Summary
Tropfenaufprall der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist ein komplexer Prozess, da verschiedene physikalische Parameter beeinflussen die Dynamik in sehr kurzer Zeit (weniger als ein Zehntel einer Millisekunde). Eine schnelle Bildgebungsverfahren wird, um die Auswirkungen von verschiedenen Verhaltensweisen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu charakterisieren eingeführt.
Abstract
Auf dem Gebiet der Strömungsmechanik, viele dynamische Prozesse nicht nur über einen sehr kurzen Zeitraum auftreten, sondern erfordern auch eine hohe räumliche Auflösung für detaillierte Beobachtung, Szenarien, die es schwierig, mit konventionellen bildgebenden Systemen beobachten zu machen. Eines davon ist die Tropfenaufprall von Flüssigkeiten, die in der Regel innerhalb von einem Zehntel Millisekunde. Um dieser Herausforderung zu begegnen, ist eine schnelle Bildgebungstechnik eingeführt, die eine High-Speed-Kamera (in der Lage, bis zu einer Million Bilder pro Sekunde) kombiniert mit einem Makro-Objektiv mit großem Arbeitsabstand, die räumliche Auflösung des Bildes auf 10 um bringen / Pixel. Das bildgebende Verfahren ermöglicht eine genaue Messung der relevanten Fluiddynamikgrößen, wie dem Strömungsfeld, die Wurfweite und Spritzwasser Geschwindigkeit, aus der Analyse der aufgezeichneten Video. Um die Fähigkeiten dieses Visualisierungssystem zu demonstrieren, die Schlagdynamik, wenn Tröpfchen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten treffen auf einen ebenen, festen Oberfläche zeichRized. Zwei Situationen sind zu berücksichtigen: für oxidierte Flüssigmetalltropfen konzentrieren wir uns auf die Ausbreitungsverhalten und für dicht gepackte Suspensionen bestimmen wir die Entstehung von Spritzern. Generell ist bei der Kombination von hoher zeitlicher und räumlicher Bildauflösung hier vorge bietet Vorteile für die Untersuchung schnell Dynamik in einem breiten Spektrum von Mikro Phänomene.
Introduction
Lassen Auswirkungen auf einer festen Oberfläche ist ein Schlüsselprozess in vielen Anwendungen, die elektronische Fertigung 1, 2 Spritzbeschichtung und Additive Manufacturing mit Tintenstrahldruck 3,4, wo eine präzise Steuerung der Tropfenverteilung und Planschen ist erwünscht. Allerdings ist die direkte Beobachtung der Tropfenaufprall technisch anspruchs zwei Gründen. Erstens ist es ein kompliziertes dynamisches Verfahren, die innerhalb eines Zeitraums zu kurz (~ 100 &mgr; s) auf einfache Weise durch herkömmliche Abbildungssysteme, wie optische Mikroskope und Spiegelreflexkameras abzubildenden auftritt. Blitzfotografie Dose Bild natürlich viel schneller, aber nicht für die kontinuierliche Aufzeichnung zu ermöglichen, wie für eine detaillierte Analyse der Entwicklung mit der Zeit benötigt. Zweitens kann der Längenskala von Schlag Instabilitäten induziert so klein wie 10 um 5 sein. Daher ist die quantitative Untersuchung der Auswirkungen Prozess ein System, das ultraschnelle Bildgebung kombiniert mit relativ hohen räumlichen Auflösung ofterwünscht. In Abwesenheit eines solchen Systems frühen Arbeiten hauptsächlich Tröpfchen Auswirkungen sich auf die globale geometrische Verformung nach dem Aufprall 6-8, war aber nicht in der Lage, Informationen über die frühen Zeitpunkt Nichtgleichgewichtsverfahren mit Auswirkungen verbunden sind, wie dem Auftreten von Spritzwasser zu sammeln. Jüngste Fortschritte in der High-Speed-CMOS-Videografie von Flüssigkeiten 9,12 haben die Bildrate bis zu einer Million Bildern pro Sekunde und Belichtungszeiten bis unter 1 Mikrosekunden gedrückt. Darüber hinaus können neu entwickelte CCD-Imaging-Techniken die Bildrate deutlich über eine Million 9-12 fps zu drücken. Die räumliche Auflösung auf der anderen Seite, können in der Reihenfolge von 1 um / Pixel mit Vergrößerungslinsen 12 erhöht werden. In der Folge ist es möglich geworden, um in bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen den Einfluss einer Vielzahl von physikalischen Parametern auf verschiedenen Stadien der Dropdown Auswirkungen und systematisch zu vergleichen Experiment und Theorie 5,13-16. Zum Beispiel die Übergangs Spritzwasser in Newtonschen Flüssigkeiten war Found durch Atmosphärendruck 5 eingestellt werden, während die Eigen Rheologie entscheidet die Dynamik der Ausbreitung Fließspannungs Flüssigkeiten 17.
