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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, hydrodynamische Prozesse auf molekularer Skala in Flüssigkeiten mit einer analogen Technik zu untersuchen, die die Dynamik einzelner und kollektiver Partikel in vibrierten Getreidehaufen misst. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie eine experimentell zugängliche inverse Mikrohülle für die direkte Beobachtung komplexer Moleküldynamiken bietet. Da diese Technik stark an die statistische Mechanik wechselwirkender Teilchensysteme gekoppelt ist, öffnet sie eine Tür für experimentelle Untersuchungen in den grundlegenden Fragen dieses Feldes.

Diese Technik kann auch angewendet werden, um die statistische Mechanik wechselwirkender makroskopischer Partikelsysteme zu untersuchen, wie z. B. der vibrierenden Getreidehaufen, die wir untersuchen. Im Allgemeinen werden Personen, die diese Technik verwenden, Schwierigkeiten haben, die Elemente der statistischen Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsmechanik zu erlernen, die für die Interpretation experimenteller Beobachtungen bei der Planung von Experimenten erforderlich sind. Die visuelle Demonstration dieser Technik ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Particle Imaging Velocimetrie, die normalerweise zur Messung der Bewegung von Partikeln im Mikrometerbereich verwendet wird, auf die Bewegung von Körnern im Zentimetermaßstab erweitert.

Das Experiment verwendet dieses Schwingungssystem. Es besteht aus einer ringförmigen Polyurethan-Schüssel, die an einem unsymmetrischen Motor mit einer einzigen Drehzahl befestigt ist, um Vibrationen zu erzeugen. Diese sind an einer beschwerten Basis befestigt und durch eine Gruppe von Federn getrennt.

Befestigen Sie die Schüsselbaugruppe mit Gummihaken an ihrem Ständer. Bringen Sie in der Schüssel einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser an. Dieser wird mit einem Sensorsignal auf einem Tisch verbunden, der vom Vibrationssystem entfernt ist.

Arbeiten Sie als Nächstes mit dem ausgewählten Medium für das Experiment. Verwenden Sie in diesem Fall ein keramisches Poliermittel mit geradem Schnittdreieck und gleichen Seitenlängen. Geben Sie das Medium in die Vibrationsschüssel Halten Sie in der Nähe der Schüssel eine Lösung aus Wasser und Finishing-Verbindung bereit, um das Medium zu benetzen.

Richten Sie außerdem eine Peristaltikpumpe ein, um die Flüssigkeit in der Vibrationsschale zu bewegen. Führen Sie einen Kunststoffschlauch von der Pumpe bis zur Oberseite der Schüssel. Stellen Sie die Pumprate ein, aber leiten Sie den Durchfluss nicht ein.

Richten Sie für die Bildgebung eine Hochgeschwindigkeitskamera ein. Wählen Sie ein Objektiv, das für die gewünschte Oberflächenintegration und Auflösung geeignet ist. Stützen Sie die Kamera auf eine Struktur, die vom Vibrationssystem isoliert ist.

Bei der Montage der Kamera sollte die Länge senkrecht zur offenen Oberfläche des Mediums und 550 Millimeter darüber liegen. Schließen Sie als Nächstes die Kamera an die Stromversorgung, eine GPS-Antenne und den Computer an. Starten Sie am Computer die Kamerasoftware und wählen Sie die Kamera aus.

Betrachten Sie das Sichtfeld der Kamera live mit der Software. Verwenden Sie beim Aufbau ein beliebiges helles Licht, um den Testbereich zu beleuchten. Das gewählte Sichtfeld sollte gleichmäßig ausgeleuchtet werden.

Verwenden Sie als Nächstes die Kamerasoftware, um digital auf eine 500-fache Vergrößerung zu zoomen. Stellen Sie an der Kamera den Fokusring des Objektivs ein. Ziel ist es, den besten optischen Fokus für die Datenerfassung zu erreichen.

Sie dann den Digitalzoom auf keine Vergrößerung zurück. Fahren Sie fort, indem Sie die Kameraerfassungsrate einstellen. Platzieren Sie vor der Aufnahme von Bildern eine linierte Skala im Sichtfeld.

