Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos

El objetivo general del siguiente experimento es estudiar la dinámica del impacto de gotas de metales líquidos y suspensiones granulares densas no newtonianas mediante una técnica de imagen rápida. Esto se logra configurando una instalación con cámara rápida para visualizar la dinámica instantánea cuando las gotas impactan sobre una superficie. Como segundo paso, se realizan una serie de experimentos de impacto con metales líquidos para obtener información sobre cómo la elasticidad superficial inducida por oxidación afecta el radio de expansión.

A continuación, realice experimentos de impacto con suspensiones densas para investigar el inicio del salpicado y la dinámica de extensión. Se obtienen resultados que muestran que diferentes parámetros del fluido, como la tensión superficial efectiva, la viscosidad, la velocidad de impacto y el diámetro de las partículas suspendidas, gobiernan conjuntamente la dinámica de impacto de gotas no newtonianas. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de las suspensiones densas, como cuándo el comportamiento de un sistema puede describirse mediante sus propiedades globales o cuándo deben tenerse en cuenta las partículas individuales.

Aunque esta medición puede proporcionar información sobre la dinámica de impacto de un fluido complejo, también puede aplicarse a la observación de otros procesos que incluyen dinámicas rápidas, como la formación de estados de fractura, la separación sólida de gotas líquidas y el movimiento rápido de partículas en sistemas de gránulos. Comience por preparar el sistema de imagen. Un componente es una pista vertical capaz de soportar un soporte para bomba de jeringa, y la bomba de jeringa, de modo que pueda moverse a diferentes alturas para modificar la altura de caída libre del fluido de prueba.

Junto a la pista hay un marco que sostiene una placa de vidrio limpia que sirve como plano de impacto horizontal. Asegúrese de que la superficie de la placa esté nivelada horizontalmente. Coloque un espejo reflectante inclinado debajo de la superficie de vidrio para visualizar el impacto de la gota desde abajo.

A continuación, coloque un papel blanco opaco sobre la placa de vidrio para reflejar la luz, con el fin de facilitar la visualización desde abajo para capturar la imagen del impacto del metal líquido. Coloque un difusor de papel transparente en el lado opuesto a la dirección de observación para ayudar a la obtención de imágenes desde el lateral. Luego, coloque una fuente de luz en la región detrás del difusor.

Encienda las fuentes de luz para iluminar uniformemente la región de impacto. Nivele ahora una cámara con un lente adecuado sobre un trípode de manera que pueda capturar la superficie. Conecte la cámara a una computadora utilizada para el control y la visualización.

Comience la preparación de la muestra con galio indio utic que se ha almacenado en un recipiente sellado. A temperatura ambiente, use una pipeta para extraer tres mililitros del recipiente. Obtenga una placa de acrílico y extruya el galio indio UTA sobre ella. Espere 30 minutos para que la muestra se oxide completamente en el aire.

Una capa delgada de piel oxidada cubrirá completamente la superficie de la muestra. Tome las precauciones adecuadas al trabajar con ácido clorhídrico y prepare un baño ácido de 200 mililitros en un recipiente TER. La concentración del baño es un parámetro experimental.

Coloque la muestra en el baño ácido con la muestra dentro del baño. Utilice un TER para cizallarla a 60 revoluciones por segundo durante 10 minutos. Una vez finalizado el prelavado ácido, retire el baño del ReMeter.

Utilice una jeringa de plástico de dos mililitros con una punta de acero de uno a dos milímetros para recuperar el extracto de muestra de 1,5 mililitros de galio indio actico del baño. La muestra ya está lista para su uso y experimentos. Monte la jeringa en la bomba de jeringa para la preparación de muestras de suspensiones densas.

Los experimentos comienzan con una jeringa comercial a la que se le ha cortado el extremo para usarla como un tubo cilíndrico para dispensar la suspensión. Para llenar la jeringa, primero obtenga un recipiente con agua. Coloque el extremo de la jeringa en el agua y tire del émbolo hacia atrás para llenarla, asegurándose de que no haya burbujas de aire.

A continuación, sostenga la jeringa con el extremo abierto hacia arriba. Introduzca perlas esféricas de dióxido de circonio o de vidrio en la jeringa hasta llenarla, permitiendo que el agua se derrame. Utilice una cuchilla de afeitar para eliminar las partículas adheridas adicionales de la parte superior y mantener ese extremo plano.

