Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Hurtig Imaging teknik til at undersøge Drop Impact Dynamics af ikke-newtonske væsker

Published: March 5, 2014 doi: 10.3791/51249

Summary

Drop virkningen af ​​ikke-newtonske væsker er en kompleks proces, da forskellige fysiske parametre påvirke dynamikken i en meget kort tid (mindre end en tiendedel af et millisekund). En hurtig billeddannelse teknik er indført for at karakterisere den indvirkning adfærd af forskellige ikke-newtonske væsker.

Abstract

Inden for fluidmekanik, mange dynamiske processer, som ikke kun ske over en meget kort tidsinterval, men også kræver høj rumlig opløsning til detaljeret observation, scenarier, der gør det udfordrende at observere med konventionelle billeddannende systemer. En af disse er den dråbe indvirkning af væsker, hvilket normalt sker inden for en tiendedel af millisekund. For at tackle denne udfordring, er en hurtig billedbehandling teknik introduceret, der kombinerer en høj hastighed kamera (i stand til op mod en million billeder per sekund) med et makroobjektiv med lang arbejdsafstand at bringe den rumlige opløsning af billedet ned til 10 mM / pixel. De billeddannende teknik muliggør præcis måling af relevante fluid dynamiske mængder, såsom flow feltet spredning afstand og sprøjt hastighed, fra analyse af den optagede video. For at demonstrere mulighederne i denne visualisering system, indvirkning dynamik når dråber af ikke-newtonske væsker kolliderer med en flad hård overflade er karakrized. To situationer betragtes: for oxiderede flydende metal dråber fokuserer vi på at udbrede adfærd, og for tætpakkede suspensioner vi bestemme debut af sprøjt. Mere generelt kombinationen af ​​høj tidslig og rumlig billeddannelse opløsning introduceret her giver fordele for at studere hurtige dynamik på tværs af en bred vifte af mikroskala fænomener.

Introduction

Drop indvirkning på en fast overflade er en vigtig proces i mange anvendelser, der involverer elektronisk fabrikation 1, spray coating 2, og tilsætningsstof fremstillingsindustrien hjælp inkjet printning 3,4, hvor en præcis styring af drop breder og sprøjt er ønsket. , Direkte observation af drop virkning er imidlertid teknisk udfordrende af to grunde. For det første er en indviklet dynamisk proces, der forekommer inden for en tidsramme for korte (~ 100 mikrosekunder), der skal afbildes let ved konventionelle billeddannende systemer, såsom optiske mikroskoper og DSLR kameraer. Flash fotografering kan naturligvis billedet meget hurtigere, men giver ikke mulighed for kontinuerlig optagelse, som kræves til detaljeret analyse af udviklingen med tiden. For det andet kan længdeskala induceret af konsekvenserne ustabilitet være så små som 10 um 5. Derfor er kvantitativt undersøge konsekvenserne proces et system, der kombinerer ultrahurtig billeddannelse sammen med rimelig høj rumlig opløsning er ofteønskes. I mangel af et sådant system, tidlige arbejde på dråbe indvirkning mest fokuseret på den globale geometriske deformation efter sammenstødet 6-8, men var ude af stand til at indsamle oplysninger om den tidlige tid, uligevægtsfænomener processer i forbindelse med konsekvenser såsom udbrud af sprøjt. Nylige fremskridt i CMOS høj hastighed videography af væsker 9,12 har skubbet frame rate på op til en million fps og eksponeringstider ned under 1 usek. Desuden kan nyudviklede CCD imaging teknikker skubbe frame rate godt over en million fps 9-12. Rumlig opløsning på den anden side, kan øges til i størrelsesordenen 1 um / pixel ved hjælp af forstørrelsesglas 12. Som følge heraf er det blevet muligt at udforske i hidtil usete detaljer indflydelse af en bred vifte af fysiske parametre på forskellige stadier af drop virkning og systematisk sammenligne eksperiment og teori 5,13-16. For eksempel sprøjt overgang i newtonske væsker var found skal fastsættes af atmosfære tryk 5, mens den indre rheologi beslutter spreading dynamik udbytte-stress væsker 17.

