Una técnica análoga macroscópica para el estudio de procesos hidrodinámicos Molecular en Gases densos y líquidos

El objetivo general de este procedimiento es estudiar los procesos hidrodinámicos a escala molecular en líquidos utilizando una técnica análoga que mide la dinámica de partículas individuales y colectivas en pilas de granos vibrados. La principal ventaja de esta técnica es que proporciona una microcapa inversa experimentalmente accesible para observar directamente la dinámica compleja a escala molecular. Dado que esta técnica está fuertemente acoplada en la mecánica estadística de los sistemas de partículas que interactúan, abre una puerta para la investigación experimental en las cuestiones fundamentales de este campo.

Esta técnica también se puede aplicar para estudiar la mecánica estadística de los sistemas de partículas macroscópicas que interactúan, como las pilas de grano vibrantes que estamos investigando. Generalmente, las personas que utilizan esta técnica tendrán dificultades para aprender los elementos de la mecánica estadística de equilibrio y no equilibrio que son necesarios para interpretar las observaciones experimentales en el diseño de experimentos. La demostración visual de esta técnica es fundamental, ya que extiende la velocidad de obtención de imágenes de partículas, normalmente utilizada para medir el movimiento de partículas a escala micrométrica, al movimiento de granos a escala centimétrica.

El experimento utiliza este sistema vibratorio. Consiste en una cuba anular de poliuretano unida a un motor desequilibrado de una sola velocidad para generar vibraciones. Estos están unidos a una base ponderada y separados por un grupo de resortes.

Fije el conjunto del tazón a su soporte con ganchos de goma. Dentro del recipiente, coloque un acelerómetro triaxial. Este se conecta a un sensor de señal en una mesa alejada del sistema vibratorio.

A continuación, trabaje con el medio elegido para el experimento. En este caso, utilice un triángulo de corte recto con medios de pulido cerámicos con longitudes de lado iguales. Agregue el medio al recipiente vibratorio Cerca del recipiente, tenga lista una solución de agua y compuesto de acabado para humedecer el medio.

Además, configure una bomba peristáltica para mover el fluido en el recipiente vibratorio. Pasa un tubo de plástico desde la bomba hasta la parte superior del recipiente. Ajuste la velocidad de la bomba, pero no inicie el flujo.

Para la obtención de imágenes, configure una cámara de alta velocidad. Elija una lente apropiada para la integración y resolución de la superficie deseadas. Apoye la cámara en una estructura que esté aislada del sistema vibratorio.

Al montar la cámara, su longitud debe ser perpendicular a la superficie abierta del medio y 550 milímetros por encima de ella. A continuación, conecte la cámara a su fuente de alimentación, a una antena GPS y al ordenador. En la computadora, inicie el software de la cámara y seleccione la cámara.

Vea el campo de visión de la cámara en vivo con el software. En la configuración, use cualquier luz brillante para iluminar la región de prueba. El campo de visión elegido debe iluminarse de manera uniforme.

A continuación, utilice el software de la cámara para acercar digitalmente el zoom hasta 500 veces. En la cámara, ajuste el anillo de enfoque del objetivo. El objetivo es lograr el mejor enfoque óptico para la recopilación de datos.

A continuación, vuelva a poner el zoom digital sin aumento. Continúe configurando la velocidad de adquisición de la cámara. Antes de tomar imágenes, coloque una escala rayada en el campo de visión.

Utilice la cámara para grabar una sola imagen de la misma. Guarde la imagen como un archivo TIFF antes de eliminarla de la cámara. Una vez que la cámara esté lista, prepárese para encender el tazón vibratorio.

Obtenga 150 mililitros de solución de compuesto de acabado del recipiente. Lleve los 150 mililitros al recipiente vibratorio y distribuya la solución de manera uniforme para proporcionar la humectación inicial del medio. A continuación, coloque el recipiente grande de compuesto en el suelo cerca de la bomba peristáltica.

Conecte una manguera de la bomba al recipiente antes de activar la bomba. En este punto, encienda el recipiente vibratorio y espere un mínimo de un minuto. Con el flujo en estado estable, active la cámara para grabar la acción en el campo de visión durante el tiempo de ejecución elegido.

Estos fotogramas grabados se han convertido en un vídeo. Cuando se recopilen los datos, detenga el sistema vibratorio. A continuación, detenga la bomba peristáltica.

Para su procesamiento, guarde las imágenes adquiridas como archivos TIFF en el ordenador y conviértalas a escala de grises. A continuación, comience a trabajar en la imagen de partículas del entorno de software de velocimetría. Vaya a Archivo y de allí a Importar, luego Importar imágenes.

En el cuadro de diálogo Asistente para importación, seleccione Fotograma único y, a continuación, Agregar imágenes. Ahora seleccione la imagen de calibración para agregarla a las imágenes que desea importar. Haga clic de nuevo en "Añadir imágenes" y, a continuación, resalte todas las imágenes de datos para seleccionarlas y importarlas.

Continúe haciendo clic en Siguiente. En la siguiente pantalla, ingrese la configuración de la cámara, incluya la velocidad de fotogramas y el paso de píxeles. Cuando se introduzcan, haga clic en Siguiente y, a continuación, en Finalizar.

