Methodenartikel

Eine analoge makroskopischen Technik für das Studium molekulare hydrodynamische Prozesse in dichten Gasen und Flüssigkeiten

DOI:

10.3791/56632

⸱

4. Dezember 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of North Carolina at Charlotte

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Eine experimentell zugängliche analoge Methode zur Untersuchung von molekularen hydrodynamischen Vorgänge in dichten Flüssigkeiten wird vorgestellt. Die Technik nutzt Particle Image Velocimetry geschüttelten, hohe Entschädigung Getreide Pfähle und ermöglicht die direkte, makroskopischen Beobachtung von dynamischen Prozessen bekannt und voraussichtlich in stark wechselwirkenden, hohe Dichte Gase und Flüssigkeiten vorhanden sein.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Eine analoge, makroskopische Methode für das Studium molekularer Ebene hydrodynamische Prozesse in dichten Gasen und Flüssigkeiten wird beschrieben. Die Technik gilt ein standard Fluid dynamische Diagnostik, Partikel Bild Velocimetry (PIV) zu messen: i) Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen (Körner), auf kurze, Korn-Kollision erhaltene Zeitskalen, Ii) Geschwindigkeiten von Systemen von Partikeln auf kurz- Kollision-Zeit und lange, Kontinuum-Flow-Zeit-Skalen, Iii) kollektive hydrodynamischen Modi bekannt in dichten molekularen Flüssigkeiten und iv) Short und long-time-Skala Geschwindigkeit Autokorrelation Funktionen, zentral für das Verständnis Partikelskalierung Dynamik in stark wechselwirkenden, dichten Fluidsysteme. Das Grundsystem besteht aus ein bildgebendes System, Lichtquelle, Schwingungs Sensoren, Schwingungs-System mit einer bekannten Medien, PIV und Analyse-Software. Erforderlichen experimentellen Messungen und einen Überblick über die theoretischen Werkzeuge bei der analogen Technik auf um molekularer Ebene hydrodynamische Prozesse zu studieren, werden hervorgehoben. Die vorgeschlagene Technik bietet eine relativ unkomplizierte Alternative zu photonischen und Neutron beam Streumethoden traditionell in molekularen hydrodynamische Studien verwendet.

Einleitung

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Molekulare Hydrodynamik untersucht die Dynamik und statistische Mechanik von einzelnen Molekülen und Sammlungen von Molekülen in Flüssigkeiten. Unter den vielen experimentellen Techniken, entwickelt für das Studium der molekularen hydrodynamischen Systemen1,2, Lichtstreuung1,2,3, molekulare dynamische Simulationen4, 5,6,7 und in geringerem Maße, inelastischer Neutronenstreuung Streuung8 am häufigsten verwendet wurden. Leider legen erhebliche Einschränkungen auf die letzteren beiden Techniken. Molekulardynamik (MD)-Simulationen, zum Beispiel: (i) sind limitiert auf kleinen räumlichen und zeitlichen figure-introduction-1 Domänen enthalten relativ wenige Moleküle figure-introduction-2 , Ii) erfordern Einsatz ungefähre Inter Partikel Potentiale, (Iii) in der Regel einführen periodische Randbedingungen, ungültige unter nicht-Gleichgewichts-Bulk Strömungsverhältnisse und iv), zur Zeit die Frage nicht beantworten grundlegende wie molekularer Ebene Dynamik, an denen entweder einzelne Moleküle oder Sammlungen von Molekülen, sind davon betroffen und koppeln zurück zu bulk, nicht-Gleichgewichts-Strömung. Die Haupteinschränkung Neutronenstreuung zugeordnet ist, die Schwierigkeit der Zugriff auf die begrenzte Anzahl von Neutronen Strahlquellen zur Verfügung gebunden.

Um Kontext für die analoge experimentelle Technik, die in diesem Artikel vorgestellten bereitzustellen, markieren wir Lichtstreuung Techniken einfach dichten Gas und Flüssigkeit-Staat Flüssigkeiten. In einem typischen Lichtstreuung Experiment richtet ein polarisierten Laserstrahl an ein kleines Verhör-Band mit einer stationären Fluid-Probe. Von Molekülen in der Probe gestreuten Lichts wird dann in einigen festen Winkel im Verhältnis zu den einfallenden Strahl erkannt. Abhängig von der molekularen dynamischen Regime von Interesse beinhaltet Detektion und Analyse von verstreuten Lichtsignal leichte Filterung oder Licht Detektionsmethoden mischen. Wie beschrieben durch Bern und Pecora1Filtertechniken, die flüssigen Zustand Molekulardynamik pünktlich Sonde skaliert kürzer als figure-introduction-3 s, führen Sie einen Post-Streuung Interferometer oder Beugungsgitter und scannen die spektrale Dichte des gestreuten Lichts. Optische Mischtechniken, verwendet für langsame Zeitskala Dynamik, figure-introduction-4 s, enthalten im Gegensatz dazu, eine Post-Streuung Autocorrelator oder Spectrum Analyzer, in dem der spektrale Inhalt des gestreuten Signals wird das gemessene Streulicht entzogen Intensität.