Her er en simpel endnu kraftfulde hurtig billedbehandling teknik introduceres og anvendes til at undersøge konsekvenserne dynamikken i to typer af ikke-newtonske væsker: flydende metaller og tætpakkede suspensioner. Med eksponering for luft, hovedsageligt alle flydende metaller (undtagen kviksølv), vil spontant udvikle en oxid hud på deres overflade. Mekanisk, huden anset for at ændre effektiv overfladespænding og befugtningsevne af metallerne 18. I en tidligere papir 15, flere af forfatterne studeret sprede processen kvantitativt og var i stand til at forklare, hvordan huden effekt påvirker virkningen dynamik, især skalering af den maksimale sprede radius med impact parametre. Da flydende metal har en høj overflade refleksivitet, kræves omhyggelig justering af belysning i billeddannelse. Karantæner enre sammensat af små partikler i en væske. Selv for simple newtonske væsker, tilsætning af partikler medfører ikke-newtonsk adfærd, som bliver særligt udtalt i tætte suspensioner, dvs ved høj lydstyrke brøkdel af suspenderede partikler. Især blev indtræden af sprøjt, når en suspension dråbe rammer en glat, hård overflade undersøgt i tidligere arbejde 16. Både væske-partikel og inter-partikel vekselvirkninger kan ændre sprøjt adfærd væsentligt fra, hvad der kan forventes fra simple væsker. Hvis du vil spore partikler så små som 80 um i disse eksperimenter er behov for en høj rumlig opløsning.

En kombination af forskellige tekniske krav, såsom høj tidslig og rumlig opløsning, plus evnen til at observere påvirkninger både fra siden og fra neden, kan alle være tilfredse med imaging setup beskrevet her. Ved at følge en standard-protokol, der er beskrevet nedenfor, kan virkningen dynamik være undersøtigated på en kontrolleret måde, som vist udtrykkeligt til at sprede og sprøjt adfærd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.. Hurtig Imaging Setup (se figur 1)

  1. Start med at oprette en lodret bane langs hvilken en container fyldt med den væske, der skal undersøges, kan frit flyttes til justere effekten hastighed. Væsken forlader bunden af ​​beholderen gennem en dyse og derefter ind i frit fald. For dette arbejde blev faldhøjde varierede 1-200 cm at give en anslagshastighed V 0 = (0,4-6,3) ± 0,15 m / sek.
  2. Konstruere og montere en ramme til at holde vandret virkning flyet, typisk en glasplade, hvorefter en skrå reflekterende spejl er placeret til visualisering drop virkning fra bunden.
  3. Placer en ren og glat glasplade på holderen. Sørg for, at pladen er jævnet med jorden vandret.
  4. Montér en sprøjtepumpe på lodrette spor.
  5. For flydende effekt metal, placere en transparent papir diffuser bag dyse til side-view billeddannelse. Samtidig vedhæfte en hvid uigennemsigtig papir over sprøjtepumpen til at generererefleksion til bund visning (se figur 1). Find derefter lyskilden bag dysen.
  6. For tæt suspension virkning, er der ikke behov diffuser. I stedet bare placere lyskilden foran billedplanet.
  7. Vælg makroobjektiv med en passende brændvidde for den ønskede forstørrelse og optisk arbejdsafstand. Slut derefter objektivet på kameraet.
  8. Monter kameraet på et stativ, og justere højden på kameraet i henhold til den billeddannende perspektiv (side eller nederst).