Verwenden Sie die Kamera, um ein einzelnes Bild davon aufzunehmen. Speichern Sie das Bild als TIFF-Datei, bevor Sie es von der Kamera löschen. Sobald die Kamera bereit ist, bereiten Sie sich darauf vor, die Vibrationsschale zu starten.

Holen Sie sich 150 Milliliter Finishing-Compound-Lösung aus dem Behälter. Geben Sie die 150 Milliliter in die Vibrationsschüssel und verteilen Sie die Lösung gleichmäßig, um die erste Benetzung des Mediums zu gewährleisten. Stellen Sie als Nächstes den großen Behälter mit der Verbindung auf den Boden in der Nähe der Schlauchpumpe.

Befestigen Sie einen Schlauch von der Pumpe am Behälter, bevor Sie die Pumpe aktivieren. Starten Sie zu diesem Zeitpunkt die Vibrationsschale und warten Sie mindestens eine Minute. Wenn sich die Strömung im stationären Zustand befindet, lösen Sie die Kamera aus, um die Aktion im Sichtfeld für die ausgewählte Laufzeit aufzuzeichnen.

Diese aufgezeichneten Bilder wurden in ein Video umgewandelt. Wenn die Daten gesammelt sind, stoppen Sie das Vibrationssystem. Stoppen Sie dann die Schlauchpumpe.

Zur Bearbeitung speichern Sie die aufgenommenen Bilder als TIFF-Dateien auf dem Computer und konvertieren sie in Graustufen. Beginnen Sie dann mit der Arbeit in der Partikelbild-Softwareumgebung der Velocimetrie. Gehen Sie zu Datei und von dort aus zu Importieren und dann zu Bilder importieren.

Wählen Sie im Dialogfeld Import-Assistent die Option Einzelner Frame und dann Bilder hinzufügen aus. Wählen Sie nun das Kalibrierungsbild aus, um es zu den zu importierenden Bildern hinzuzufügen. Klicken Sie erneut auf Bilder hinzufügen und markieren Sie dann alle Datenbilder, um sie für den Import auszuwählen.

Fahren Sie fort, indem Sie auf Weiter klicken. Geben Sie auf dem folgenden Bildschirm die Kameraeinstellungen ein, geben Sie die Bildrate und den Pixelabstand an. Wenn Sie diese eingegeben haben, klicken Sie auf Weiter und dann auf Fertig stellen.

Gehen Sie nun zur Inhaltsliste. Das Kalibrierungsbild sollte an erster Stelle stehen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das zweite Bild, wählen Sie Ensemble von hier aus teilen, um zwei Bildsätze zu erstellen.

Nehmen Sie das Bildset, das nur das Kalibrierungsbild enthält, und legen Sie es an der Stelle mit der Bezeichnung Neue Kalibrierung ab. Klicken Sie anschließend mit der rechten Maustaste auf das Kalibrierungsbildset und wählen Sie Skalierungsfaktor messen. Das Kalibrierungsbild wird auf dem Bildschirm angezeigt.

Positionieren Sie im Bild die A-Markierung auf dem Lineal am Ende des Bildes. Platzieren Sie dann die B-Markierung an einer anderen Stelle auf dem Lineal. Gehen Sie zum Textfeld Absoluter Abstand und geben Sie den Abstand zwischen den Markierungen entsprechend dem Lineal ein.

Klicken Sie auf OK, um die Einstellungen zu speichern und fortzufahren. Wählen Sie nun den importierten Bildsatz ohne das Kalibrierungsbild aus. Verschieben Sie den Vorgang, um auf Analysieren zu klicken.

Wählen Sie "Doppelrahmen erstellen". Wählen Sie dann aus, Bildpaare aus den Stiloptionen zu erstellen. Um den Abfragebereich zu definieren, öffnen Sie ein beliebiges Bild, das nicht kalibriert ist.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Bild und wählen Sie Partikeldichte. In dem angezeigten Dialogfeld wird eine vergrößerte Ansicht eines Sondenbereichs angezeigt. Klicken Sie auf die Registerkarte Einstellungen, und beginnen Sie, den Bereich für die Sondengröße zu ändern.

Ziel ist es, konstant mindestens drei Partikel im Sondenbereich zu haben. Notieren Sie sich die Größe des Sondenbereichs für die spätere Verwendung. Kehren Sie zu Analysieren zurück, und wählen Sie die Methode Adaptive Korrelation aus.