Hier eine einfache, aber leistungsfähige schnelle Bildgebungstechnik wird eingeführt und angewandt, um die Auswirkungen Dynamik von zwei Arten von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten studieren: Flüssigmetalle und dicht gepackte Suspensionen. Bei Kontakt mit Luft, im Wesentlichen alle flüssigen Metallen (außer Quecksilber) wird spontan ein Oxid Haut auf ihrer Oberfläche. Mechanisch wird die Haut als wirksam die Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit der Metalle 18 verändern. In einer früheren Arbeit 15, einige der Autoren untersuchten die Ausbreitung Verfahren quantitativ und waren in der Lage zu erklären, wie der Skin-Effekt beeinflusst die Schlagdynamik, insbesondere die Skalierung der maximalen Ausbreitung Radius mit Stoßparameter. Da flüssige Metall hat eine hohe Oberflächenreflexion ist eine sorgfältige Einstellung der Beleuchtung in der Bildgebung erforderlich. Sperren einWieder von kleinen Teilchen in einer Flüssigkeit besteht. Selbst für einfache Newtonsche Flüssigkeiten, die Zugabe von Partikeln führt zu nicht-newtonsches Verhalten, das besonders im dichten Suspensionen, also bei hohen Volumenanteil der suspendierten Teilchen ausgesprochen wird. Insbesondere wurde das Auftreten von Spritzern, wenn eine Suspension Tröpfchen trifft eine glatte, harte Oberfläche in der bisherigen Arbeit 16 untersucht. Sowohl flüssige Teilchen und Wechselwirkungen zwischen den Teilchen kann das Spritzen Verhalten deutlich von dem, was vielleicht von einfachen Flüssigkeiten erwarten ändern. So verfolgen Partikel so klein wie in 80 um diesen Experimenten eine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist.
Eine Kombination von verschiedenen technischen Anforderungen wie hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, sowie die Fähigkeit zur Beobachtung Auswirkungen sowohl von der Seite und von unten, können alle mit der hier beschriebenen Abbildungseinrichtungs erfüllt werden. Durch Anschluss an eine Standard-Protokoll, wie unten beschrieben, die Auswirkungen Dynamik Anleger seinkontrolliert suchten, wie explizit für die Verbreitung und Spritzwasser Verhalten.
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Protocol
1. Schnelle Imaging-Setup (siehe Abbildung 1)
- Starten durch die Einrichtung einer vertikalen Spur, entlang der ein Behälter mit dem zu untersuchenden Flüssigkeit gefüllt ist frei beweglich, um die Aufprallgeschwindigkeit einzustellen. Die Flüssigkeit den Boden des Behälters durch eine Düse verlässt und tritt dann frei fallen. Für diese Arbeit wurde die Fallhöhe von 1 bis 200 cm variiert werden, um einer Aufprallgeschwindigkeit V ± 0,15 m / sec zu geben 0 = (0,4 bis 6,3).
