一种用于研究稠密气体和液体中分子流体动力学过程的宏观模拟技术

本实验的总体目标是利用一种模拟技术来研究液体中分子尺度的流体动力学过程，该技术通过测量振动颗粒堆中的单个及集体颗粒动力学行为实现。该技术的主要优势在于，它提供了实验上可实现的逆微腔环境，可直接观测复杂的分子尺度动力学行为。由于该技术与相互作用粒子系统的统计力学密切相关，因此为深入探究该领域中的基本科学问题开辟了实验研究的新途径。

该技术还可用于研究相互作用的宏观粒子系统的统计力学，例如我们正在探究的振动颗粒堆。通常，使用该技术的研究人员在学习平衡态与非平衡态统计力学的基本要素时会遇到困难，而这些知识对于解释实验现象和设计实验至关重要。该技术的可视化演示极为关键，因为它将粒子成像测速技术的应用范围从通常用于测量微米级粒子运动，拓展到了厘米级颗粒的运动测量。

该实验使用此振动系统。它由一个环形聚氨酯料斗和一个单速不平衡电机组成，电机用于产生振动。系统通过一组弹簧将带配重的底座与料斗连接并隔开。

使用橡胶挂钩将碗状组件固定到支架上。在碗内安装一个三轴加速度计，该加速度计连接至远离振动系统的桌面上的传感器信号装置。

接下来，使用实验选定的磨料介质。本实验中，采用边长相同的陶瓷抛光介质直切三角形。将介质加入振动研磨碗中。在研磨碗附近，准备好水和抛光化合物溶液，用于润湿介质。

同时，设置一个蠕动泵以驱动振动槽中的液体。从泵引出一根塑料管至槽的顶部。设定泵的流速，但暂不启动液体流动。

进行成像时，设置一台高速相机。选择适合所需表面覆盖范围和分辨率的镜头。将相机固定在与振动系统隔离的支撑结构上。

安装相机时，其轴线应垂直于介质的开放表面，并位于其上方550毫米处。接着，将相机连接至电源、GPS天线和计算机。在计算机上启动相机软件，并选择相机。

使用软件实时查看相机的视野。在设置时，使用任何明亮光源照亮测试区域。所选视野应被均匀照亮。

接下来，使用相机软件将图像数字放大至500倍。在相机端调节镜头上的对焦环，目标是为数据采集获得最佳的光学对焦效果。

然后将数码变焦恢复至无放大状态。接着设置相机的采集速率。在拍摄图像前，将带有刻度的标尺置于视野中。

使用相机拍摄其单张图像。在从相机中删除图像之前，先将其保存为 TIFF 文件。相机准备就绪后，准备启动振动料斗。

从容器中取出150毫升抛光液。将这150毫升抛光液倒入振动碗中，并均匀铺开，以实现对介质的初步润湿。接着，将装有抛光液的大容器放置在蠕动泵附近的地面上。

在启动泵之前，将一根软管从泵连接到容器。此时，启动振动料斗，并等待至少一分钟。待流体处于稳态后，触发相机，记录视场内所选运行时间内的动作。

这些记录的帧已制成视频。数据采集完成后，关闭振动系统，然后关闭蠕动泵。

进行处理时，将采集的图像作为 TIFF 文件保存在计算机上，并将其转换为灰度图像。然后在粒子图像测速软件环境中开始工作。点击“文件”菜单，依次选择“导入”和“导入图像”。

在“导入向导”对话框中，选择“单帧”，然后选择“添加图像”。接着选择校准图像，将其添加到待导入的图像中。再次点击“添加图像”，然后选中所有数据图像以将其选中进行导入。

继续点击“下一步”。在接下来的界面中输入相机设置，包括帧率和像素间距。输入完成后，点击“下一步”，然后点击“完成”。

现在转到内容列表。校准图像应位于第一个。右键单击第二幅图像，选择“从此处拆分图集”以生成两个图像集。

获取仅包含校准图像的图像集，并将其拖放到标记为“新校准”的位置。接着，右键单击该校准图像集，选择“测量比例因子”。校准图像将显示在屏幕上。

在图像中，将 A 标记放置在末尾图像标尺上。然后将 B 标记放置在标尺上的另一位置。转到绝对距离文本框，并根据标尺输入两个标记之间的距离。

单击“确定”以保存设置并继续。现在选择不包含校准图像的已导入图像集，然后单击“分析”。

选择“创建双帧”。然后从样式选项中选择创建图像对。要定义 interrogation 区域，请打开任意非校准图像。

右键单击图像，然后选择粒子密度。在出现的对话框中，将显示探针区域的放大视图。单击“设置”选项卡，然后开始调整探针区域大小。

目标是确保探针区域内始终至少有三个粒子。记录探针区域的大小以供后续使用。返回到“分析”并选择自适应相关法。

单击“确定”。转到询问区域选项卡并单击它。在其中选择先前确定的询问区域，该区域应能够识别出三个或更多颗粒。在自适应相关对话框中单击“确定”以执行分析。

在分析过程中，需目视检查前几个速度场。这是将矢量场叠加在培养基灰度图像上的示例。在此情况下，矢量的长度和方向看起来不一致或不合理。

在生成矢量图的过程中进行目视检查，以确保结果合理。如果结果不理想，应停止处理，调整用户自定义的输入参数（如 interrogation area），然后重新启动分析。以下是矢量场结果满意的示例。

再次叠加在灰度图像上。当分析完成后，将为每对图像生成一个覆盖整个视场的矢量场。粒子图像测速数据可用于将系统中某一点的速度分布拟合到麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

图像显示了实验中使用的颗粒。红色标尺代表一厘米。蓝色数据表示测得的颗粒水平特殊速度的归一化直方图。

多种颗粒类型的数据均与无耗散的哈密顿动力学、速度无关的颗粒间势能以及势能无关的动能相一致。此外，这些数据还为局部宏观力学平衡提供了证据。单个颗粒的速度自相关函数是颗粒碰撞特征次数的函数，也可从测速数据中提取得出。

单个颗粒的动力学行为在定性上类似于分子液体和稠密气体中预测的行为。这些谱图是通过在同时进行容器加速度测量的情况下，利用粒子图像测速技术确定的。颗粒堆容器系统中的共振声波与空容器中的共振声学模式相一致。

由于实验的局限性，局部特殊流体速度谱中的声学模式并不明显。该方法有助于回答液体分子流体动力学中的关键问题，例如，如何从分子不可预测的液态动力学中产生可预测、可观测的流体流动。一旦掌握，该实验过程的操作部分可在一小时之内完成。

PIV 处理和数据分析所需时间从一小时到数天不等，具体取决于数据处理系统的性能。需要认识到，为了将振动颗粒系统中的观测结果与分子流体动力学联系起来，必须掌握平衡态与非平衡态统计力学的基本原理。在此基础上，该技术已被用于实验验证振动驱动颗粒流动的流体动力学模拟结果，并将颗粒流体中测得的黏度与非平衡态统计力学预测的黏度进行对比测试。

观看本视频后，您应能够合理理解如何首先搭建粒子图像测速（PIV）系统以测量振动颗粒系统，其次如何利用这些测量结果来研究分子流体动力学系统。