In der Regel Laser-Sonden, mindestens Auftraggebern im sichtbaren Bereich des Spektrums haben Wellenlängen wesentlich länger als die charakteristischen Abstand zwischen flüssiger Zustand Moleküle. Unter diesen Umständen der Sonde Strahl reizt fünf Kollektiv, langsam Zeitskala, lange Wellenlänge hydrodynamischen Modi2,9,10 (langsam im Vergleich zu den charakteristischen Kollision Frequenz): zwei Blutschleim gedämpft, gegen Vermehrung Schallwellen, zwei abgekoppelt, rein diffusive Vorticity-Modi und einen einzigen diffusiven Thermal (Entropie)-Modus. Sound-Modi sind in (Längsrichtung) des einfallenden Strahls, begeistert, während die bejubelten Modi in Querrichtung angeregt werden.

Da rein experimentellen Techniken, zwei grundlegende Fragen, liegen im Herzen des Gleichgewichts und nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des molekularen Streuung, bleiben flüssiger Zustand Systeme jenseits von Licht und Neutronen-Streuung Messungen:
(1) strenge Argumente9,11 -Show, die die zufällige, Kollision - und sub-collision-Zeitskala Dynamik einzelner Moleküle der Flüssigkeit-Zustand, klassischen Newtonschen Dynamik oder Quantendynamik, in neu gefasst werden können die Form von generalisierten Langevin Gleichungen (GLE). GLE, umfassen wiederum ein zentrales theoretisches Werkzeug in der Studie der nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik von Molekülen in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Leider, da die Dynamik der einzelnen (nicht-makromolekulare) Moleküle von entweder Streuung Technik gelöst werden können, gibt es derzeit keine direkte Möglichkeit, über MD-Simulationen, die Gültigkeit der GLE testen.
(2) eine grundlegende Hypothese liegen im Herzen der makroskopischen Kontinuum Fluiddynamik, postuliert sowie Microscale molekulare Hydrodynamik, die auf - und Zeit-Längenskalen groß im Verhältnis zu molekularen Durchmessern und Kollision, aber klein im Vergleich zu Kontinuum Länge und Zeitskalen, herrscht lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTE). Im Kontinuum Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge Transfermodelle, wie die Gleichungen von Navier-Stokes (NS), ist die LTE-Annahme erforderlich9 um per se nicht-Gleichgewichts, Kontinuum-Skala Flow und Energie Transportfeatures paar — wie viskosen Scherspannungen und Wärmeleitung – streng Gleichgewicht thermodynamischen Eigenschaften wie Temperatur und innere Energie. Ebenso während Microscale Impuls und Energie Transport sind per se nicht-Gleichgewichts-Prozesse, spiegelt das Erscheinungsbild der gekoppelten, Microscale Masse, Impuls und Energieströme, Modelle dieser Microscale Prozesse davon ausgehen, dass die Ströme darstellen Sie kleine Störungen von LTE9. Wieder, nach bestem Wissen und gewissen gab es keine direkten experimentellen Tests der LTE Himmelfahrt. Insbesondere scheint es, dass keine molekulare hydrodynamischen Streuexperimente in dichten, bewegliche, nicht-Gleichgewichts Fluidströme versucht wurden.

In diesem Artikel beschreiben wir eine analoge experimentelle Technik in der makroskopischen, einzelne Partikel und kollektive Partikel Dynamik der geschüttelten Korn Pfähle, gemessen mit standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), indirekt Vorhersagen verwendet werden kann, interpretieren Sie, und setzen Sie Single und molecule Hydrodynamik in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Die physikalischen und theoretischen Elemente, mit denen die vorgeschlagene Technik sind in einer aktuellen Publikation unserer Gruppe12angegeben. Experimentell, das makroskopische System aufweisen muss: (i) eine anhaltende Tendenz zur lokalen, makroskopischen statistische mechanische Gleichgewicht und (Ii) kleine, lineare Abweichungen von Gleichgewicht, die (schwache) nicht-Gleichgewichts-Schwankungen zu imitieren beobachtet molekularen hydrodynamischen Systemen. Theoretisch: (i) die klassische Microscale Modelle zur Beschreibung das Gleichgewicht und die schwach-nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des dichten, interagierenden N-Partikel-Systeme müssen werden Neufassung in makroskopischen Form, und (Ii) die daraus resultierenden makroskopischen Modelle müssen zuverlässig Einzel- und mehrfach-Partikel Dynamik von kurz, Partikel-Kollision-Fristen zu lang, Kontinuum-Fluss-Zeitskalen vorherzusagen.