Gire la jeringa y colóquela sobre la superficie de la bomba. La tensión evitará que las partículas caigan. Antes de grabar los videos, realice pasos para ajustar los sistemas de imagen y de iluminación y calibrar la resolución espacial.

Primero, inicie la bomba de jeringa para expulsar el fluido a una velocidad de 20 mililitros por hora. Espere a que el fluido, aquí una suspensión densa, se desprenda de la jeringa y caiga para producir un impacto de prueba sobre la superficie de vidrio. Una vez que se haya producido el impacto, apague la bomba de jeringa.

Luego, ajuste la posición y orientación de la cámara hasta que la mancha aparezca en el monitor. A continuación, establezca la relación de reproducción de la imagen a uno a uno y modifique la distancia de trabajo para que la imagen esté en el plano focal con la cámara configurada en un cuadro. Superiores a 6.000 cuadros por segundo, varíe el tamaño de la abertura, el tiempo de exposición y el ángulo de iluminación para obtener la imagen de mejor calidad.

Una vez determinada la configuración de la cámara, coloque una regla en el campo de visión del monitor. Utilice la regla para calcular la resolución espacial contando el número de píxeles que caben en un centímetro. Asegúrese de que no haya diferencia en la resolución entre las direcciones horizontal y vertical.

Después de calibrar el sistema de imagen, reinicie la bomba de jeringa a 20 mililitros por hora. Al mismo tiempo, prepare el software de control de la cámara para supervisar el proceso de impacto antes de registrar los datos. Practique observar cuidadosamente cómo comienza a formarse la gota, a fin de activar manualmente la cámara en el momento en que la gota se desprenda de la boquilla.

Después de registrar los datos, edite el video para conservar solo la porción que contiene el impacto y guárdelo como una secuencia de imágenes para su análisis. La técnica de imagen rápida se ha utilizado para estudiar el impacto del galio indio actico con diferentes óxidos. La resistencia de la piel determinada por ácido.

El prelavado mostrado aquí presenta cuadros que muestran la dispersión de tres preparaciones diferentes al impactar contra una superficie de vidrio. Cada gota cayó desde la misma altura de boquilla y golpeó con una velocidad de aproximadamente un metro por segundo. El diámetro inicial de la gota fue de 6,25 milímetros sin prelavado.

Una capa de óxido impide que el fluido relaje la energía superficial, lo que resulta en una forma no esférica durante la fase de caída; lavar las muestras con ácido reduce el óxido y debilita el efecto de la capa. A concentraciones de ácido suficientemente altas, no se observa diferencia entre el galio, el indio y los fluidos ordinarios.

Los datos permiten demostrar la transición desde el régimen capilar hasta el régimen viscoso. Los datos se reducen a una única curva cuando se representa la relación entre el radio inicial y el radio final de pm dividida por el número de Reynolds elevado a la potencia un quinto frente a la relación entre un número de Weber efectivo y el número de Reynolds elevado a la potencia cuatro quintos. El inicio de salpicadura en suspensiones densas se ha estudiado en el régimen en el que la disipación viscosa es despreciable en comparación con los efectos inerciales. Este es el diagrama de fases de salpicadura para diferentes densidades de partículas y radio, cuyo producto se sitúa en el eje horizontal.

El eje vertical es el número de Weber de la partícula definido en el manuscrito. Los círculos rojos indican que siempre se observó un salpicado. El recuadro muestra una imagen típica de un salpicado.

Los puntos azules corresponden a la ausencia de salpicadura detectada. El segundo recuadro es un ejemplo de una imagen sin salpicadura. Los casos en los que se detectaron tanto salpicadura como ausencia de salpicadura se indican mediante cuadrados verdes.

El experimento se repitió 10 veces para cada punto. Los resultados son consistentes con un número crítico de Weber de aproximadamente 14 más o menos dos. Al intentar este procedimiento, es importante practicar la elaboración de sus muestras y determinar frecuentemente la fracción de empaquetamiento para tener la seguridad de que puede elaborar sus muestras de manera consistente.

Esto garantizará que sus resultados experimentales sean reproducibles tras su desarrollo. Esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de los fluidos complejos exploraran la dinámica de impacto de diversos sistemas líquidos.