- Konstruieren und montieren einen Rahmen, um die horizontale Ebene Einfluss, in der Regel eine Glasplatte, unter der eine geneigte reflektierende Spiegel zur Visualisierung der Auswirkungen Tropfen aus dem Boden positioniert zu halten.
- Einen sauberen und glatten Glasplatte auf den Halter. Stellen Sie sicher, dass die Platte waagerecht eingeebnet.
- Montieren Sie eine Spritzenpumpe auf die vertikale Strecke.
- Für flüssige Metall Auswirkungen, legen Sie ein Transparentpapier Diffusor hinter der Düse für die Seitenansicht Bildgebung. Zur gleichen Zeit, legen eine weiße opake Papier oberhalb der Spritzenpumpe zu erzeugen,Reflexion für unten betrachten (siehe Abbildung 1). Dann suchen Sie die Lichtquelle hinter der Düse.
- Für dichte Suspension Auswirkungen, wird kein Diffusor notwendig. Stattdessen platzieren Sie einfach die Lichtquelle vor der Bildebene.
- Wählen Sie das Makro-Objektiv mit einem geeigneten Brennweite für die gewünschte Vergrößerung und optischen Arbeitsabstand. Verbinden Sie dann das Objektiv in die Kamera.
- Montieren Sie die Kamera auf ein Stativ und die Höhe der Kamera gemäß der Abbildungsperspektive (seitlich oder von unten).
2. Probenvorbereitung
- Herstellung von oxidierten Flüssigmetall
- Speicher-Gallium-Indium-Eutektikum (EGain) in einem verschlossenen Behälter. Da seine Schmelztemperatur etwa 15 ° C, bleibt EGain in einem flüssigen Zustand bei Raumtemperatur.
- Mit einer Pipette 3 ml EGain Auszug aus dem Behälter und extrudieren Sie es auf einer Acrylplatte. Warten Sie 30 min für die Probe vollständig in der Luft oxidiert werden. Als consequence eine dünne Schicht der faltigen Haut oxidiert bedeckt die Probenoberfläche.
- Verwenden Salzsäure (HCl, "Vorsicht") unterschiedlicher Konzentrationen, die EGain Probe Vorwäsche und die Oxidation der Oberfläche zu steuern. Insbesondere die Probe zu scheren, während es in dem Säurebad ist, bei 60 s -1 Schergeschwindigkeit mit einem Rheometer. Nach 10 Minuten der Schere, die Höhe der Oberflächenoxidation in der Probe Gleichgewicht erreicht, von der HCl-Konzentration 15,18 gesetzt.
- Nach dieser Vorwäsche, verwenden Sie eine Plastikspritze mit einer Stahldüsenspitze EGain aus dem Bad zu extrahieren.
- Montieren Sie die Spritze auf die Spritzenpumpe und bereit sein, für das Experiment.
- Herstellung von dichten Suspensionen
- Schnitt das Ende eines kommerziellen Spritze (4,5 mm bzw. 2,3 mm im Radius) und als zylindrisches Rohr zum Abgeben der dichte Suspension.
- Ziehen Sie den Kolben der Spritze und füllen Sie mit Wasser den ganzen Weg bis zum offenen Ende, so dass sAbbildung gibt es keine Luftblase mitgenommen.
- Setzen Kugel ZrO2 oder Glasperlen in die Spritze. Mit der Sedimentation von Partikeln, wird das Wasser aus der Düse zu verschütten. Füllen der Spritze mit Teilchen bis hin zu dem offenen Ende. Die Suspension wird unter Schwerkraft jammen.
- Verwenden Sie eine Rasierklinge, um zusätzliche benetzten Teilchen von der Spitze zu entfernen, um dieses Ziel zu flach zu halten.
- Flip über die Düse und montieren sie auf die Spritzenpumpe. Oberflächenspannung die Partikel 16 am Herausfallen zu verhindern.
3. Kalibrierung
Vor Videos zu sammeln, müssen die Parameter der Abbildungsvorrichtung gesetzt und abgeschlossen werden Licht Ausrichtung hat. Außerdem muss die räumliche Auflösung zu kalibrieren.
