Summary
的非牛顿流体压降的影响是一个复杂的过程，因为不同的物理参数在很短的时间（毫秒的不到十分之一）影响的动态。一种快速成像技术以表征不同的非牛顿流体的冲击行为引入。
Abstract
在流体力学领域，许多动力学过程，不仅发生在一个很短的时间间隔，但也需要高空间分辨率的详细观测，场景，使其具有挑战性，观察其与传统的成像系统。其中之一是液体的落下冲击，这通常在毫秒的十分之一发生。为了应对这一挑战，快速成像技术被引入，结合了高速摄像机（可高达每秒一百万帧）的微距镜头具有长工作距离，使图像的空间分辨率降低到10微米/像素。成像技术使得相关的流体动力学数量时，如流场，扩散距离和飞溅速度的精确测量，从所记录的视频的分析。为了证明这种可视化系统的功能，当非牛顿流体液滴撞击到坚硬的平面上的冲击动力学是characterized。两种情况考虑：对于氧化液态金属液滴我们专注于传播行为，并密密麻麻悬浮我们判断飞溅的发生。更一般地，在这里介绍了高时空分辨率的成像相结合的优势，提供跨多种微尺度现象研究快速动态。
Introduction
落锤冲击到固体表面是在涉及电子制造1，喷涂2，和添加剂制造使用喷墨打印3,4，其中下降的精确控制扩散和飞溅需要许多应用中的关键过程。然而，直接观察的下落冲击，原因有二技术上具有挑战性。首先，这是发生的时间尺度内过短（约100微秒），也可以通过常规的成像系统，如光学显微镜和数码单反相机容易想像，一个复杂的动态过程。闪光照相罐的过程图像快得多，但不允许进行连续记录，根据需要为随时间的演变的详细的分析。第二，引起不稳定性的影响的长度规模可以小到10微米5。因此，定量研究的影响过程，结合超快成像以及合理的高空间分辨率的系统往往是所需。如果没有这样的制度，对液滴撞击早期的工作主要集中在6-8冲击后，全球的几何变形，但无法收集有关早期信息，以影响相关的非平衡过程，如飞溅的发作。在流体中9,12中的CMOS高速摄像的最新进展，推动了帧速率最高可达百万fps和曝光时间下低于1微秒。此外，新开发的CCD成像技术可以推动帧速率远高于百万FPS 9-12。另一方面空间分辨率，可提高到使用放大镜12 1微米/像素的顺序。因此，它已成为可能的空前细致的探讨范围广泛的物理参数对压降的影响不同阶段的影响，并系统地比较实验和理论5,13-16。例如，在牛顿流体飞溅转变是缶次由大气压力5进行设置，而本征的流变决定的屈服应力流体17的扩展动态。
这里提供一个简单但功能强大的快速成像技术被引入并应用于研究两种类型的非牛顿流体的冲击动力学：液态金属和密密麻麻的悬浮液。与暴露于空气中，基本上所有的液体金属（汞除外）会自发形成在其表面上的氧化皮。机械地，皮肤被发现以改变有效的表面张力和金属18的润湿能力。在过去的研究15，几个作者的研究传播过程定量，并能解释趋肤效应影响冲击动力学，与碰撞参数的最大扩散半径，特别是缩放。因为液态金属具有高的表面反射率，仔细调整照明的需要在成像。停学一再在液体组成的小颗粒。即使是简单的牛顿 流体，增加了粒子效果在非牛顿流体特性，成为在密集的悬浮液， 即在悬浮颗粒的高体积分数尤为突出。特别是，在发病飞溅时悬挂液滴撞击光滑，坚硬的表面，研究了以前的工作16。这两种液体粒子与粒子间的相互作用可以从什么可能从简单的液体预期显著改变飞溅的行为。来跟踪颗粒小至80微米的在这些实验中，需要很高的空间分辨率。
各种技术要求，如高时空分辨率，以及对观察无论是从侧面和下方的影响的能力的组合，都可以满意这里所描述的成像设置。通过以下的标准协议，如下所述，冲击动力学可以是不变拟tigated以受控的方式，以明确示出用于扩展和飞溅的行为。
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Protocol