2. Prøveforberedelse

  1. Fremstilling af oxideret flydende metal
    1. Store Gallium-Indium Eutektisk (eGain) i en forseglet beholder. Siden sin smeltetemperatur er omkring 15 ° C, eGain forbliver i flydende tilstand ved stuetemperatur.
    2. Brug en pipette til at udtrække 3 ml eGain fra beholderen og presse det på en akryl plade. Vent 30 min for at prøven kan blive fuldstændigt oxideres i luft. Som consequence, et tyndt lag af rynket oxideret hud fuldstændig dækker prøvens overflade.
    3. Brug saltsyre (HCI, "Forsigtig") af forskellige koncentrationer til forvask af eGain prøven og til at styre overflade oxidation. Specifikt forskyde prøven, mens det er i syrebad ved 60 sek-1 forskydningshastighed med en rheometer. Efter 10 minutter af forskydning, niveauet af overfladeoxidation i prøven når ligevægt, fastsat af HCl-koncentration 15,18.
    4. Efter denne forvask, skal du bruge en plastik sprøjte med en stål dysespids at udtrække eGain fra badet.
    5. Monter sprøjten på sprøjtepumpen og være klar til eksperimentet.
  2. Fremstilling af tætte suspensioner
    1. Skær enden af ​​en kommerciel injektionssprøjte (4,5 mm og 2,3 mm i radius) og bruge det som cylindrisk rør til dispensering af den tætte suspension.
    2. Træk stemplet og fyld sprøjten med vand hele vejen til den åbne ende, hvilket gør sure er der ingen luftboble indblandet.
    3. Put sfæriske ZrO 2 eller glasperler i sprøjten. Med sedimentation af partikler, vil vandet løbe ud fra dysen. Fyld sprøjten med partikler hele vejen til den åbne ende. Suspensionen vil sidde fast under tyngdekraften.
    4. Brug et barberblad til at fjerne ekstra fugtede partikler fra toppen til at holde herpå flad.
    5. Vend dysen og montere den på sprøjten pumpe. Overfladespænding vil forhindre partiklerne i at falde ud 16.

3. Kalibrering

Før indsamle videoer, parametrene for imaging enhed skal indstilles og belysning justering skal udfyldes. Også skal kalibreres den rumlige opløsning.

  1. Start sprøjtepumpen ved en hastighed på 20 ml / time til at skubbe den væske (flydende metal eller suspension) fra dysen.
  2. Vent for fluidet at løsne sig fra sprøjten, danner en dråbe og faldf foretages test indvirkning på glassubstratet.
  3. Juster kameraets position, herunder dens lodrette position og billedbehandling orientering, for at finde det splat i computerskærmen, der forbinder til kameraet. Ændre arbejdsmiljøet afstand til arrangere billedet til at være i brændplanet når gengivelsesforholdet af linsen er fastsat til 01:01.
  4. Varier størrelse blænden, eksponeringstid og belysning vinkel for at opnå den bedste billedkvalitet, når rammen er høj nok (> 6.000 fps). Figur 2 (a) viser typiske billeder taget med kameraet for både væske eGain og en tæt suspension.
  5. Placer en lineal i synsfeltet (se figur 2 (b)) og beregne den rumlige opløsning ved at tælle hvor mange pixels passer over 1 cm. Sørg for, at der ikke er nogen forskel i opløsning mellem horisontale og vertikale retninger.
  6. Følg en 3-trins proces til at måle pakning fraktion af tætte suspension drop:
    1. Måle massen af ​​entire splat lige efter sammenstødet (fx ved at lade dråben falder i et målebæger, der kan vejes nøjagtigt).
    2. Derefter fordampe al opløsningsmiddel med et varmelegeme og vejer splat igen for at opnå partikel masse.
    3. Beregn mængden af ​​partikler og væske for at få den fraktion pakning. Typisk bør volumenfraktion være omkring 60%.
  7. Ifølge observation retning (bunden eller siden), placere kameraet korrekt. Især satte kameraet ved siden af ​​substrat for side visning eller på samme niveau i reflekterende spejl for bund billeddannelse.

4.. Videooptagelse og dataopsamling

  1. Efter billedbehandling kalibrering, skal du genstarte sprøjtepumpen. Samtidig, åbne kameraet kontrollerende software til at overvåge konsekvenserne processen.
  2. Indstil Post-udløser rammenumre på nogenlunde halvdelen af ​​video længde. Watch omhyggeligt, når dråben begynder at danne og manuelt trigger kameraet i det øjeblik, drop løsner fra dysen. Udfør et par praksis tests før dataregistrering.
  3. Når data registreres, trim ned videoen til den del, der indeholder virkningen og gemme videoer som billedsekvenser til analyse.