Ahora vaya a la lista de contenidos. La imagen de calibración debe ser la primera. Haga clic derecho en la segunda imagen, seleccione Dividir conjunto desde aquí para hacer dos conjuntos de imágenes.

Tome el conjunto de imágenes con solo la imagen de calibración y suéltelo en la ubicación etiquetada como Nueva calibración. A continuación, haga clic con el botón derecho en el conjunto de imágenes de calibración y seleccione Medir factor de escala. La imagen de calibración aparecerá en la pantalla.

En la imagen, coloque el marcador A en la regla de la imagen final. A continuación, coloque el marcador B en otra posición de la regla. Vaya al cuadro de texto Distancia absoluta e ingrese la distancia entre los marcadores de acuerdo con la regla.

Haga clic en Aceptar para guardar la configuración y continuar. Ahora seleccione el conjunto de imágenes importadas sin la imagen de calibración. Desplácese para hacer clic en Analizar.

Seleccione Crear fotograma doble. A continuación, elija crear pares de imágenes desde las opciones de estilo. Para definir el área de interrogación, abra cualquier imagen que no sea de calibración.

Haga clic derecho en la imagen y seleccione Densidad de partículas. En el cuadro de diálogo que aparece, habrá una vista ampliada de un área de sonda. Haga clic en la pestaña Configuración y comience a modificar el área del tamaño de la sonda.

El objetivo es tener consistentemente un mínimo de tres partículas en el área de la sonda. Tenga en cuenta el tamaño del área de la sonda para su uso posterior. Vuelva a Analizar y elija el método Correlación adaptativa.

Haga clic en Aceptar. Vaya a la pestaña del área de interrogatorio y haga clic en ella. Allí, seleccione el área de interrogación previamente determinada que permite identificar tres o más partículas. Haga clic en Aceptar en el cuadro de diálogo Correlación adaptable para realizar el análisis.

A medida que avanza el análisis, inspeccione visualmente los primeros campos de velocidad. Este es un ejemplo de un campo vectorial superpuesto en una imagen en escala de grises de los medios. En este caso, las longitudes y direcciones de los vectores no parecen coherentes ni razonables.

Inspeccione visualmente los mapas vectoriales a medida que se producen para asegurarse de que los resultados sean realistas. Si los resultados no son satisfactorios, detenga el proceso y modifique las entradas definidas por el usuario, como el área de interrogación, y luego reinicie el análisis. Este es un ejemplo de un campo vectorial satisfactorio.

De nuevo, superpuesto en la imagen en escala de grises. Cuando se complete el análisis, se creará un campo vectorial que abarque el campo de visión para cada par de imágenes del conjunto. Los datos de velocimetría de imágenes de partículas permiten ajustar la distribución de velocidad en un punto del sistema a la distribución de Maxwell Boltzmann.

La imagen es del grano utilizado en el experimento. La barra roja representa un centímetro. Los datos en azul representan un histograma normalizado de las velocidades de grano peculiares horizontales medidas.

Los datos de muchos tipos de partículas son consistentes con la dinámica hamiltoniana sin disipación, las energías potenciales entre partículas independientes de la velocidad y las energías cinéticas independientes del potencial. Además, proporcionan evidencia del equilibrio mecánico macroscópico local. La función de autocorrelación de velocidad para granos individuales es una función de la característica, el número de colisiones de granos también se puede extraer de los datos de velocimetría.

La dinámica de un solo grano imita cualitativamente a la predicha en líquidos moleculares y gases densos. Estos espectros se determinan a partir de la velocimetría de imágenes de partículas en mediciones simultáneas de aceleración de contenedores. Las ondas acústicas de resonancia en el sistema de contenedores de pila de grano coinciden con los modos acústicos de resonancia en el contenedor vacío.

Los modos acústicos en los espectros de la velocidad peculiar del fluido local no son evidentes debido a las limitaciones del experimento. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en la hidrodinámica molecular de los líquidos, como cómo el flujo de fluidos predecible y observable emerge de la dinámica impredecible del estado líquido de las moléculas. Una vez dominado, la parte experimental de este procedimiento se puede realizar en menos de una hora.

El procesamiento de PIV y el análisis de datos pueden tardar desde una hora hasta un par de días, dependiendo del sistema de procesamiento de datos. Es importante reconocer que para conectar las observaciones realizadas en sistemas de grano vibrado con la hidrodinámica molecular, se deben aprender los elementos de la mecánica estadística de equilibrio y no equilibrio. Siguiendo este desarrollo, esta técnica se ha utilizado para validar experimentalmente simulaciones de dinámica de fluidos de flujos de grano impulsados por vibraciones, así como para probar las viscosidades de los fluidos de grano frente a las predichas por la mecánica estadística de no equilibrio.

Después de ver este video, debería tener una comprensión razonable de cómo configurar primero un sistema PIV para medir los sistemas de grano vibratorio y, en segundo lugar, cómo usar estas mediciones para investigar sistemas hidrodinámicos moleculares.