Hier präsentieren wir Ihnen ein detailliertes Protokoll der experimentellen als auch repräsentative Ergebnisse, die durch die neue Technik. Im Gegensatz zu MD-Simulationen und Licht und Neutron Streumethoden ermöglicht die neue Technik zum ersten Mal detaillierte Untersuchung der molekularen hydrodynamische Prozesse in fließenden, stark nicht-Gleichgewichts, dichten Gasen und Flüssigkeiten.

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Protokoll

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1. Vorbereitung des Vibrations-Systems

  1. Das schwingende System richten Sie ein, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieses System besteht aus einer ringförmigen Polyurethan Schüssel (mit einem äußeren Durchmesser von 600 mm), ein Singlespeed (1740 u/min), unsymmetrische Motor befestigt wo letztere Prozess Vibrationen erzeugt. Dies ist an eine gewichtete Basis befestigt und durch eine Gruppe von acht Federn (die Schüssel und gewichtete Basis sind gekauft, montiert in einem Stück) getrennt. Befestigen Sie die Schüssel Montage an seinem Stand und sichern mit zwei mitgelieferten Kautschuk-Haken. Peristaltische Pumpe auf einem Tisch in der Nähe der Schüssel legen und Pumpe Auslaufschlauch um Einlass Schmierstelle Schüssel legen.
    1. Der innere Radius der ringförmigen Schüssel aufgenommenen Schüssel Schwingungen niedriger Amplitude Bedingungen beimessen Sie einem triaxialen Beschleunigungssensor und verdrahten Sie den Beschleunigungsmesser mit Sensor Signal Conditioner. Stellen Sie die Signal Conditioner auf einen Tisch vom Vibrations System. Die Beschleunigungsmesser/Signal Conditioner Kombination gesteuert Daten Hardware/Software zur Datenerfassung auf einem standard-Computer installiert.
  2. Bereiten Sie gewählte Medien, indem Sie in Wasser zu waschen und um zu trocknen. Verschiedene Arten von Medien wurden während der verschiedenen Experimente verwendet. Verwenden Sie für dieses Papier Poliergranulat gerade geschnitten Dreieck (10 x 10 mm x 10 mm Dreieck von vorne und 10 mm Dicke aus gesehen) Keramik.
    1. Bestimmen Sie die Medien Packungsdichte indem zuerst eine leere Plastiksack im Labormaßstab und die Waage tarieren. Füllen Sie den Plastiksack mit den gewählten Medien (nicht zu übertreffen 18,927 L (5 Gallonen) und nehmen das Gewicht der Medien (g oder kg). Für diese Art von Medien und aktuellen experimentellen Aufbau war das Gewicht 22,68 kg (50 lb).
      1. Stellen Sie den Eimer in ein großes Waschbecken oder außerhalb des Gebäudes von anderen Geräten. Füllen Sie den Eimer (dafür eingerichtet, ein 18,927 L (5 US gal) Eimer verwendet wurde) mit Wasser bis zur Markierung full und langsam senken den Plastiksack voller Medien in den Eimer. Nach die Plünderung der Medien vollständig eingetaucht sind, heben Sie langsam den Beutel aus dem Wasser zu vermeiden, spritzt und der Plünderung beiseite legen. Verwenden Sie einen 1000 mL graduierte Zylinder, füllen Sie den Eimer bis seine ursprüngliche Markierung full, Aufnahme den Gesamtbetrag der Wasser hinzugefügt. Diese Menge an Wasser hinzugefügt werden figure-protocol-1 wo figure-protocol-2 ist das Material Packvolumen der Medien (für diese Einrichtung, 13.750 mL Wasser zurück in den Eimer hinzugefügt wurde). Die Menge an Wasser hinzugefügt werden abhängig von der Art der verwendeten Medien.
      2. Berechnen Sie die Medien Packungsdichte durch die folgende Gleichung:
        figure-protocol-3
        wo figure-protocol-4 ist die Packungsdichte der Medien und figure-protocol-5 ist die Masse der Medien (für dieses Medium die Dichte wurde berechnet 1649 figure-protocol-6 ).
    2. Aktivieren Sie das schwingende System durch Einstecken in die Steckdose (dieses Modell hat zwei Möglichkeiten, (1) schließen Sie an Wand oder (2) führen mit Timer angebracht um zu stehen). Aktivieren Sie Datenerfassungs-Software auf dem Computer zu, durch Drücken des "Start"-Pfeils auf der Benutzer Programm geschrieben und sammeln Sie Daten für 1 Minute. Beschleunigungsdaten werden sowohl für die sofortige Überprüfung (im Zeitbereich und Frequenzbereich) angezeigt und automatisch gespeichert, um eine CSV-Datei für die mögliche Nachbearbeitung. Ziehen Sie den Netzstecker aus der Steckdose um das schwingende System deaktivieren.
    3. Hinzufügen von Medien zur Vibrations Schüssel.
    4. Bereiten Sie Verbindung, bestehend aus 3880 mL Wasser und 120 mL finishing zusammengesetzten (FC) (3 % Volumen)-Lösung. Peristaltische Pumpe auf 1,9 L/h (drehen Kurzwahl auf 27 dieser Durchfluss zu erreichen), aber leiten Sie nicht fließen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lösung nicht rezirkuliert, aber reicht aus, um die Medien nass zu halten. (Diese Lösung ist eine häufig verwendete Vibrations-finishing-Lösung). Die Lösung dient als Schmier-Agent und sorgt für die Medien nicht zusammenkleben oder während des Verfahrens zermürben.
    5. Aktivieren Sie das schwingende System durch Einstecken in die Steckdose. Sammeln Sie Beschleunigungsmesser Daten gemäß Schritt 1.2.2. Ziehen Sie den Netzstecker aus der Steckdose um das schwingende System deaktivieren.

