенной внутри нее. Линейные, вертикальные и горизонтальные столики поддерживают анемометр и другие приборы в испытательном участке.

Высокоскоростная камера с макрообъективом установлена с одной стороны. На этой схеме представлен обзор оборудования. Обратите внимание, что сигнал анемометра поступает на осциллограф и компьютер.

Определите, где на подложке разместить отмеченную бусину из оксида алюминия. Определите точку вдоль центральной оси подложки и в 110 миллиметрах от переднего края и поместите туда валик. Используйте высокоскоростную камеру и отрегулируйте светодиодный источник света, чтобы получить четкое, сфокусированное изображение бусины и ее отметин.

Запустите вентилятор аэродинамической трубы значительно ниже приблизительной критической скорости вентилятора. Следите за бортом и увеличивайте скорость вращения вентилятора от четырех до шести оборотов в минуту каждые 10 секунд. Начните запись с помощью программного обеспечения для обработки изображений, когда ситуация приближается к начальным условиям.

Прекратите увеличивать скорость вращения вентилятора при возникновении начального движения, запишите критическое значение скорости и остановите видео. Опять же, для анализа данных используйте специальное программное обеспечение для анализа записанного видео и определения режима зарождающегося движения бусины. Теперь поработайте с анемометром с помощью миниатюрного щупа с горячей проволокой.

Переключите его функцию управления в режим ожидания и отрегулируйте сопротивление для коэффициента перегрева 65%Удалите отмеченный валик с подложки. Переместите анемометр, чтобы установить щуп с горячей проволокой в исходное положение. Для калибровки анемометра щуп должен находиться в зоне свободного потока.

При этом зонд должен находиться на высоте не менее 10 миллиметров над подложкой. Запустите щуп и запустите вентилятор со скоростью вращения 200 об/мин. Затем используйте анемометр с крыльчаткой в воздушном потоке.

Считывание и запись скорости потока с анемометра крыльчатки. Кроме того, считывайте и записывайте напряжение пробника горячего провода на осциллографе. Повторите запись показаний анемометра с шагом 50 об/мин при частоте вращения до 450 об/мин.

Используйте данные для построения калибровочной кривой. Следите за зондом с помощью камеры, и опустите его как можно ближе к поверхности подложки, не касаясь ее. Запустите вентилятор на средней скорости для зарождающегося движения и начните сбор данных зонда.

После каждого набора данных увеличивайте высоту зонда и повторяйте сбор данных. На этих снимках сверху видна заметная бусина на квадратичной поверхности во время зарождающегося движения в ламинарном потоке. Программное обеспечение отслеживает особенности частицы и центра масс.

Данные позволяют определить угол поворота в зависимости от траектории и точно соответствуют ожиданиям чистых движений качения, обозначенным пунктирной линией. Это аналогичные снимки вида сбоку для отмеченного глиноземистого шарика на квадратичной поверхности в турбулентном потоке. В этом случае бусина, по-видимому, совершает чистое вращательное движение только в начале своего движения.

График усредненного по времени профиля скорости потока, кругов, можно построить с использованием данных анемометра постоянной температуры. Здесь сплошная линия представляет собой аппроксимацию с использованием логарифмического логарифмического закона, а синие крестики — аппроксимацию с использованием модифицированного закона стенки. Скорость сдвига, необходимая для определения критического числа защитных шайб, выводится из посадки.

Здесь оба закона стенки предполагают одинаковые значения скорости сдвига. Ниже приведен график среднеквадратичного профиля скорости потока в небольшом диапазоне высот. Измеренный подслой вискуса составляет около 1/4 миллиметра, что указывает на то, что подвижный валик в основном подвергается воздействию турбулентного потока.

Каждое измерение в реометре занимает не более пяти минут, если оно выполнено правильно. Эксперименты в аэродинамической трубе, однако, могут занять около пяти часов, так как измерение пограничного слоя является сложным процессом. Правильная настройка зазора в реометре имеет решающее значение для предотвращения систематической ошибки при расчете критической скорости сдвига и критических чисел защитных экранов.

В аэродинамической трубе животное с калибровкой должно быть тщательно проведено для определения скорости сдвига. Рекомендуется выполнять калибровку до и после измерения, чтобы убедиться в отсутствии существенных изменений в ходе измерения. Следуя процедуре в аэродинамической трубе, для обозначения зарождающегося движения можно использовать и другие критерии, помимо классических щитов.

Входные данные или энергетические критерии могут быть приняты, поскольку продолжительность событий может быть измерена тепловым анемометром. Результаты могут дать важную информацию о том, как силы и крутящие моменты действуют на конкретный объект из-за турбулентного потока в зависимости от геометрии подложки. Результаты можно использовать в качестве эталона для более сложных моделей.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как мы можем систематически количественно оценивать вывод геометрии осадочного слоя о зарождающемся движении частиц.