- Starten Sie die Spritzenpumpe mit einer Geschwindigkeit von 20 ml / h aus der Düse herausschieben Flüssigkeit (flüssiges Metall oder Suspension).
- Warten, bis die Flüssigkeit von der Spritze zu trennen, bilden einen Tropfen und Herbstf, um eine Test Auswirkungen auf das Glassubstrat zu machen.
- Passen Sie die Position der Kamera, einschließlich seiner vertikalen Position und Imaging-Orientierung, um die splat in dem Computer-Monitor, der mit der Kamera verbindet finden. Ändern Sie den Arbeitsabstand, um das Bild zu arrangieren, um in der Brennebene sein, wenn der Abbildungsmaßstab des Objektivs ist auf 1:1 fixiert.
- Variieren Sie die Blendenöffnung, Belichtungszeit und Lichtwinkel, um die beste Bildqualität zu erhalten, wenn die Framerate hoch genug ist (> 6.000 fps). Abbildung 2 (a) zeigt die typischen Bilder von der Kamera sowohl für flüssige EGain und einer dichten Suspension entnommen.
- Legen Sie ein Lineal in das Blickfeld (siehe Abbildung 2 (b)) und berechnen die räumliche Auflösung durch Zählen, wie viele Pixel über 1 cm passen. Stellen Sie sicher, es gibt keinen Unterschied in der Auflösung zwischen horizontaler und vertikaler Richtung.
- Folgen Sie einem 3-Schritt-Verfahren, um die Packungsanteil dichte Suspension Abfall zu messen:
- Messen Sie die Masse des entire splat direkt nach Auswirkungen (zB durch Vermietung der Tropfen fallen in einen Messbecher, die genau gewogen werden kann).
- Dann verdampfen alle Lösungsmittel mit einer Heizung und wiegen die splat erneut, um die Partikelmasse zu erhalten.
- Berechnen Sie das Volumen der Partikel und Flüssigkeit, um die Packungsdichte zu erhalten. Normalerweise sollte dieser Volumenanteil etwa 60% sein.
- Nach Angaben der Beobachtungsrichtung (unten oder seitlich), positionieren Sie die Kamera entsprechend. Insbesondere sollte die Kamera neben dem Substrat für die Seitenansicht oder auf der gleichen Ebene des Reflexionsspiegels für Bodenabbildung.
4. Video-Aufnahme und Datenkommunikation
- Nach der Bildkalibrierung, starten Sie den Spritzenpumpe. Zur gleichen Zeit, öffnen Sie die Kamera Controlling-Software, um die Auswirkungen zu überwachen.
- Stellen Sie die Post-Triggerung Rahmennummern in etwa die Hälfte der Länge des Videos. Achten Sie sorgfältig, wenn der Tropfen zu bilden beginnt und manuell trigger die Kamera in dem Augenblick, Tropfen löst sich von der Düse. Führen Sie ein paar Praxis-Tests vor der Datenaufzeichnung.
- Nachdem die Daten aufgezeichnet werden, trimmen sich das Video zu dem Teil der Auswirkungen enthalten, und speichern Sie die Videos als Bildsequenzen für die Analyse.
5. Bild-Nachbearbeitung und Analyse
- Verwenden Sie eine Grenze Nachweisverfahren, das sich bewegende Flüssigkeit vor EGain finden, wie es sich ausbreitet, was zu einem scharfen Übergang in der mittleren Pixelwert entspricht (siehe Abbildungen 3 (ab)).
- Von beiden Boden-und Seiten Bilder, bestimmen die Spritzwasser Beginn der dichte Suspension.
- Führen Partikelverfolgungsalgorithmen, um Spuren von einzelnen Partikeln, die aus dem Splat entkommen (siehe Fig. 3 (c)) zu erhalten. Dann berechnen die Ausstoßgeschwindigkeit aus solchen Bahnen (Figur 3 (d)).