(2) high-Speed-Imaging

Hinweis: Für Geschwindigkeitsmessungen Feld Getreide zu erhalten, durch einen Teil der Fläche des fließenden Korn Haufens, der imaging-Bereich bildgebende figure-protocol-7 entspricht das Sichtfeld (FOV) in Schritt 2.2.4 unten bestimmt. Messung von zeitlich veränderliche, individuelle Maserung Geschwindigkeiten (an der Oberfläche Haufen) erhalten Sie durch die Wahl eines kleinen, festen Sub-Bereich, figure-protocol-8 , in figure-protocol-9 wo, wie unten beschrieben, figure-protocol-10 liegt im Bereich von der Projektionsfläche eine individuelle Maserung.

  1. Richten Sie eine high-Speed-Kamera (die Kamera hat 1504 x 1128 Auflösung bis zu 1.000 Bildern pro Sekunde (fps)), Bilder zu erfassen, indem Sie sie auf einem Stativ oder bauen einen starren Rahmen mit dem Objektiv senkrecht zur offenen Oberfläche des Vibrations-Systems (wenn die Schale Vibra ist Ting) wie in Abbildung 1zu sehen. Diese starren Rahmen unterscheidet sich von der Schwingungs-System und sorgt dafür, dass die Schwingungen aus dem System Bildgebung nicht beeinträchtigen.
    1. Bringen Sie entsprechende Objektiv für gewünschte Oberfläche Integration und Auflösung. Verwenden Sie für das aktuelle Setup eine 18-250 mm Zoom-Objektiv mit und Objektiv Verhältnis 1:3.6 - 6.3.  Befestigen Sie Stromversorgung und GPS-Antenne, Kamera.  Schließen Sie Kamera an Computer über ein CAT5-Kabel an.  Legen Sie die Kamera, so dass das Ende der Linse ca. 550 mm über der Oberfläche des Mediums ist.
      Hinweis: Platzierung der Kameras zu nahe an die Medien bewirkt erhöhte Randeffekte und Platzierung der Kameras zu weit weg wird dazu führen, dass die Bilder zu dunkel, zu verarbeiten. Im angegebenen Abstand Fehler durch Randeffekte und allgemeine Krümmung der Testfläche ist < 2 %.
    2. Entfernen Sie Objektivdeckel und starten Sie der Kamera-Software. Wenn er gestartet wurde, klicken Sie auf "Kameras", und klicken Sie dann auf "OK". Wenn Kameraliste aufgefüllt wird, wählen Sie die Kamera aus der Liste und klicken Sie auf öffnen.
    3. Klicken Sie in der Kamerasoftware auf dem Computer, auf der Registerkarte "Live" auf "Live" (blauer Pfeil) um die Kamera FOV anzuzeigen. Schalten Sie die Lichtquelle zur Beleuchtung der Region abgebildet werden. Dies kann kein helles Licht sein, solange es das Testgebiet gleichmäßig beleuchtet. Abbildung 1 zeigt die Kamera und leichte Konfiguration in Bezug auf das schwingende System.
    4. Um die Blende zu bestimmen, schauen auf den Bildschirm mit den live-Stream von der Kamera und stellen Sie die Blende auf seine niedrigste Einstellung (maximale Helligkeit). Wenn die Blende eingestellt ist zu gering, das Ergebnis ist eine geringe Schärfentiefe. Wenn die Blende zu hoch eingestellt ist, ist der Bildschirm zu dunkel. Für dieses Experiment wurde die Blende auf 3.6 festgelegt.
    5. Passen Sie die Brennweite am Objektiv, um die gewünschte FOV (210 x 160 mm für diesen Fall) zur Verfügung zu stellen. Für dieses Experiment einstellen der Brennweite bei 180 mm mit 550 mm über die mediale Oberfläche der Kamera. Abbildung 2a zeigt die FOV durch die Kamera.
    6. Digital vergrößern Sie 500 X Vergrößerung mit Hilfe der Kamerasoftware. Stellen Sie den Fokus-Ring am Objektiv für beste optische Schwerpunkt. Digitalen Zoom auf 100 % (Normalansicht) zurück.
    7. Klicken Sie unter Erwerb Einstellungen auf Computer auf "Rate [Hz]" und auf 500 Bilder pro Sekunde festgelegt.
      Hinweis: Um Korn-Kollision-Zeitskala Dynamik zu beheben figure-protocol-11 , muss mindestens eine Größenordnung größer sein als die auferlegten Schwingungsfrequenz, figure-protocol-12 (hier figure-protocol-13 Hz)
    8. Stellen Sie vor der Aufnahme von Bildern eine linierte Waage in das Sichtfeld; Dies stellt eine Längenskala für nachfolgende Bilddatenverarbeitung. Wählen Sie unter Übernahme Einstellungen auf Kamerasoftware Registerkarte "Aufnahme" unter "Live". Legen Sie "Record Modus" auf "Rundschreiben" und setzen Frames auf 1. Klicken Sie auf roten Kreis unter "Live"-Registerkarte, um ein einzelnes Bild aufzeichnen, wie in Abbildung 2 bzu sehen.
    9. Retten Sie das erfasste Bild als TIFF-Datei in eine bequeme Verzeichnis Verzeichnis (z.B. externe Festplatte) zu, indem Sie auf "Datei", und klicken Sie dann auf "Speichern Akquisitionen". Ein Dialogfeld mit mehreren Optionen angezeigt. Wählen Sie neben Dateityp im Dialogfeld .tiff aus dem Dropdown-Menü.
      1. Wählen Sie "Download-Optionen" Registerkarte am unteren Rand des Dialogfelds, und klicken Sie auf "Durchsuchen". Fügen Sie am oberen Rand des Dialogfelds den Namen des Ordners für den Test. Suchen Sie im Dialogfeld "Browse" und wählen Sie gewünschten Ort (z.B. externe Festplatte) und entsprechenden Ordner. Sobald Ordner ausgewählt wurde, klicken Sie "OK" dann "Speichern". Die Download-Manager-Box erscheint. Die Datei beginnt zu übertragen und in den Speicherort der Datei im Unterordner 001 angegeben gespeichert werden. Sobald das Bild übertragen, wird eine "Done" Status-Box auf dem Bildschirm angezeigt.
      2. Löschen Sie Bild von der Kamera durch Klicken auf die Schaltfläche "rote löschen".
        Hinweis: Das Protokoll kann hier angehalten werden.

