أسلوب عيانية تناظرية لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية في كثافة الغازات والسوائل

الهدف العام من هذا الإجراء هو دراسة العمليات الهيدروديناميكية على نطاق الجزيئي في السوائل باستخدام تقنية تناظرية تقيس ديناميكيات الجسيمات المفردة والجماعية في أكوام الحبوب الاهتزازية. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها توفر قذيفة عكسية يمكن الوصول إليها تجريبيا لمراقبة ديناميكيات المقياس الجزيئي المعقدة مباشرة. نظرا لأن هذه التقنية مرتبطة بقوة بالميكانيكا الإحصائية لأنظمة الجسيمات المتفاعلة ، فإنها تفتح الباب أمام التحقيق التجريبي في الأسئلة الأساسية في هذا المجال.

يمكن أيضا تطبيق هذه التقنية لدراسة الميكانيكا الإحصائية لأنظمة الجسيمات العيانية المتفاعلة ، مثل أكوام الحبوب الاهتزازية التي نحقق فيها. بشكل عام ، سيكافح الأفراد الذين يستخدمون هذه التقنية في تعلم عناصر الميكانيكا الإحصائية المتوازنة وغير المتوازنة الضرورية لتفسير الملاحظات التجريبية في تصميم التجارب. يعد العرض المرئي لهذه التقنية أمرا بالغ الأهمية لأنه يمتد لقياس سرعة تصوير الجسيمات ، والذي يستخدم عادة لقياس حركة جزيئات مقياس الميكرون إلى حركة حبيبات مقياس السنتيمتر.

تستخدم التجربة هذا النظام الاهتزازي. يتكون من وعاء حلقي من البولي يوريثين متصل بمحرك غير متوازن أحادي السرعة لتوليد اهتزازات. يتم إرفاقها بقاعدة مرجحة ومفصولة بمجموعة من الينابيع.

قم بتوصيل مجموعة الوعاء بحاملها بخطافات مطاطية. داخل الوعاء ، قم بإرفاق مقياس تسارع ثلاثي المحاور. يتم توصيل هذا بإشارة مستشعر على طاولة بعيدا عن النظام الاهتزازي.

بعد ذلك ، اعمل مع الوسائط المختارة للتجربة. في هذه الحالة ، استخدم مثلث مستقيم لوسائط تلميع السيراميك بأطوال أضلاع متساوية. أضف الوسائط إلى الوعاء الاهتزازي بالقرب من الوعاء ، واحصل على محلول مركب مائي ونهائي جاهز لترطيب الوسائط.

أيضا ، قم بإعداد مضخة تمعجية لتحريك السائل في الوعاء الاهتزازي. قم بتشغيل أنبوب بلاستيكي من المضخة إلى أعلى الوعاء. اضبط معدل المضخة ولكن لا تبدأ التدفق.

للتصوير ، قم بإعداد كاميرا عالية السرعة. اختر عدسة مناسبة لتكامل السطح المطلوب ودقته. دعم الكاميرا على هيكل معزول عن النظام الاهتزازي.

عند تركيب الكاميرا ، يجب أن يكون طولها عموديا على السطح المفتوح للوسائط و 550 ملم فوقها. بعد ذلك ، قم بتوصيل الكاميرا بمصدر الطاقة الخاص بها وهوائي GPS والكمبيوتر. في الكمبيوتر، ابدأ تشغيل برنامج الكاميرا وحدد الكاميرا.

اعرض مجال رؤية الكاميرا مباشرة باستخدام البرنامج. عند الإعداد ، استخدم أي ضوء ساطع لإضاءة منطقة الاختبار. يجب إضاءة مجال الرؤية المختار بالتساوي.

بعد ذلك ، استخدم برنامج الكاميرا للتكبير رقميا إلى 500 مرة من التكبير. في الكاميرا، اضبط حلقة تركيز العدسة البؤري. الهدف هو تحقيق أفضل تركيز بصري لجمع البيانات.