1。快速成像设置（参见图1）
- 首先设置一个垂直轨道沿该容器充满了被研究的流体可以自由移动，以调节冲击速度。流体离开该容器的底部通过一喷嘴，然后进入自由落下。对这项工作的下落高度从1-200厘米变化，得到的冲击速度V 0 =（0.4-6.3）±0.15米/秒。
- 构造和安装框架保持水平冲击面，典型地为玻璃板，根据该倾斜的反射镜被定位为从底部可视化的压降的影响。
- 将干净和光滑的玻璃板上的持有人。确保板被水平拉平。
- 装载注射器泵上的垂直轨道。
- 对液态金属的影响，放置一个透明纸扩散器的喷嘴，用于侧视成像的后面。同时，附加一个白色不透明纸注射器泵上，以产生反射的底部观察（ 见图1）。然后，找到喷嘴背后的光源。
- 对于密集的悬挂冲击，没有扩散器是必要的。相反，只需将光源在成像平面的前面。
- 用适当的焦距为所需的放大倍率和光学工作距离选择微距镜头。然后，镜头连接到相机上。
- 将相机固定到三脚架和相机调整根据成像的角度（侧面或底部）的高度。
2。样品制备
- 氧化的金属液的制备
- 店铺镓 - 铟共晶（EGAIN）在密封容器中。由于其熔点温度大约为15℃，EGAIN停留在液体状态在室温下进行。
- 用移液管提取3毫升EGAIN从容器和其拉伸到一个亚克力板。等待30分钟的样品在空气中被完全氧化。作为一名conseque考，薄薄的一层皱纹的氧化皮完全覆盖样品表面。
- 用盐酸（HCl，“注意”）不同浓度的预洗到的EGAIN样品和控制表面氧化。具体地说，剪切样品，而这是在酸浴，在60秒-1的剪切速率与流变仪。后剪切10分钟后，将样品中的表面氧化的电平达到平衡时，通过盐酸浓度15,18设置。
- 这个预洗后，用塑料注射器用塑钢尖吸嘴，从浴中提取EGAIN。
- 安装到注射器注射泵和准备实验。
- 密集悬浮液的制备
- 切断商用注射器（4.5毫米或2.3毫米的半径）的端部，并用它作为圆柱形管用于分配的稠密的悬浮液。
- 拉回活塞和装满水的注射器一路的开口端，进行SURE没有气泡夹带。
- 把球形的ZrO 2或玻璃珠入注射器。与颗粒的沉淀，将水从喷嘴洒出。用颗粒填充注射器一路的开口端。受堵塞在重力作用下。
- 用剃刀刀片从顶部移除多余的湿颗粒，以保持为此持平。
- 翻转喷嘴把它安装到注射泵。表面张力将防止粒子脱落16。
3。校准
之前收集视频，成像设备的参数必须设置和照明对准已被完成。此外，空间分辨率需要校准。
- 启动注射泵以20毫升/小时的速度从喷嘴压出的流体（液体金属或悬浮液）。
- 等待流体从注射器分离，形成的压降和秋季f以使测试影响到玻璃基板上。
- 调整相机的位置，包括它的垂直位置和图像定位，找到图示中的电脑显示器，连接到相机。修改的工作距离，安排该图像是在焦平面时，透镜的再现比固定为1:1。
- 改变光圈大小，曝光时间和光照角度，以获得最佳的图像质量时，帧速率足够高（> 6,000 fps）的图2（a）显示由相机拍摄对液体EGAIN和密集悬挂的典型形象。
- 将尺子在视场（ 见图2（b））及通过计算有多少个像素跨越1厘米适合计算空间分辨率。确保有分辨率水平和垂直方向之间没有区别。
- 遵循3个步骤来衡量密集悬挂滴堆积分数：
- 测量耳鼻喉科的质量冲击后愤怒图示右侧（ 例如，通过让一滴落入一个量杯，可以准确称量）。
- 然后，蒸发所有溶剂用加热器，并再次称重该图示以获得粒子的质量。
- 计算颗粒和液体的体积来获得堆积分数。通常，该体积分数应为60％左右。
- 根据观察方向（底部或侧部），适当地定位相机。特别是，把旁边的基材为侧视图或在反射镜底部成像的同样水平的照相机。
4。视频录制和数据采集
- 成像校准后，重新启动注射泵。在同一时间，打开相机控制软件监控的影响的过程。