3. Sammeln von Daten

Hinweis: Wenn das Protokoll angehalten wurde, wird die Kamera neu gestartet werden müssen. Folgen Sie Schritt 3.1. Wenn Protokoll nicht angehalten wurde, überspringen Sie Schritt 3.1.2.

  1. Starten Sie Kamera-Software und aktivieren Sie Beleuchtung wie in Schritt2 angegeben.
    1. Überprüfen Sie mit Kamera-Software aktiviert Lichtverhältnissen zu und führen Sie wie in Schritt 2.2.2 live. um korrekte Fokussierung zu gewährleisten.
    2. Wählen Sie eine totale experimentelle Laufzeit,figure-protocol-14
      Hinweis: Zwei konkurrierende Anforderungen müssen erfüllt sein: (i) figure-protocol-15 muss lang genug sein, dass statistisch stationäre Korn Strömungsverhältnisse gegründet, und (Ii) figure-protocol-16 sollte nicht so lange, große Mengen von überflüssigen Daten zu produzieren. Die Zeitskala auf der stationäre Bedingungen erscheinen muss durch Ausprobieren ermittelt werden. Verschiedene Methoden der unterschiedlichen strenge, können verwendet werden. Zum Beispiel (i) sicherzustellen Sie, dass die Zeit durchschnittliche Korn Geschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt oder auf mehrere Fixpunkte, nominell feste Größe oder Größen erreicht, oder Ii) sicherstellen Sie, dass neben der stationären bedeutet, entsprechende Abweichungen auch nominell festen übernehmen Magnituden. Für dieses Experiment wurde die Datenerhebung für 10.12 s, Erwerb von 5060 Rahmen entspricht. Konstanten Bedingungen in den Faserverlauf setzte nach ca. 1 s.
  2. Vibrierende Schüssel zu aktivieren.
    1. 150 mL finishing/Schmier-Verbindung (Schritt 1.2.4) gleichmäßig um die Schüssel zu ersten Benetzung der Medien zu verbreiten; und dann Platz Krug mit den restlichen zusammengesetzten auf dem Boden mit einem Schlauch an der peristaltischen Pumpe befestigt. Aktivieren Sie die peristaltische Pumpe (wie in Schritt 1.2.4) durch Umlegen des Schalters von "off", "im Uhrzeigersinn".
    2. Schalten Sie vibrierende Schüssel durch Einstecken in eine Steckdose und warten Sie mindestens eine Minute darauf sogar Benetzung und stetig fließenden Bewegung in allen Medien (stetig fließenden Bewegung tritt auf, wenn die Strömung der Flüssigkeit in die Schüssel von der peristaltischen Pumpe die Strömung der Flüssigkeit ablassen aus dem Abfluss Schüssel ungefähr gleich.
  3. Video- und sammeln Daten zu erfassen.
    1. Sobald Flüssigkeit stetige Bewegung (Schritt 3.2.2) erreicht, die Kamera auslösen, indem Sie auf das rote Aufnahmesymbol auf dem Bildschirm und klicken Sie dann auf das Häkchen roten Auslöser zur Aufnahme von Bildern, für die gewählte Dauer, Zeit figure-protocol-17 . Die Kamera speichert Bilder für den angegebenen figure-protocol-18 und speichern Sie die Bilder auf seinem internen Speicher. Abbildung 2a ist ein Beispiel für ein einzelnes Bild aus einer Reihe von 5060 Aufnahmen.
    2. Sobald Daten gesammelt werden, Vibrations System Herunterfahren Sie, um den Stecker aus der Steckdose ziehen und deaktivieren Sie die peristaltische Pumpe durch Umlegen des Schalters aus "im Uhrzeigersinn" auf "off" zu.
      Hinweis: Das Protokoll kann hier angehalten werden.