ثم أعد التكبير/التصغير الرقمي إلى عدم التكبير. تابع عن طريق تعيين معدل الحصول على الكاميرا. قبل التقاط الصور ، ضع مقياسا مسطوما في مجال الرؤية.

استخدم الكاميرا لتسجيل صورة واحدة لها. احفظ الصورة كملف TIFF قبل حذفها من الكاميرا. بمجرد أن تصبح الكاميرا جاهزة ، استعد لبدء الوعاء الاهتزازي.

احصل على 150 مل من محلول مركب التشطيب من الحاوية. خذ 150 مل إلى الوعاء الاهتزازي وانشر المحلول بالتساوي لتوفير الترطيب الأولي للوسائط. بعد ذلك ، ضع الحاوية الكبيرة للمركب على الأرض بالقرب من المضخة التمعجية.

قم بتوصيل خرطوم من المضخة بالحاوية قبل تنشيط المضخة. في هذه المرحلة ، ابدأ الوعاء الاهتزازي وانتظر دقيقة واحدة على الأقل. مع التدفق في حالة ثابتة، قم بتشغيل الكاميرا لتسجيل الإجراء في مجال الرؤية لوقت التشغيل المختار.

تم تحويل هذه الإطارات المسجلة إلى مقطع فيديو. عند جمع البيانات ، أوقف النظام الاهتزازي. ثم أوقف المضخة التمعجية.

للمعالجة ، احفظ الصور المكتسبة كملفات TIFF على الكمبيوتر وقم بتحويلها إلى تدرج رمادي. ثم ابدأ العمل في صورة الجسيمات لبيئة برنامج قياس السرعة. انتقل إلى ملف ومن هناك إلى استيراد ، ثم استيراد الصور.

في مربع الحوار معالج الاستيراد، حدد إطار واحد، متبوعا بإضافة صور. حدد الآن صورة المعايرة لإضافتها إلى الصور المراد استيرادها. انقر على إضافة صور مرة أخرى، ثم قم بتمييز جميع صور البيانات لتحديدها للاستيراد.

تابع بالنقر فوق التالي. في الشاشة التالية ، أدخل إعدادات الكاميرا ، بما في ذلك معدل الإطارات ودرجة البكسل. عند إدخالها، انقر فوق التالي ثم إنهاء.

انتقل الآن إلى قائمة المحتويات. يجب أن تكون صورة المعايرة أولا. انقر بزر الماوس الأيمن على الصورة الثانية ، وحدد Split Ensemble من هنا لإنشاء مجموعتين من الصور.

احصل على مجموعة الصور مع صورة المعايرة فقط وقم بإسقاطها في الموقع المسمى معايرة جديدة. بعد ذلك ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق مجموعة صور المعايرة وحدد قياس عامل المقياس. ستظهر صورة المعايرة على الشاشة.

في الصورة، ضع علامة A على مسطرة الصورة النهائية. ثم ضع العلامة B في موضع آخر على المسطرة. انتقل إلى مربع نص المسافة المطلقة وأدخل المسافة بين العلامات وفقا للمسطرة.

انقر فوق موافق لحفظ الإعدادات والمتابعة. حدد الآن مجموعة الصور المستوردة بدون صورة المعايرة. نقل للنقر على تحليل.

حدد إنشاء إطار مزدوج. ثم اختر إنشاء أزواج صور من خيارات النمط. لتحديد منطقة الاستجواب، افتح أي صورة غير معايرة.

انقر بزر الماوس الأيمن على الصورة وحدد كثافة الجسيمات. في مربع الحوار الذي يظهر، سيكون هناك عرض مكبر لمنطقة المسبار. انقر فوق علامة التبويب الإعدادات وابدأ في تغيير منطقة حجم المسبار.

الهدف هو أن يكون لديك ما لا يقل عن ثلاثة جسيمات في منطقة المسبار. لاحظ حجم منطقة المسبار لاستخدامه لاحقا. ارجع إلى التحليل واختر طريقة الارتباط التكيفي.