5.. Billede Post-behandling og analyse

  1. Brug en grænse påvisningsmetode at lokalisere den bevægelige foran flydende eGain der spreder, hvilket svarer til en skarp overgang i den gennemsnitlige pixelværdi (se figur 3 (ab)).
  2. Fra både bund og side billeder, fastlægge, sprøjt debut af tætte suspension.
  3. Udfør partikel-sporingsalgoritmerne at finde spor af de enkelte partikler, der undslap fra splat (se figur 3 (c)). Derefter beregner skubbe hastigheden af sådanne baner (figur 3 (d)).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den hurtige imaging teknik kan bruges til at kvantificere sprede og sprøjt forskellige virkningsscenarier Figur. 4 (a), for eksempel, viser typiske billede virkning sekvenser for flydende eGain med forskellige oxid huden styrke. Ved at skubbe eGain fra samme dyse og på samme faldhøjde, dråber med reproducerbar anslagshastighed V 0 = 1,02 ± 0,12 m / sek og radius R 0 = 6,25 ± 0,10 mm blev dannet. Den venstre kolonne viser effekten af ​​en luft-oxideret eGain drop ikke forvasket i syre. En lang hale på den øverste ende af dråben dannes, når fluidet frigøres fra dysen. Afviger fra almindelige væsker, oxid huden forhindrer væsken fra frit afslappende overfladen energi, så denne ikke-sfærisk geometri holdes uændret under den faldende fase. Efter påkørslen sker, en tynd væske metalplade (lamel) udvider hurtigt langs den glatte underlag. Vask prøverne i syre reducerer oksenIDE og svækker huden effekt. Den midterste og højre kolonne i figur 4 (a) viser billeder af dråber forvasket i 0. 01 M og 0. 2 M HCI, hhv. Når syren bliver stærk nok til fuldstændigt at eliminere enhver observerbar hud effekt, eGain viser ingen forskel i at sprede opførsel fra almindelige væsker (højre kolonne).

For at karakterisere den radiale ekspansion efter indvirkning kan spredningsfaktor defineres som P m = R 0 / R m, hvor den maksimale spredning af radius R m. Skaleringen adfærd P m under forskellige oxidationsbetingelser er afbildet i figur 4 (b), på en traditionel måde for newtonske væsker, hvor Re er Reynolds tal, og vi * er en effektiv Weber nummer, der tegner sig for overflade stress induceret af huden fremkaldt . Her er Reynolds tal og den effektive Weber nummer for eGain defineret på omfanget af hele dråbe. Især Re= 2V 0 R 0 / ν hvor ν er den kinematiske viskositet og vi * = 2ρV 0 2 R 0 / σ eff med ρ som den flydende tæthed og σ eff den effektive overfladespænding. 15 De data pænt kollapse på den klassiske skalering 6 . Dette antyder, at spredning af oxideret eGain overensstemmelse med energibalancen argument bruges til at forklare spredning for newtonske væsker, så længe den elastiske energi lagret i huden i betragtning. Generelt er ingen sprøjt af eGain observeret siden overfladespændingen (> 400 mN / m) er meget større end i almindelige væsker.