4. Ablauf Videodaten mit PIV

  1. Vorbereiten der high-Speed Kamerabilder PIV-Verarbeitung.
    1. Speichern Sie die aufgenommenen Bilder als TIFF-Dateien nach den Anweisungen in Schritt 2.1.9. (Im aktuellen System gesammelt 5060 Bildrahmen über 10,12 s dauert über eine Stunde zu übertragen). Sobald Bilder übertragen werden, wird ein Status "Fertig" auf dem Bildschirm angezeigt. Die Dateien gespeichert werden, in das gleiche Verzeichnis wie die Kalibrierung Datei in einen Unterordner als 002 identifiziert. Löschen Sie Bilder von der Kamera.
    2. Wandeln Sie die Farbbildern in Graustufenbilder Verarbeitung durch die PIV-Software zu ermöglichen. Laden Sie die Bilder in der Datenanalyse-Software mithilfe einer "imread()"-Funktion. Konvertieren Sie eine Kopie der Bilder mit der Funktion "rgb2gray()" zu und speichern/schreiben diese neuen Bilder in einen neuen Ordner mit der "imwrite()"-Funktion.
      Hinweis: Dieser Prozess/Daten-Analyse-Funktion ist verfügbar für mehrere Arten von Datenanalyse-Software und wird als ein komplettes Programm vom Forscher geschrieben. Abbildung 2 c ist ein Beispiel eines vergrößerten Bildes, nachdem es in Graustufen konvertiert und wurde wurde von PIV verarbeitet.
  2. Verwenden Sie PIV Software zur Berechnung Geschwindigkeit Felder.
    1. Verwenden Sie den Import-Assistenten, um den Satz von Graustufenbildern als Einzelbild Bilder in der PIV-Software-Umgebung zu importieren. Beginnen Sie den Import, indem Sie auf "Datei" und wählen Sie dann "Importieren" und "Bilder importieren".  Image Import-Assistenten im Dialogfeld wird angezeigt.  Wählen Sie "Einzelbild" Option "importieren" aus dem Menü und klicken Sie auf "Bilder hinzufügen".  Wählen Sie Kalibrierung Bild und klicken Sie auf "Öffnen", wodurch das Bild auf das Dialogfeld Liste "Bilder zu importieren".  Beim Import von Bildern, die Kalibrierung Bild (Schritt 2.1.9) zuerst hinzufügen, so dass es das oberste Bild in der Importliste.  Klicken Sie erneut auf "Bilder hinzufügen" Taste und markieren Sie alle Daten Bilder und klicken Sie auf "Öffnen", um sie zum Dialogfeld "Bilder zu importieren" hinzuzufügen.  Wenn Sie alle gewünschten Bilder ausgewählt haben, klicken Sie auf "Weiter". Geben Sie die Kamera-Einstellungen verwendet, enthalten Sie Frame-Rate und Pixel Pitch in den Dialogfeldern. Klicken Sie auf "Weiter" und "Fertigstellen", um den Importvorgang abzuschließen.
    2. Die Kalibrierung Bild aus der Bild und geben Sie die Länge Skala Parameter in der PIV-Software trennen.
      1. Wenn das Inhaltsverzeichnis nicht bereits angezeigt wird, das importierte Bild Set Rechtsklick und wählen Sie "Inhalt-Liste anzeigen" auf der linken Seite des Bildschirms in der Basis Datenstruktur. Vorausgesetzt, dass die Kalibrierung Bild das erste importierte Bild war, das zweite Bild in der Liste einen Rechtsklick und wählen Sie "Split Ensemble from Here". Drag & drop das neu erstellte Bild eingestellt (enthält nur die Kalibrierung Bild) an die Position auf der linken Seite des Bildschirms mit der Bezeichnung "Neue Kalibrierung".
      2. Eingestellten neu platzierten Kalibrierung Bild einen Rechtsklick und wählen Sie "Maßnahme Skalierungsfaktor". Wenn die Kalibrierung Bild auf dem Bildschirm erscheint, positionieren Sie die "A" und "B"-Marker auf dem Bild Lineal (oder ein anderes Objekt der Größe, ob Herrscher nicht verwendet wurde) und geben Sie den Abstand zwischen den Markierungen im Textfeld "Absoluten Abstand". Klicken Sie auf "OK" im Dialogfeld "Skalierungsfaktor Maßnahme", die Kalibrierung Einstellung speichern und schließen Sie das Dialogfeld und die Kalibrierung Bild.