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Representative Results
Die schnelle Bildgebungstechnik verwendet werden, um die Verbreitung zu quantifizieren und Spritzwasser für verschiedene Szenarien, Auswirkungen. Abbildung 4 (a), zum Beispiel, zeigt typische Bildsequenzen Auswirkungen für flüssige EGain mit verschiedenen Oxidhaut Stärke. Durch Ausstoßen EGain aus der gleichen Düse und gleichzeitig Fallhöhe Tröpfchen mit reproduzierbaren Aufprallgeschwindigkeit V 0 = 1,02 ± 0,12 m / sec und der Radius R 0 = 6,25 ± 0,10 mm erzeugt wurden. Die linke Spalte zeigt die Auswirkungen einer Klima oxidiert EGain Tropfen nicht in Säure vorgewaschen. Ein langer Schwanz am oberen Ende des Fall gebildet wird, wenn das Fluid von der Düse löst. Im Unterschied zu gewöhnlichen Medien, verhindert die Oxidhaut die Flüssigkeit aus frei Entspannung der Oberflächenenergie, so dass diese nicht-sphärische Geometrie wird während der fallenden Phase unverändert. Nach dem Aufprall, ein dünner Flüssigkeits Blech (Lamellen) erweitert schnell entlang der glatten Substrat. Waschen der Proben in Säure reduziert die Ochsenide und schwächt die Skin-Effekt. Die mittlere und rechte Spalte in Abbildung 4 (a) Bilder von Tropfen in 0. M 01 und 0. 2 M HCl jeweils vorgewaschen zu zeigen. Wenn die Säure stark genug, um jede beobachtbare Skin-Effekt vollständig zu beseitigen, zeigt EGain keinen Unterschied in der Ausbreitungsverhalten von normalen Flüssigkeiten (rechte Spalte).
Um die radiale Ausdehnung nach dem Aufprall kennzeichnen, kann der Spreizfaktor definiert werden als P m = 0 R / R m, wobei die maximale Streuradius R m. Das Skalierungsverhalten der P m unter verschiedenen Oxidationsbedingungen ist in Fig. 4 (b) in einer herkömmlichen Weise für Newtonsche Flüssigkeiten, wobei Re die Reynolds-Zahl und * Wir aufgetragen ist eine effektive Weber-Zahl, die für die Oberflächenspannung durch die induzierte Haut induzierte Konten . Hier sind die Reynolds-Zahl und die effektive Weber-Zahl für EGain auf der Skala des gesamten Abfall definiert. Insbesondere Re2V = 0 R 0 / ν wobei ν die kinematische Viskosität und Wir * = 2ρV 0 2 R 0 / σ eff mit ρ als Dichte der Flüssigkeit und σ eff die effektive Oberflächenspannung. 15 Die Daten gut auf die klassische Skalierungs 6 verdecken . Dies deutet darauf hin, dass die Verteilung der oxidierten EGain entspricht der Energiebilanz Argument verwendet werden, um zu erklären Ausbreitung für Newtonsche Flüssigkeiten, solange die elastische Energie in der Haut gespeichert wird berücksichtigt. Im allgemeinen wird kein Verspritzen EGain beobachtet, da die Oberflächenspannung (> 400 mN / m) viel grßer ist als in gewöhnlichen Flüssigkeiten.
