Einfluss der Partikellagerung auf den strömungsinduzierten Einsatz der Partikelbewegung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die durchgeführten Untersuchungen bilden einen Grundstein für die Entwicklung eines detaillierten Verständnisses des Einsatzes der Partikelbewegung in Scherströmungen. Es wurde gezeigt, dass die Partikellagerung und -anordnung einen großen Einfluss auf den strömungsinduzierten Einsatz der Partikelbewegung hat, der auf den Kontaktwinkel und die Exponiertheit des Partikels zurückgeführt werden kann. Je nach Substrat und Orientierungswinkel kann die kritische Shieldszahl um ein mehrfaches variieren. Demgegenüber ist sie im untersuchten Bereich bis hin zu Partikelreynoldszahlen von eins unabhängig von der relativen Dichtedifferenz und der Partikelreynoldszahl selbst. Die Abhängigkeit vom Orientierungswinkel ist wesentlich dadurch bestimmt, dass die Partikel entlang der Vertiefungen im Substrat wandern. Durch Abschattung wird sie nur geringfügig modifiziert. Diese Aussagen sind für eine detaillierte Modellierung von großer Bedeutung. Im untersuchten Parameterbereich spielen Beschleunigungseffekte eine untergeordnete Rolle und können für Mindestzeitdauern für Positionswechsel vernachlässigt werden. Die Messung der Mindestzeitdauer zeigt einen Weg, wie der Einfluss der Substratgeometrie auf die Partikelbewegung über die kritische Shieldszahl berücksichtigt werden kann. Die Anwesenheit von Nachbarpartikeln ist erst bei Abständen von drei Partikeldurchmessern relevant. In direktem Kontakt behindern sich identische Partikel. Sie verharren in einem dynamischen Gleichgewicht und führen Platzwechsel erst bei wesentlich höheren kritischen Shieldszahlen aus als Einzelpartikel. Dies lässt sich für das stromabwärts befindliche Partikel auf verstärkte Abschattung und abwärts gerichtete Wirkungslinie der Kontaktkraft zurückführen und für das stromaufwärts befindliche Partikel auf den erhöhten Ruhewinkel sowie auf zusätzliche Reibung. Bei den untersuchten quadratischen Substraten führt der Partikelkontakt auf eine nahezu substratunabhängige kritische Shieldszahl. Die Ursache liegt darin, dass unterschiedliche Regime bei Bewegungseinsatz auftreten. Neben reiner Rollbewegung existiert ein Regime mit partiellem Gleiten. Eine deutliche, substratspezifische Senkung der kritischen Shieldszahl konnte bei Vermeidung des Kontakts durch sprunghafte Änderung der Shieldszahl bei Partikelreynoldszahlen deutlich unter 1 erreicht werden. Für mehrere Partikel kann das Verhalten auf den Einfluss der Nachbarpartikel zurückgeführt werden. Dies erlaubt auch eine Klärung des Einsatzes der Partikelbewegung in ungeordneten Granulatbetten. Das Minimum für die kritische Shieldszahl zeichnet sich also dadurch aus, dass die Partikel gerade nicht mehr durch ihre Nachbarn gestoppt werden. Überraschungen im Sinne unvorhergesehener Probleme gab es nicht. Die Grundhypothesen fanden sich bestätigt. Allerdings zeigten die Studien eine Reihe unerwarteter Resultate vor allem bei den Untersuchungen zum Einfluss von Nachbarpartikeln. Hierzu zählt im Besonderen, dass die kritischen Shieldszahlen für unterschiedliche Substrate bei Kontakt zwischen zwei Partikeln nahezu gleich waren. Dies konnte auf unterschiedliche Regime für die Partikelbewegung zurückgeführt werden. Die Analyse führte auf zusätzliche Untersuchungen zur Art der Bewegung, wobei gezeigt werden konnte, dass Einzelpartikel eine reine Rollbewegung ausführen, während bei Partikeln in Kontakt das stromaufwärts befindliche eine Roll-Gleitbewegung ausführt. Darüber hinaus führte die Analyse der Ergebnisse zu Nachbarpartikeln in Kontakt zu Untersuchungen mit sprunghafter Änderung der Shieldszahl.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Incipient motion of a particle on regular substrates in laminar shear flows, European Fluid Mechanics Conference 2012, Rom, 9.-13.9.2012
J. R. Agudo, A. Wierschem
- Incipient motion of a single particle on regular substrates in laminar shear flow, Physics of Fluids 24, 093302 (2012)
J. R. Agudo, A. Wierschem
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4753941) - Incipient particle motion in laminar shear flows, European Geosciences Union General Assembly 2013, Wien, 7.-12.4.2013
J. R. Agudo, A. Wierschem
- Characterization of shear induced granular motion on regular substrates under laminar conditions, European Geosciences Union General Assembly 2014, Wien, 28.4.-2.5.2014
J. R. Agudo, A. Wierschem
- How do neighbors affect incipient particle motion in laminar shear flow? Physics of Fluids 26, 053303 (2014)
J. R. Agudo, S. Dasilva, A. Wierschem
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4874604)