    3. Erstellen Sie eine Reihe von Bildpaare, indem Sie das importierte Bild Set auswählen, und klicken Sie auf "Analysieren". Als nächstes wählen Sie "Doppelrahmen machen" aus der Liste der verfügbaren Analysemethoden. Wählen Sie "(1-2, 2-3, 3-4... (N-1) doppelte Bilder) "style Option.
      1. Öffnen Sie ein Bild in der Bild-Gruppe (außer Kalibrierung Bild) und rechts auf Bild klicken Sie und wählen Sie "Teilchendichte". Eine Dialog-Box zeigt erkannt, dass Partikel auf dem Bildschirm angezeigt werden. Es zeigt eine vergrößerte angesichts einer Sonde Gegend. Klicken Sie auf Registerkarte "Einstellungen" in diesem Dialogfeld und ändern Sie "Sonde Größe Area" zu, bis ein Minimum von 3 Partikel sind konsequent im Bereich Sonde gesehen.  Die Größe dieser Sonde werden die Größe des Verhörs in Schritt 4.2.5 eingegeben.
    4. Mit dem Befehl "Analyze" auf das ausgewählte Bild gesetzt, PIV Verarbeitung Algorithmus und die dazugehörigen Parameter zu wählen. Wählen Sie die Methode "Adaptive Korrelation" und definieren Sie den Bereich der Pixel, die verwendet wird, um einen Vektor im Raum im Schritt 4.2.5 definieren. (Dieser Prozess teilt Bilder in ein Raster aus n × n Pixel "Verhör Areas")
    5. Festgelegten Sie die Größe des Verhörs Registerkarte "Verhör Areas" suchen und auswählen eines der verfügbaren Verhör Flächengrößen zwischen dem Minimum von 8 Pixel und das Maximum von 256 Pixel (für diese Methode, 32 x 32 Pixel verwendet wurde). Geben Sie den Wert im Schritt 4.2.3.1 bestimmt.
      1. Zur Erhöhung der Dichte der Vektoren erstellt fügen Sie Verhör Bereich "Überlappen" Prozentsatz von 0 %, 25 %, 50 % oder 75 % Überlappung aus der Drop-Down-Menü auswählen hinzu.
    6. Durchführen Sie Analyse zur gemessenen Geschwindigkeit Getreidefeld durch Auswahl von "OK" im Dialogfeld "Adaptive Korrelation". Das System startet die Analyse.  Da das System die Daten verarbeitet, wird die erste Vektorkarte auf dem Bildschirm angezeigt. Überprüfen Sie die ersten mehreren Velocity-Felder um festzustellen, ob sie durch geschätzte Geschwindigkeit und Richtung wie in Abbildung 2 cgesehen zufriedenstellend erscheinen. Wenn das Geschwindigkeitsfeld nicht realistisch erscheint, die Analyse-Sitzung abbrechen, wiederholen Sie Schritt 4.2.4 und ändern Sie Analyseeinstellungen. (Wenn die Analyse abgeschlossen ist, wird ein vectoring Feld, überspannt die FOV für jedes Bild im Set (Schritt 4.2.3) erstellt werden). Abbildung 2 c zeigt ein Beispiel zufriedenstellend Vektorfeld während des Analyseprozesses, die auf einem Graustufenbild überlagert worden.
      Hinweis: Für jeden n × n Pixel Verhör Bereich die PIV-Software vergleicht das Muster der sub-grain-Skala Lichtblicke im Bereich Verhör gegen entsprechende Muster in das nächste Bild eingefangen. Aus diesem Vergleich der PIV-Software bestimmt Bereich gemittelt Verschiebungsvektor figure-protocol-19 , und schließlich, indem man figure-protocol-20 durch das Zeitinkrement zwischen Frames, figure-protocol-21 , die Durchschnitt Geschwindigkeit, figure-protocol-22 wo figure-protocol-23 bezieht sich auf Verhör Bereich figure-protocol-24 . In den aktuellen Tests bestand jedes Verhör von n x n = 32 x 32 Pixel; die Gesamtzahl der Vernehmung Bereiche unterteilen je 210 mm x 160 mm FOV war somit 47 x 35, 1504 x 1128 Pixeln entspricht.

5. Schwingungs Prozessdaten

Hinweis: Schritt 5 kann gleichzeitig mit Schritt 4 durchgeführt werden, wenn verschiedene Computersysteme oder Analyse-Software verwendet wird.