انقر فوق موافق. اذهب إلى علامة تبويب منطقة الاستجواب وانقر عليها. هناك ، حدد منطقة الاستجواب المحددة مسبقا والتي تسمح بتحديد ثلاثة جسيمات أو أكثر. انقر فوق موافق في مربع الحوار ارتباط التكيف لإجراء التحليل.

مع استمرار التحليل ، افحص بصريا حقول السرعة العديدة الأولى. هذا مثال على حقل متجه متراكب على صورة ذات تدرج رمادي للوسائط. في هذه الحالة ، لا تبدو أطوال المتجه واتجاهاته متسقة أو معقولة.

افحص خرائط المتجهات بصريا أثناء إنتاجها للتأكد من أن النتائج واقعية. إذا كانت النتائج غير مرضية ، فأوقف العملية وقم بتغيير المدخلات المحددة من قبل المستخدم مثل منطقة الاستجواب ، ثم أعد تشغيل التحليل. هذا مثال على حقل متجه مرض.

مرة أخرى ، متراكبة على الصورة ذات التدرج الرمادي. عند اكتمال التحليل ، سيتم إنشاء حقل متجه يمتد عبر مجال الرؤية لكل زوج صور في المجموعة. تسمح بيانات قياس سرعة صورة الجسيمات بتركيب توزيع السرعة عند نقطة في النظام لتوزيع ماكسويل بولتزمان.

الصورة للحبوب المستخدمة في التجربة. يمثل الشريط الأحمر سنتيمترا واحدا. تمثل البيانات باللون الأزرق رسما بيانيا طبيعيا لسرعات الحبوب الأفقية الغريبة المقاسة.

تتوافق البيانات عبر العديد من أنواع الجسيمات مع ديناميكيات هاميلتون الخالية من التبديد ، والطاقات الكامنة بين الجسيمات المستقلة عن السرعة ، والطاقات الحركية المستقلة المحتملة. علاوة على ذلك ، فإنها توفر دليلا على التوازن الميكانيكي العياني المحلي. وظيفة الارتباط التلقائي للسرعة للحبيبات المفردة هي دالة للعدد المميز لتصادمات الحبوب التي يمكن أيضا استخلاصها من بيانات قياس السرعة.

تحاكي ديناميكيات الحبة المفردة نوعيا تلك المتوقعة في السوائل الجزيئية والغازات الكثيفة. يتم تحديد هذه الأطياف من قياس سرعة صورة الجسيمات في قياسات تسارع الحاوية المتزامنة. تتزامن الموجات الصوتية الرنانة في نظام حاوية كومة الحبوب مع الأوضاع الصوتية الرنانة في الحاوية الفارغة.

الأوضاع الصوتية في أطياف سرعة السائل المحلية الغريبة ليست واضحة بسبب قيود التجربة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في الديناميكا المائية الجزيئية للسوائل مثل كيفية ظهور تدفق السوائل الذي يمكن التنبؤ به والذي يمكن ملاحظته من ديناميكيات الحالة السائلة غير المتوقعة للجزيئات. بمجرد إتقانها ، يمكن إجراء الجزء التجريبي من هذا الإجراء في أقل من ساعة.

يمكن أن تستغرق معالجة PIV وتحليل البيانات من ساعة إلى يومين اعتمادا على نظام معالجة البيانات. من المهم أن ندرك أنه من أجل ربط الملاحظات التي يتم إجراؤها في أنظمة الحبوب الاهتزازية بالديناميكا المائية الجزيئية ، يجب تعلم عناصر التوازن والميكانيكا الإحصائية غير التوازنية. بعد هذا التطور ، تم استخدام هذه التقنية للتحقق تجريبيا من صحة المحاكاة الديناميكية للسوائل لتدفقات الحبوب المدفوعة بالاهتزاز بالإضافة إلى اختبار قياس اللزوجة في سوائل الحبوب مقابل تلك التي تنبأت بها الميكانيكا الإحصائية غير التوازنية.

بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم معقول لكيفية إعداد نظام PIV أولا لقياس أنظمة الحبوب الاهتزازية وكيفية استخدام هذه القياسات للتحقيق في الأنظمة الهيدروديناميكية الجزيئية.