For tætte suspensioner, forsøgene fokuseret på splash debut. En nonviscous væske blev anvendt som opløsningsmiddel, således at partiklen Reynolds tal Re p var altid større end 400. I denne ordning, tyktflydende dissipation er ubetydelig i forhold til inertieffekter. Figur 5. p og radier r p. Da de enkelt partikel dynamik dominerer effekten er både Reynolds tal og Weber nummer defineret på enkelt partikel-skalaen. Nemlig Re p = V 0 R p / ν, og vi p = ρ p V 0 2R p / σ, hvor R p er partiklens radius. Her ændrer anslagshastigheden varierer partikel Weber nummer Vi p. For hvert punkt på plottet Eksperimentet blev gentaget 10 gange. De røde hule cirkler er de tilfælde, hvor stænk altid fundet, og de faste blå prikker svarer til den situation, hvor der ikke splash er fundet. De åbne grønne firkanter imidlertid angive de scenarier, når både stænk og ingen plask er observeret i de 10 gentagelser. I alle tilfælde, overgangen til sprøjt der sker på den samme værdi af vi p ≈ 14. Dette er i overensstemmelse med et argument,partikel-baserede Weber nummer er det relevant parameter for stænk debut 16.. Mellemværker viser repræsentative billeder af stænk og ingen splash situationer. Ved at sammenligne resultaterne for sprøjt overgang newtonske væsker, opstår en karakteristisk forskel. Konventionelt er sprøjt indtræden for newtonske væsker fastsat af det dimensionsløse antal K = Vi 1/2 Ad 1/4, hvor Weber nummer, Vi og Reynolds tal, Re, er defineret for hele drop 7. Men ved tilsætning af partikler i væske, en ekstra længde skala partikelstørrelse, indføres i systemet. Som et resultat, i det tilfælde, hvor suspensioner er så tæt som jamming punkt dynamikken enkelte partikel bestemmer sprøjt debut.

Et af de særlige kendetegn ved tætte suspensioner er blonde-lignende struktur dannet i kølvandet på virkningen (figur 6 (a)). For at karakterisere denne nye form for ustabilitet, områdetaf de åbne huller er kvantificeret gennem billedbehandling analyse. For det første kan hastighedsfordelingen i spredningslaget opnås ved anvendelse Particle Billede Velocimetri (PIV). Derefter de gule ringe i figur 6 (a) er defineret med partikel Weber antal Vi p = 10, 75 og 920, som alle ekspandere radialt med tiden. Af imaging analyse, er det område af hullerne og det samlede areal mellem hver ring opnået som S hul og S 0, hhv. Forholdet mellem S hul S 0 er afbildet mod tiden i figur 6 (b). Fra plot, er det klart, at hul-åbning ustabilitet forekommer oftest i den ydre regime spredning.

Figur 1
Figur 1. Skematisk illustration af det billeddannende opsætning. Denhurtigt kamera, der anvendes til dette arbejde kan opnå 6.242 frames per sekund (fps) ved 1.280 x 800 widescreen-opløsning, den maksimale billedfrekvens er 10 6 bps ved reduceret opløsning (128 x 8). Under eksperimentet blev dråberne langsomt ekstruderet fra en dyse ved hjælp af en sprøjtepumpe. Belysningen af ​​systemet leveres af to hvide lyskilder. De forreste og bageste lys bruges til flydende metal og tæt suspension virkning, hhv.