  1. Daten-Analyse-Software zu öffnen und mit der "load()" Funktion in den Beschleunigungssensor zu Daten, die erworben wurde, als die vibrierende Schüssel war leer (Schritt 1.2.2). Eine schnelle Fourier-Transformation der Daten mithilfe der Funktion "fft()" zu tun. Erstellen Sie eine Abbildung der Daten mithilfe der Funktion "Plot". Wiederholen Sie mit den Daten, die erworben wurde, als die vibrierende Schüssel Medien vorhanden (Schritt 1.2.5) hatte.
    Hinweis: Dieser Prozess/Daten-Analyse-Funktion ist verfügbar für mehrere Arten von Datenanalyse-Software und wird als ein komplettes Programm vom Forscher geschrieben.
    1. Um molekulare hydrodynamische Prozesse zu studieren, sind eine Reihe von personenbezogener Daten in der Regel erforderlich. Finden Sie die Vertreter Ergebnisse und Diskussion Abschnitten beschreibt die wichtigsten Verarbeitungsverfahren; siehe Keanini, Et Al. (2017) 12 für Details auf wie PIV Messdaten kann verwendet werden, um dynamische Informationen über molekulare hydrodynamische Systeme zu extrahieren.

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Ergebnisse

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Repräsentative Ergebnisse zu präsentieren, wir verweisen auf Kontinuum-Zeitskala Prozesse als die beobachtete und prognostizierte über Zeitskalen, figure-results-1 , die beziehen sich auf die charakteristische Maserung Kollision Zeitskala, lange figure-results-2 figure-results-3 und Partikel-Zeitskala Prozesse wie die b...

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Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Um geschüttelten Korn Pfähle als makroskopische Analoga verwenden für die Untersuchung von molekularen hydrodynamische Prozesse, ein Experimentator muss, auf der einen Seite lernen und verwenden Sie vier grundlegende Messungen und andererseits beherrschen einige Grundelemente des Gleichgewichts und nicht-Gleichgewichts statistischen Mechanik. Erster Schwerpunkt experimentelle Messungen, dazu gehören: (i) Messung der individuellen Maserung Dynamik durch Messung der einzelnen Partikelgeschwindigkeit Autokorrelationsfunktio...

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Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde unterstützt durch das Office of Naval Research (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik und Keanini] und durchgeführt an der University of North Carolina bei Charlottes Motorsport Research Lab Polieren Medien von Rosler gestiftet wurde.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
VibrationspolierschüsselRaytechAV-75
DurchflussmesserSchlauchpumpen913 Mity Flex
ScalePelouze4040
Triaxialer BeschleunigungsmesserPCB PiezotronicsPCB 356B11Beschleunigungsmesser mit Sensor Signalaufbereiter Datenerfassungscomputer
IBMThinkpadVerwendet mit hohen Radarkamera
HochgeschwindigkeitskameraRedlakeMotionxtra HG-XR
Zoom ObjektivTamronModell A1818-250mm f/3.5-6.3 
Licht mit hoher IntensitätARRIEB 400/575 D
DatenverarbeitungscomputerDellDell Precision Tower 7910
PIV Software Dantec DynamicsDynamic Studio 2013Version 3.41.38
DatenerfassungshardwareNational InstrumentsSCXISCXI-1000 Chassis mit SCXI 1100 Karte und SCXI 1303 Adapter
DatenerfassungssoftwareNational InstrumentsLabVIEW 2012
DatenverarbeitungssoftwareMATHWORKSMATLAB
PoliermedienRoslerRSG 10/10SMehrere verwendete Medientypen (gemischt, kugelförmig, dreieckig)
PolierlösungRoslerFC KFL (3%)3%ige Seifenlösung mit Wasser
Lineare SkalaSwiss Precision Instruments13-911-3
MesszylinderGlobalScientific 601082

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
  2. Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (1980).
  3. Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles. J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).
  4. Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
  5. Evans, D. J., Morriss, G. P. Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , ANU E Press. (2007).
  6. Levesque, D., Verlet, L. Computer "experiments" on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
  7. Levesque, D., Ashurst, W. T. Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles. Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).
  8. Lovesey, S. W. Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. Lovesey, S. W., Springer, T. , Springer-Verlag. (1977).
  9. Forster, D. Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , Perseus. (1990).
  10. Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
  11. Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
  12. Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658(2017).
  13. Kushick, J., Berne, B. J. Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids. J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).
  14. Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
  15. Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. G., Mullany, B. Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing. J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).
  16. Navare, J. Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , University of North Carolina at Charlotte. Charlotte, NC. MSME thesis (2017).
  17. Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421(2012).
  18. Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193(2016).
  19. Pathria, R. K., Beale, P. D. Statistical mechanics. , 3rd ed, Elsevier. (2011).
  20. Gibbs, J. W. Elementary principles in statistical mechanics. , University Press. (1902).
  21. Toda, M., Kubo, R., Saito, N. Statistical physics I. , 2nd ed, Springer-Verlag. (1992).
  22. Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
  23. Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , Springer. (1991).

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