- 设置后触发帧号在大约一半的视频长度。仔细观察当下降开始形成并手动trig的GER将相机对准拍摄瞬间跌落分离从喷嘴。数据记录之前执行一些实践的检验。
- 后的数据被记录时，修剪下来的视频包含冲击的部分，并保存视频作为分析图像序列。
5。图像后处理及分析
- 使用边界检测方法来定位液体EGAIN的移动前，因为它的传播，其对应于平均像素值的急剧过渡（参见图3（A，B））。
- 无论从底部和侧面图像，确定飞溅发病密集暂停。
- 进行粒子跟踪算法来获取从图示转义（参见图3（c））的单个颗粒的痕迹。然后，计算出从该轨迹的喷射速度（ 图3（d））。
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Representative Results
在快速成像技术可以被用于量化扩频和飞溅的各种影响的情况。 图4（a）中 ，例如，示出了具有不同氧化皮强度为液体EGAIN典型影响图像序列。通过从相同的喷嘴，并在同一高度落下喷射EGAIN，液滴具有可重复的冲击速度V 0 = 1.02±0.12米/秒和半径R 0 = 6.25±0.10毫米的生成。左栏显示的空气氧化EGAIN下降，酸不预洗的影响。形成一条长尾巴在下落的顶端，当流体从喷嘴分离。从普通液体不同，氧化皮防止流体从自由放松的表面能，所以在下降阶段这个非球形的几何形状保持不变。冲击发生后，薄的液态金属薄片（薄片）迅速膨胀沿着平滑基板。洗涤样品中酸降低了牛IDE和削弱肌肤的效果。在图4中，中间和右边的列（一）表示预洗滴在0.01 M和0。2 M盐酸，分别的图像。当酸变得足够强，以充分消除任何可观察到的趋肤效应，EGAIN表示从普通液体（右列）传播行为没有区别。
为了表征冲击后的径向膨胀，扩频因子可以被定义为P M = R 0 / R m，其中最大扩散半径为R 米 。不同的氧化条件下P M缩放行为被绘制在图4（b）中为牛顿流体，其中Re是雷诺数和我们*常规方法是指占诱导引起的皮肤表面应力的有效韦伯数。这里，雷诺数和有效韦伯数为EGAIN是对整个降的比例来定义。特别是，重= 2V 0 R 0 /ν其中ν是运动粘度和我们* =2ρV0 2 R 0 /σEFF的与ρ为液体密度，σEFF的作为有效表面张力15的数据很好地折叠到经典缩放6 。这表明，氧化EGAIN的扩频符合用来解释扩频为牛顿流体，只要存储在皮肤中的弹性能量被占的能量平衡参数。通常，无飞溅EGAIN的是观察由于表面张力（> 400 MN / m）为比在普通液体大得多。
对于稠密的悬浮液，在实验集中在飞溅发生。阿非粘性液体被用作溶剂，使得颗粒雷诺数Re P含量总是大于400。在这种制度下，相比于惯性效应粘性耗散可以忽略不计。 图5 ρp和半径R P飞溅相图。由于单个粒子动力学占主导地位的影响，无论雷诺数和韦伯数均在单粒子尺度定义。也就是说，重：P = V 0 R P /ν和我们P =ρP V 0 2 R P /σ，其中R p是粒子半径。在这里，改变冲击速度变化的粒子韦伯数我们页 。对于在小区的每个点，该实验重复进行10次。红色空心圆圈是飞溅的地方总是发现的情况下，固体蓝点对应情况时不飞溅发现。开放式绿化广场，然而，表明当两个飞溅和无飞溅在10重复观察的场景。在所有情况下，过渡到会发生飞溅在我们的p≈14相同的值。这是一个参数是一致的基于粒子的韦伯数为飞溅发生16有关的参数。该插图显示飞溅的代表图像，无飞溅的情况。由结果比较牛顿流体的飞溅过渡，鲜明的差异出现。传统上，飞溅起效的牛顿 流体是由无量纲量K报表=我们的1/2再1/4，其中韦伯数，我们和雷诺数Re，被定义为整个下降7。然而，通过添加颗粒进入液体，一个额外的长度尺度，粒度，引入到系统中。作为一个结果，在悬浮液作为致密的干扰点的情况下，单个颗粒的动力学决定了飞溅发生。