Für dichte Suspensionen, konzentrierten sich die Experimente auf dem Splash Beginn. Ein nicht-viskosen Flüssigkeit wurde als Lösungsmittel verwendet, so daß die Partikel-Reynolds-Zahl Re p immer größer als 400 ist. In diesem Bereich ist viskosen Dissipation vernachlässigbar gegenüber Trägheitseffekte. Fig. 5 p und Radien r p. Da die Einzelpartikeldynamik dominiert die Auswirkungen werden sowohl Reynolds-Zahl und Weber-Zahl auf der Einzelpartikelskala definiert. Nämlich Re p = V 0 R p / ν und wir p = ρ p V 0 2 R p / σ, wobei R p ist der Partikelradius. Hier, die Änderung der Aufprallgeschwindigkeit variiert die Partikelzahl Wir Weber p. Für jeden Punkt in der Handlung, wurde das Experiment für 10-mal wiederholt. Die roten Kreise sind die Hohl Fällen, in denen Spritzwasser wird immer gefunden, und die festen blauen Punkte entsprechen der Situation, wenn keine Spritzer gefunden wird. Die offene grüne Plätze, jedoch zeigen die Szenarien, wenn sowohl splash und kein Spritzwasser in den 10 Wiederholungen beobachtet. In allen Fällen ist der Übergang zu spritzen geschieht auf dem gleichen Wert von p ≈ 14 Wir. Dies steht im Einklang mit dem Argument, dassder partikelbasierten Weber-Zahl ist der relevante Parameter für das Startbeginn 16. Die Einschübe zeigen repräsentative Bilder von Spritzwasser und ohne Spritz Situationen. Durch Vergleich der Ergebnisse der Übergang von Spritzwasser Newtonsche Flüssigkeiten entsteht eine ausgeprägte Differenz. Üblicherweise spritzt Beginn für Newtonsche Flüssigkeiten durch die dimensionslose Größe K = Wir setzen 1/2 Re 1/4, wo Weber-Zahl, Wir und Reynolds-Zahl Re, werden für den gesamten Rückgang 7 definiert. Durch Zugabe Teilchen in der Flüssigkeit, ein extra Längenskala, die Partikelgröße, in das System eingeführt. Als ein Ergebnis in dem Fall, Suspensionen sind so dicht wie der Störungsstelle, die Dynamik der einzelnen Teilchen bestimmt den Beginn spritzt.
Eine der Besonderheiten des dichten Suspensionen ist die Spitzen-wie Struktur, in der Folge der Auswirkungen (Abbildung 6 (a)) gebildet. Um diese neue Art von Instabilität, das Gebiet charakterisieren,der geöffneten Löchern durch Bildanalyse quantifiziert. Erstens kann die Geschwindigkeitsverteilung in der Ausbreitungsschicht unter Verwendung Particle Image Velocimetry (PIV) erhalten werden. Dann werden die gelben Ringe in Abbildung 6 (a) mit definierten Partikel Weber-Zahl Wir p = 10, 75 und 920, die alle radial ausdehnen mit der Zeit. Durch Bildanalyse werden die Fläche der Löcher und der Gesamtbereich zwischen jedem Ring S Loch und S 0 sind, erhalten. (B) das Verhältnis von S zu S 0 Bohrung gegen die Zeit in Fig. 6 aufgetragen. Vom Grundstück aus, ist es klar, dass das Loch-Öffnung Instabilität tritt vor allem in der Außen Regime der Verbreitung.
Fig. 1 ist. Schematische Darstellung der Abbildungseinrichtung. Dieschnelle Kamera für diese Arbeit verwendet werden können, 6242 Frames pro Sekunde (fps) bei 1280 x 800 Widescreen-Auflösung zu erreichen, die maximale Bildrate beträgt 10 6 fps bei reduzierter Auflösung (128 x 8). Während des Experiments wurden die Tropfen langsam aus einer Düse unter Verwendung einer Spritzenpumpe extrudiert. Die Beleuchtung des Systems wird durch zwei Weißlichtquellen vorgesehen. Die Vorder-und Rücklichter sind für flüssiges Metall und dichte Suspension Auswirkungen verwendet wurden.