Klicken Sie auf OK. Gehen Sie zur Registerkarte Verhörbereich und klicken Sie darauf. Wählen Sie dort den zuvor festgelegten Abfragebereich aus, in dem drei oder mehr Partikel identifiziert werden können. Klicken Sie im Dialogfeld Adaptive Korrelation auf OK, um die Analyse durchzuführen.

Sie im Verlauf der Analyse die ersten Geschwindigkeitsfelder visuell. Dies ist ein Beispiel für ein Vektorfeld, das auf einem Graustufenbild des Mediums überlagert wird. In diesem Fall erscheinen die Vektorlängen und -richtungen nicht konsistent oder sinnvoll.

Überprüfen Sie die Vektorkarten während der Erstellung visuell, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse realistisch sind. Wenn die Ergebnisse nicht zufriedenstellend sind, stoppen Sie den Prozess, ändern Sie die benutzerdefinierten Eingaben, wie z. B. den Abfragebereich, und starten Sie dann die Analyse neu. Dies ist ein Beispiel für ein zufriedenstellendes Vektorfeld.

Wieder überlagert auf dem Graustufenbild. Wenn die Analyse abgeschlossen ist, wird für jedes Bildpaar im Satz ein Vektorfeld erstellt, das sich über das Sichtfeld erstreckt. Die Particle Image Velocimetrie-Daten ermöglichen es, die Geschwindigkeitsverteilung an einem Punkt im System an die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anzupassen.

Das Bild zeigt das Korn, das im Experiment verwendet wurde. Der rote Balken steht für einen Zentimeter. Die Daten in Blau stellen ein normalisiertes Histogramm der gemessenen horizontalen Korngeschwindigkeiten dar.

Die Daten über viele Teilchentypen stimmen mit der dissipationsfreien Hamiltonschen Dynamik, geschwindigkeitsunabhängigen potentiellen Energien zwischen den Teilchen und potentiell unabhängigen kinetischen Energien überein. Darüber hinaus liefern sie Hinweise auf ein lokales makroskopisches mechanisches Gleichgewicht. Die Geschwindigkeitsautokorrelationsfunktion für einzelne Körner ist eine Funktion der charakteristischen Anzahl von Kornkollisionen, die auch aus den Velocimetriedaten extrahiert werden kann.

Die Einzelkorndynamik ahmt qualitativ die in molekularen Flüssigkeiten und dichten Gasen vorhergesagte nach. Diese Spektren werden mit Hilfe der Particle Image Velocimetrie in simultanen Containerbeschleunigungsmessungen bestimmt. Die akustischen Resonanzwellen im Getreidestapelbehältersystem stimmen mit den akustischen Resonanzmoden im leeren Behälter überein.

Akustische Moden in den Spektren der lokalen eigentümlichen Fluidgeschwindigkeit sind aufgrund von Einschränkungen des Experiments nicht ersichtlich. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen in der molekularen Hydrodynamik von Flüssigkeiten zu beantworten, z. B. wie eine vorhersagbare, beobachtbare Fluidströmung aus der unvorhersehbaren Flüssigkeitszustandsdynamik von Molekülen entsteht. Einmal gemeistert, kann der experimentelle Teil dieses Verfahrens in weniger als einer Stunde durchgeführt werden.

Die PIV-Verarbeitung und Datenanalyse kann je nach Datenverarbeitungssystem zwischen einer Stunde und einigen Tagen dauern. Es ist wichtig zu erkennen, dass, um Beobachtungen in vibrierten Getreidesystemen mit der molekularen Hydrodynamik zu verbinden, Elemente der statistischen Mechanik des Gleichgewichts und des Nichtgleichgewichts gelernt werden müssen. Im Anschluss an diese Entwicklung wurde diese Technik verwendet, um strömungsdynamische Simulationen von schwingungsgetriebenen Getreideströmungen experimentell zu validieren und Viskositäten in Getreideflüssigkeiten im Vergleich zu denen zu messen, die von der statistischen Nichtgleichgewichtsmechanik vorhergesagt werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein angemessenes Verständnis dafür haben, wie Sie erstens ein PIV-System zur Messung der Vibrationskornsysteme einrichten und zweitens, wie Sie diese Messungen zur Untersuchung molekularer hydrodynamischer Systeme verwenden.