研究非牛顿流体液滴撞击动力学的快速成像技术

以下实验的总体目标是利用高速成像技术研究非牛顿流体液滴（包括液态金属和致密颗粒悬浮液）撞击过程中的动力学行为。首先建立高速摄像系统，以观测液滴撞击表面时的瞬时动力学过程。第二步，开展一系列液态金属撞击实验，以获取表面氧化诱导的弹性效应对液滴铺展半径影响的相关信息。

接下来，对浓悬浮液进行撞击实验，以研究其飞溅起始和铺展动力学。实验结果表明，有效表面张力、黏度、撞击速度以及悬浮颗粒直径等多种流体参数共同决定了非牛顿流体液滴的撞击动力学行为。该方法有助于回答浓悬浮液领域中的关键科学问题，例如，何时可通过系统的整体性质描述其行为，以及何时必须考虑单个颗粒的影响。

尽管该测量方法可为复杂流体的冲击动力学提供深入见解，但它也可应用于其他包含快速动态过程的观察，例如裂纹状态的形成、液滴断裂时的固体缩颈现象，以及颗粒系统中颗粒的快速运动。首先准备成像装置：其中一个组件是垂直轨道，能够支撑注射泵安装架，使注射泵可调节至不同高度，从而改变待测流体的自由下落高度。

轨道旁边有一个支架，用于支撑一块干净的玻璃板，该玻璃板作为水平撞击面。确保玻璃板表面水平。在玻璃表面下方放置一个倾斜的反射镜，以便从下方观察液滴撞击过程。

接下来，在玻璃板上方固定一张不透明的白色纸张以反射光线，便于从底部观察液态金属的撞击过程。在观察方向的对面放置一张透明的纸制漫射器，以辅助进行侧面成像。然后将光源放置在漫射器后方区域。

打开光源，均匀照亮冲击区域。现在将配备合适镜头的相机安装在三脚架上并调平，使其能够拍摄表面图像。将相机连接到用于控制和显示的计算机。

从密封容器中取出储存的镓铟液态合金，开始样品制备。在室温下，使用移液管从容器中吸取三毫升液体。取一块丙烯酸板，将镓铟液态合金挤出至其表面。静置30分钟，使样品在空气中完全氧化。

一层薄薄的氧化皮肤将完全覆盖样品表面。操作盐酸时应采取适当的防护措施，并在TER容器中配制200毫升的酸浴。酸浴的浓度为一个实验参数。

将样品放入酸浴中，确保样品完全浸入浴液。使用TER以每秒60转的速度剪切10分钟。酸预洗完成后，从ReMeter中取出酸浴。

使用带有1至2毫米钢制喷嘴头的塑料2毫升注射器，从浴液中回收1.5毫升的镓铟锡合金样品提取物。样品现已准备就绪，可用于实验。将注射器安装在注射泵上，用于浓悬浮液的样品制备。

实验开始时，取一个市售注射器，将其末端切掉，用作圆柱形管来分配悬浮液。填充注射器时，首先准备一个盛水的容器，将注射器末端浸入水中，向后拉动活塞使其充满水，确保内部无气泡。

接下来，将注射器开口端朝上握住。将球形的二氧化锆或玻璃珠装入注射器中，直至装满，使水自然溢出。使用剃刀片去除顶部多余的结块颗粒，以保持该端平整。

将注射器翻转并安装到泵的表面。张力可防止颗粒掉落。在录制视频之前，需调整成像和照明系统，并校准空间分辨率。

首先，启动注射泵，以每小时20毫升的速率推出液体。等待此处的浓悬浮液从注射器脱离并下落，以在玻璃表面形成一次测试冲击。冲击发生后，关闭注射泵。

然后调整相机的位置和方向，直到飞溅物在显示器上显示出来。接着，将图像的再现比例设置为1:1，并调节工作距离，使图像在相机设定为某一帧时位于焦平面上。以每秒超过6,000帧的速度拍摄时，调整光圈大小、曝光时间以及照明角度，以获得最佳质量的图像。

确定相机设置后，将一把尺子放置在显示器的视野范围内。通过计算一厘米长度内所包含的像素数量，来确定空间分辨率。确保水平方向与垂直方向的分辨率没有差异。

校准成像系统后，以每小时20毫升的流速重新启动注射泵。同时，准备好相机控制软件以监测液滴形成过程，以便在记录数据前进行观察。在开始记录前，仔细练习观察液滴的形成过程，以便在液滴从喷嘴脱离的瞬间手动触发相机拍摄。

数据记录完成后，将视频编辑至包含撞击过程的部分，并将其保存为图像序列以供分析。该高速成像技术已被用于研究不同氧化层的镓铟锡合金的撞击行为。皮肤强度由酸测定。

此处所示的预冲洗图像为三种不同样品在撞击玻璃表面时铺展过程的帧序列。每个液滴均从相同的喷嘴高度下落，撞击速度约为每秒一米。初始液滴直径为6.25毫米，且未进行预冲洗。

氧化层会阻止液态金属在下落过程中释放表面能，从而导致其呈现非球形；而清洗样品并使用酸处理可减少氧化物，削弱表面层效应。在足够高的酸浓度下，镓、铟与普通流体之间未观察到差异。

该数据可用于展示从毛细管主导区域向黏性主导区域的转变过程。当将初始半径与最终半径之比除以雷诺数的五分之一次幂，作为有效韦伯数与雷诺数的五分之四次幂之比的函数作图时，数据点可归并为一条单一曲线。在密集悬浮液中，飞溅起始现象已在黏性耗散相对于惯性效应可忽略的区域内得到研究。此图为不同颗粒密度与粒径（其乘积沿水平轴分布）对应的飞溅相图。

纵轴为文稿中定义的颗粒韦伯数。红色圆圈表示始终观察到飞溅现象。插图显示了一次典型的飞溅图像。

蓝色圆点表示未发现飞溅。第二个插图是无飞溅图像的示例。绿色方块表示同时发现飞溅和无飞溅的情况。

每个数据点均重复实验10次。结果与临界韦伯数约为14±2一致。在尝试该实验步骤时，重要的是要反复练习制备样品，并频繁测定填充分数，以确保能够稳定、一致地制备样品。

这将确保在实验开发完成后，其实验结果具有可重复性。该技术为复杂流体领域的研究人员探索不同液体系统的撞击动力学影响铺平了道路。