2. (A) Typischer Bilder von der Kamera für flüssige EGain (linke Spalte) und eine dichte Suspension von Partikeln in einer Flüssigkeit (rechte Spalte) genommen. Beobachtung kann sowohl von unten und seitlich durchgeführt werden. Um das Profil des Objekts zu markieren, wird der Tropfen in eine Richtung senk beleuchtetrecht zur Bildebene. Insbesondere für flüssige EGain ist der Rückgang mit Hintergrundbeleuchtung, um den Kontrast an der Flüssigkeit / Luft-Grenze erhöhen. Für dichte Suspensionen wird die Probe von der Vorderseite (b) Ein Beispiel für eine räumliche Auflösung der Kalibrierung bei 10.000 fps beleuchtet, so dass einzelne Teilchen in dem Dropdown unterschieden werden.. Hier gibt es 192 Pixel in einem Abstand von 1 cm. Somit ist die räumliche Auflösung für diese Figur ist ein cm/192 Pixel ≈ 52 um / Pixel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
3. Bildanalyse. Für Flüssigmetalltropfen, wir erste Schwelle die Bilder für jedes Bild (siehe (a)). Die Durchschnittspixelwert entlang einem Ring an radialen Position r (siehe durchgezogenen Kreis in (a)) zeigt die Position der Streugrenze. Üblicherweise weiß entspricht null und schwarz zu eins. Als Ergebnis der Plot der durchschnittlichen Pixelwert (b) zeigt einen scharfen Übergang. Die Position entsprechend 0,5 ergibt Ort der Grenze, wo die Unsicherheit wird aus der Breite kommt. Der bewegliche Vorderseite ist der Schlüsselparameter für die Untersuchung der Ausbreitung. Dagegen für dichte Suspension Wirkung, nicht nur die Ausbreitung aber auch Spritzwasser Einsetzen von Belang ist. Panel (c) zeigt das Ergebnis der Partikelverfolgung Spritzpartikel, wo die gelben Schwanz an die Partikel gebunden zeigen ihre Flugbahnen. Das Grundstück in (d) gibt die Spur der Teilchen eingekreist (c). Da der Zeitschritt ist 1/10, 000 sec, ist die austretende Geschwindigkeit ca. 1,5 m / sec, die gut an der Aufprallgeschwindigkeit entspricht, konstant.f = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg" target = "_blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
4. Verbreitung Dynamik der Flüssigkeit EGain. (A) Typischer Bildsequenz EGain Tropfen beeinflussen auf ein Glassubstrat (mit einer farbempfindlichen schnelle Kamera eingefangen. In diesem Fall ist die räumliche Auflösung bis 59 &mgr; m / Pixel bei 7600 fps reduziert). Drops werden zunächst in HCl-Lösung vorgewaschen, wie im Text angegeben. Bei allen oben dargestellten Bildsequenzen wurde die Aufprallgeschwindigkeit auf 0 V gehalten = 1,02 ± 0,12 m / sec und die anfängliche Tropfendurchmesser R 0 = 6,25 ± 0,10 mm. (B) Kapillare viskose Übergang für Aufprallverhalten EGain Tropfen vorgewaschen wit verschiedenen Säurekonzentrationen. Die dimensionslose Parameter K = Wir * / Re 4/5 wird verwendet, um alle Daten zusammenbrechen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5. Splash Beginn Weber-Zahl Wir p als Funktion des Partikelradius r p und Dichte ρ p. Die roten Kreise sind die Hohl Fällen, in denen Spritzwasser wird immer gefunden, und die festen blauen Punkte entsprechen der Situation, wenn keine Spritzer findet sich in 10 aufeinanderfolgenden Wiederholungen. Die offenen grünen Quadrate zeigen die Szenarien, wenn beide spritzen und kein Spritzwasser in den 10 Wiederholungen beobachtet. Die eingesetzte Grundstücke sind typische Bilder von Spritzen und nonsplashing Fällen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
6. Instabilität der Suspension Streudynamik. Tafel (a) zeigt ein typisches Bild während des Aufpralls. Während der Ausbreitung Löcher zwischen Partikel-Cluster aufgrund der Geschwindigkeitsgradient in der Monoschicht auf. Die drei Ringe in gelben Bild zeigen die radialen Positionen entsprechend unterschiedlichen Partikel Weber Nummern (Wir p = 10, 75, 920). (B) Das Verhältnis der Fläche der Löcher (S Loch) zur Gesamtfläche (S 0) zwischen jedem Ring. Loch S / S 0 wird gegen die Zeit t aufgetragen.