一个密集的悬浮液的显着特点是在形成冲击的后果（ 图6（a））的花边状结构。为了表征这种新型的不稳定性，本领域打开的孔，通过成像分析定量。首先，可以通过使用粒子图像测速（PIV）来获得扩展层的速度分布。接着，黄色环在图6（a）是与定义的粒子韦伯数，我们p值= 10，75，和920，它们都随时间而径向膨胀。由成像分析，孔的面积和各环之间的总面积都得到分别进洞和S 0，。进洞到S 0的比对时间作图， 如图6（b）所示 。从图中很明显的洞开的不稳定多发生在蔓延的外制度。
图1。成像设置的示意图 。该用于这项工作快速相机可以实现6,242帧每秒（fps）的1280×800宽屏分辨率，最大帧速率为10 fps的6在降低分辨率（是128×8）。在实验过程中，液滴被慢慢地从喷嘴通过使用注射泵挤出。该系统的照明是由两个白色光源提供。正面和背面的光被用于液态金属和致密的悬浮液的影响，分别。
图2。 （一）在液体中（右栏）由照相机拍摄为液体EGAIN（左列）和致密的悬浮颗粒的典型图像。观察，可以从底部和侧进行。为了突出物体轮廓，下降闪现于垂直方向直于图像平面。具体而言，液体EGAIN，下降是背光，以增加在液体/空气界面的对比度。对于稠密的悬浮液，将样品从正面照亮，使得单个颗粒在下拉可以区分。空间分辨率校准以10,000帧（二）的一个例子。这里，有跨越1厘米的距离192像素。因此，空间分辨率为这个数字是1 cm/192像素≈52微米/像素。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3。图像分析。对于液态金属滴，我们第一阈值的每个帧的图像（见上文（a））。该沿一个环在径向位置r（参见（a）中的实心圆）平均像素值表示的扩展边界的位置。以往，白色对应于零和黑色之一。其结果是，平均像素值的曲线（b）示出一个尖锐的过渡。对应于0.5的位置给出了边界，其中的不确定性是从宽度来的位置。运动前是传播学研究中的关键参数。与此相反，对于致密的悬浮液的影响，不仅蔓延，而且飞溅发生是值得关注的。面板（c）表示从飞溅颗粒，其中附着在颗粒上的黄尾指示其轨迹的粒子跟踪的结果。在（d）该图给出粒子的轨迹（c）中盘旋。因为时间步长为1/10，000秒，排出的速度是恒定在约1.5米/秒，这对应于良好的冲击速度。F =“https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg”目标=“_blank”>请点击这里查看该图的放大版本。
图4。散布液体EGAIN的动态。 EGAIN（一）典型图像序列滴撞击到玻璃基板上（通过颜色敏感的快速照相机拍摄的，在这种情况下，空间分辨率降低到59微米/像素在7600帧）。滴最初在预洗HCl溶液如文中所指出。对于上面所示的所有图像序列，冲击速度保持在V 0 = 1.02±0.12米/秒和初始压降直径为R 0 = 6.25±0.10毫米（二）毛细管粘性过渡为EGAIN的冲击行为降到预洗瓦特第i个不同的酸浓度。无量纲参数K =我们* /回复0/5被用于折叠的所有数据。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5。发病飞溅韦伯数我们p与粒子半径r p和密度ρp的函数，红色空心圆圈是飞溅的地方总是发现的情况下，固体蓝点对应情况时不飞溅在发现10连续重复。开放的绿色方块表示当两个飞溅和无飞溅在10重复被观察到的场景。插图地块飞溅和nonsplashi的典型形象ng的情况下。 请点击这里查看这个数字的放大版本。
