研究非牛顿流体液滴撞击动力学的快速成像技术

摘要

非牛顿流体的液滴撞击是一个复杂的过程，因为在极短的时间内（不到一毫秒的十分之一），多种物理参数都会影响其动力学行为。本文介绍了一种高速成像技术，用于表征不同非牛顿流体的撞击行为。

摘要

在流体力学领域，许多动力学过程不仅发生在极短的时间尺度内，还需要高空间分辨率才能进行详细观测，这些情况使得传统成像系统难以胜任。其中之一便是液滴撞击过程，通常发生在不到一毫秒的十分之一时间内。为应对这一挑战，本文介绍了一种快速成像技术，该技术结合了高速相机（最高可达每秒一百万帧）与长工作距离的微距镜头，使图像的空间分辨率达到10 µm/像素。该成像技术可通过分析所记录的视频，精确测量相关的流体动力学参数，如流场、铺展距离和飞溅速度。为展示该可视化系统的性能，本文表征了非牛顿流体液滴撞击平坦硬质表面时的撞击动力学。研究考虑了两种情况：对于氧化液态金属液滴，重点关注其铺展行为；对于高密度悬浮液，则确定其飞溅的起始条件。更广泛而言，此处引入的高时间分辨率与高空间分辨率成像相结合的技术，为研究多种微尺度下的快速动力学现象提供了显著优势。

引言

液滴撞击固体表面是许多应用中的关键过程，涉及电子器件制造¹、喷雾涂层²以及基于喷墨打印的增材制造^3,4，在这些应用中需要精确控制液滴的铺展和飞溅行为。然而，对液滴撞击过程的直接观测在技术上面临两个挑战。首先，这是一个复杂的动态过程，发生的时间尺度极短（约100 µsec），常规成像系统（如光学显微镜和单反相机）难以清晰捕捉。闪光摄影虽然能够实现更快的成像，但无法连续记录，而连续记录是详细分析时间演化过程所必需的。其次，由撞击不稳定性引发的长度尺度可小至10 µm ⁵。因此，为了定量研究撞击过程，通常需要一个兼具超快成像能力和足够高空间分辨率的系统。在缺乏此类系统的情况下，早期关于液滴撞击的研究主要集中在撞击后的整体几何形变^6-8，但无法获取与撞击相关的早期非平衡过程（例如飞溅起始）的信息。近年来，CMOS高速流体摄像技术的进步^9,12已将帧率提升至每秒一百万帧，曝光时间缩短至1 µsec以下。此外，新开发的CCD成像技术可将帧率进一步提升至远超每秒一百万帧^9-12。另一方面，通过使用放大镜头，空间分辨率可提高到约1 µm/像素量级¹²。因此，如今已能够以前所未有的细节探索多种物理参数对液滴撞击各个阶段的影响，并系统地进行实验与理论的比较^5,13-16。 例如，已发现牛顿流体中的飞溅转变由环境气压决定⁵

方案

1. 快速成像设置（见图1）

1. 首先设置一个垂直轨道，用于安装盛有待研究流体的容器，使其可自由移动以调节撞击速度。流体从容器底部的喷嘴流出后进入自由下落状态。本实验中，下落高度在 1–200 cm 范围内变化，以获得撞击速度 V₀ = (0.4–6.3)±0.15 m/sec。
2. 构建并安装一个支架，用于固定水平撞击平面（通常为玻璃板），并在其下方放置一个倾斜的反射镜，以便从底部观察液滴撞击过程。
3. 将一块洁净且光滑的玻璃板放置在支架上，确保玻璃板处于水平状态。
4. 将注射泵安装到垂直轨道上。
5. 对于液态金属撞击实验，在喷嘴后方放置一张透明纸作为扩散屏，用于侧视成像；同时，在注射泵上方贴一张白色不透明纸，以提供底部观察所需的反射背景（见图1）。然后，将光源置于喷嘴后方。
6. 对于浓悬浮液撞击实验，无需使用扩散屏，只需将光源放置在成像平面前方即可。
7. 根据所需的放大倍数和光学工作距离，选择合适焦距的微距镜头，并将其连接至相机。
8. 将相机安装在三脚架上，并根据成像视角（侧面或底部）调整相机高度。

2. 样品制备

1. 氧化液态金属的制备
   1. 将镓铟共晶合金（eGaIn）储存在密封容器中。由于其熔点约....

结果

快速成像技术可用于量化不同撞击情景下的铺展与飞溅现象。图4(a) 展示了具有不同氧化层强度的液态 eGaIn 的典型撞击图像序列。通过从同一喷嘴以相同的下落高度喷射 eGaIn，生成了具有可重复撞击速度 V₀ = 1.02±0.12 m/sec 和半径 R₀ = 6.25±0.10 mm 的液滴。左列为未经酸预清洗的空气氧化 eGaIn 液滴的撞击过程。当流体从喷嘴脱离时，在液滴顶端形成一条长尾。与普通液体不同，氧化层阻止了流体自由释放表面能，因此在下落过程中这种非球形几何形态保持不变。撞击发生后，一层薄的液态金属膜（lamella）迅速在光滑基底上扩展。将样品用酸清洗可减少氧化层并削弱表皮效应。图4(a) 中的中间列和右列分别展示了经 0.01 M 和 0.2 M HCl 预清洗的液滴图像。当酸浓度足够强，完全消除可观测的表皮效应时，eGaIn 的铺展行为与普通液体无异（右列）。

为了表征撞击后的径向扩展行为，可将扩展因子定义为 P<.......

讨论

快速成像的正确实施包含若干关键步骤。首先，相机和镜头必须进行适当的安装和校准。特别是，为了获得高空间分辨率，镜头的复现比例必须保持在接近1:1的水平，这对于浓悬浮液的可视化尤为重要。此外，光圈大小的选择也需谨慎。例如，通常从侧面观察需要更大的景深，因此应采用较小的光圈。为了维持视频的亮度，需要增加曝光时间，从而降低帧率（约6,000 fps）。相比之下，底部观察仅需让相机聚焦于单一平面，因此可以获得更高的时间分辨率（约10,000 fps）。

其次，合适的照明设置是获得液滴清晰边界的关键因素。由于所有样品均采用背光或前光照明，光源必须与成像平面垂直对齐。如果照明角度倾斜，则图像中会出现阴影，且样品表面会产生反射例如 来自光滑表面（如液态金属）的强反射可能导致精确的边界检测无法实现。

第三，在进行视频录制时，相机触发时机至关重要。用户必须预估在触发前需要录制多少帧图像。具体的设置可能因人而异，取决于不同的反应时间。因此，在正式测量前，有必要进行多次试拍练习。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
镓铟共晶合金	Sigma Aldrich	495425-25G
盐酸	Sigma Aldrich	320331-2.5L
氧化锆	Glen Mills Inc.	7200
Phantom V12 和 V7 高速摄像机	Vision Research	N/A
105 mm 微距尼康镜头	Nikon	N/A
12 V / 200 W 光源	Dedolight	N/A
注射泵	Razel	MODEL R9-9E