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Discussion
Mehrere Schritte sind entscheidend für die korrekte Ausführung der schnellen Bildgebung. Zuerst müssen Kamera und Objektiv, angemessen eingerichtet und kalibriert werden. Insbesondere, um eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten, kann der Maßstab der Linse muss in der Nähe zum 1:1 gehalten werden. Dies ist besonders wichtig für die Visualisierung von dichten Suspensionen. Außerdem muss die Öffnungsgröße sorgfältig für die Bildgebung ausgewählt werden. Zum Beispiel, die Beobachtung von der Seite in der Regel eine längere Schärfentiefe, also kleiner Blendengröße. Um die Helligkeit des Videos zu erhalten, muss man die Belichtungszeit zu erhöhen und somit die Framerate (~ 6.000 fps). Dagegen Unteransicht erfordert nur die Kamera auf einer einzigen Ebene zu konzentrieren. Als Folge kann eine höhere Zeitauflösung erhalten werden (~ 10.000 fps).
Zweitens ist die richtige Beleuchtung Setup ein Schlüsselfaktor für immer eine scharfe Grenze der Tropfen. Da alle Proben wurden entweder von hinten oder fron beleuchtett, müssen die Lichtquellen senkrecht zur Bildebene ausgerichtet werden. Wenn die Beleuchtung Winkel geneigt ist, kann der Schatten im Bild und die Oberflächenreflexion von der Probe (z. B. von glänzenden Oberflächen, wie flüssige Metalle) machen genaue Grenzerfassungs unmöglich.
Drittens ist die Kamera-Triggerung wichtig, wenn Videoaufnahme. Benutzer müssen schätzen, wie viele Frames sollte vor Auslösung aufgezeichnet werden. Die spezielle Setup kann mit Personen variieren, je nach unterschiedlichen Reaktionszeiten. So sind einige Probetests zum Üben vor der eigentlichen Messungen erforderlich.
Eine Einschränkung beinhaltet eine räumliche Auflösung Trade-off. Für die meisten Bilder in den Experimenten aufgenommen, die Lösung etwa 50 &mgr; m, was bedeutet, dass es ziemlich schwierig ist, Teilchen, die kleiner als 50 um deutlich sichtbar zu machen (obwohl advanced Partikelverfolgungsalgorithmen könnten in dieser Hinsicht zu helfen, abhängig von der speziellen Versuchs DETAils 10-12). Eine weitere mögliche Einschränkung ist die drastische Verringerung der Zeitauflösung, wenn die erforderliche Sichtfeld groß wird. Für die splat sich bis zu mehreren Zentimetern, kann die Bildrate unter 5.000 fps fallen, was nicht schnell genug für die Erfassung schnelle Dynamik sein kann.
Zusammenfassend ist die schnelle Abbildungssystem (schnelle Kamera + Makro-Objektiv) hier beschrieben wird, ist ein vielversprechendes Werkzeug für die Untersuchung schnelle Dynamik Prozesse. Der Fokus lag hier auf Auswirkungen der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, aber Untersuchungen von vielen anderen Forschungsthemen, wie z. B. Flüssigkeitstropfen Trennung 19,20, granulare Jets 21 und Flüssigkeit Tropfenkoaleszenz 22, profitieren von einer ähnlichen Technik. Solche experimentellen Ansatz macht die Bild mikroskaligen Phänomene es möglich und in der gleichen Zeit zu erhalten Einblicke in den begleitenden Dynamik im Maßstab von Mikrosekunden, ein Regime, das eine Herausforderung für die herkömmlichen bildgebenden Verfahren.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Dank Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin und Michelle Driscoll für viele nützliche Diskussionen und Qiti Guo für die Hilfe bei der Vorbereitung experimentellen Proben. Diese Arbeit wurde von MRSEC Programm der National Science Foundation unter Grant No DMR-0820054 unterstützt.
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 |
References
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