图6。不稳定的悬浮液铺展动力学。图（a）示出了撞击过程中的典型图像。在扩频，孔由于在单层的速度梯度粒子簇之间开放。三个黄色环在图像中指示对应于不同的颗粒韦伯数的径向位置（我们p值= 10，75，920），（B）孔的面积（S 孔 ）的总面积之比（S 0）各环之间。 进洞 / S 0被暗算的时间，t。
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Discussion
几个步骤是为快速成像的正确执行是至关重要的。首先，照相机和透镜必须进行适当的设置和校准。特别是，为了得到高的空间分辨率，该透镜的复制比例必须保持接近1:1。这是致密混悬剂的可视化特别重要。另外，孔径大小需要慎重选择用于成像。例如，观测从总体上侧需要一个较长的景深，因此较小的光圈尺寸。以保持视频的亮度，需要增加曝光时间，从而降低帧速率（〜6000帧）。相比之下，底视图只需要相机集中在一个单一的平面上。其结果是，更高的时间分辨率可以得到（〜10,000帧）。
第二，适当的照明设备是为得到滴的尖锐边界的一个关键因素。因为所有的样品都点亮无论是从背面或氟利昂吨，光源必须垂直对齐于像平面。若照明角度倾斜时，阴影的图像中并从样品（ 例如，从光泽的表面，如液体金属）的表面反射能够进行准确的边界检测是不可能的。
第三，触发相机是很重要的，当视频录制。用户必须估计应该多少帧记录触发之前。具体的设置可能与个人不同，这取决于不同的反应时间。因此，几个试用测试练习是必要的实际测量之前。
一个限制涉及一个空间分辨率折衷。对于在实验中采取的大多数图像，分辨率是大约50微米，这表明它是相当困难的清晰可视化的颗粒大于50微米的较小的（虽然先进粒子跟踪算法可能会在这方面帮助，这取决于具体的实验DETAILS 10-12）。另一个潜在的限制是急剧减少的时间分辨率，当视场要求变大。延长至数厘米的图示，帧速率可以降到5,000 fps的，这可能不适合抓拍快速动态不够快。
综上所述，快速成像系统（快镜头+微距镜头）这里所描述的是一个有前途的工具，学习速度快的动态过程。这里的重点是对非牛顿流体的影响，但许多其他的研究课题，如液滴破裂19,20，颗粒喷流21和液滴聚结22，受益于类似的技术调查。这种实验方法使得它可以像微尺度现象，并在同一时间获得见解在微秒的规模，这是具有挑战性的常规成像方法的政权随附的动态。
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Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
由于温迪张，Luuk吕贝尔斯，马克Miskin和米歇尔斯科尔为帮助准备实验样品许多有益的讨论和泣涕郭。这项工作是由下批准号：DMR-0820054美国国家科学基金会的MRSEC计划的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gallium-Indium Eutectic | Sigma Aldrich | 495425-25G | |
| Hydrochloric Acid | Sigma Aldrich | 320331-2.5L | |
| Zirconium oxide | Glen Mills Inc. | 7200 | |
| Phantom V12 and V7 Fast Ccamera | Vision Research | N/A | |
| 105 mm Micro-Nikon | Nikon | N/A | |
| 12 V / 200 W light Source | Dedolight | N/A | |
| Syringe Pump | Razel | MODEL R9-9E |
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