Figur 2
Figur 2. (A) Typiske billeder taget med kameraet for flydende eGain (venstre kolonne) og en tæt suspension af partikler i en væske (højre kolonne). Observation kan udføres fra både bund og side. For at fremhæve objektets profil, er faldet belyst i en retning vinkelretdicular til billedplanet. Specifikt for flydende eGain, er faldet baggrundsbelyst at øge kontrasten ved væske / luft grænse. For tætte suspensioner prøven belyst forfra, således at der kan skelnes enkelte partikler i drop. (B) Et eksempel på rumlig opløsning kalibrering på 10.000 fps. Her er der 192 pixels over en længde på 1 cm. Således den rumlige opløsning for denne figur er 1 cm/192 pixels ≈ 52 mM / pixel. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Image Analysis. For flydende metal dråber, vi første tærskel billederne for hver ramme (se (a)). Den gennemsnitlige pixelværdi langs en ​​ring i radial position r (se massiv cirkel i (a)) angiver placeringen af spredning grænse. Konventionelt hvide svarer til nul og sort til én. Som et resultat, plot af gennemsnitlig pixelværdi (b) viser en skarp overgang. Den position, der svarer til 0,5 giver placeringen af ​​grænsen, hvor usikkerheden kommer fra bredden. Den bevægelige front er det afgørende parameter for studiet for spredning. Derimod for tæt suspension virkning, ikke kun udbredelsen men også sprøjt debut er bekymring. Panel (c) viser resultatet fra partikel sporing af stænk partikler, hvor de gule haler knyttet til partikler viser deres baner. Plottet i (d), giver spor af partikler kredsede i (c). Da den tid, trin 1/10, 000 sek, den frigjorte hastighed er konstant på omkring 1,5 m / sek, hvilket svarer godt til anslagshastighed.f = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg" target = "_blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4.. Spredning dynamik flydende eGain. (A) Typisk billede sekvens af eGain dråber påvirker på et glassubstrat (fanget af en farve-følsomme hurtigt kamera. I dette tilfælde er den rumlige opløsning reduceres til 59 mM / pixel på 7.600 fps). Dråber er i første omgang forvasket i HCl-opløsning, som angivet i teksten. For alle billedsekvenser vist ovenfor, blev effekten hastighed holdes på V 0 = 1,02 ± 0,12 m / sek og den indledende dråbediameter var R 0 = 6,25 ± 0,10 mm. (B) Kapillær til tyktflydende overgang for adfærd eGain effekt dråber forvasket wed forskellige syre koncentrationer. Den dimensionsløse parameter K = vi * / Re 4/5 anvendes til at skjule alle data. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5.. Splash debut Weber nummer Vi p som funktion af partikel radius r p og tæthed ρ p. De røde hule cirkler er de tilfælde, hvor stænk altid fundet, og de ​​faste blå prikker svarer til den situation, hvor der ikke splash er fundet i 10 på hinanden følgende gentagelser. De åbne grønne firkanter indikerer scenarierne, når både stænk og ingen plask er observeret i de 10 gentagelser. De indsatte plots er typiske billeder af sprøjt og nonsplashing sager. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Ustabilitet i suspension sprede dynamik. Panel (a) viser et typisk billede under anslaget. Under spredning huller åbne mellem partikel klynger grund hastighedsgradienten i monolaget. De tre gule ringe i billedet angiver de radiale positioner svarende til forskellige partikel Weber numre (Vi p = 10, 75, 920). (B) forholdet mellem arealet af hullerne (S hul) til det samlede areal (S 0) mellem hver ring. S hul / S 0 afbildes mod tiden, t.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Flere trin er afgørende for korrekt udførelse af den hurtige billeddannelse. Først kameraet og linsen skal være passende indstillet og kalibreret. Især med henblik på at få høj rumlig opløsning, gengivelsesforholdet af linsen skal holdes tæt til 1:1. Dette er især vigtigt for visualisering af tætte suspensioner. Desuden skal størrelsen blænden omhyggeligt udvalgt til billeddannelse. For eksempel, observation fra siden i almindelighed kræver længere dybdeskarphed derfor mindre maskestørrelse. For at opretholde lysstyrken på video, er man nødt til at øge eksponeringen tid og dermed reducere frame rate (~ 6.000 fps). Derimod kun set fra bunden kræver kameraet til at fokusere på en enkelt planet. Som en følge heraf kan en højere tidsopløsning opnås (~ 10.000 fps).

For det andet, ordentlig belysning setup er en afgørende faktor for at få en skarp grænse af dråberne. Da alle prøverne blev tændt enten fra ryggen eller front, skal justeres vertikalt billedplanet lyskilderne. Hvis belysningen vinkel vippes, kan skyggen i billedet og refleksion fra prøven (fx fra blanke overflader såsom flydende metal) gør det umuligt præcis grænse detektion.

For det tredje, at kameraet udløser er vigtig, når videooptagelse. Brugerne er nødt til at vurdere, hvor mange frames skal registreres, før der udløses. Den specifikke konfiguration kan variere med personer, afhængigt af forskellige reaktionstider. Således er det nødvendigt adskillige forsøg test for at øve før faktiske målinger.

En begrænsning indebærer en rumlig opløsning trade-off. For de fleste billeder taget i forsøgene, opløsningen var omkring 50 um, hvilket tyder på, at det er temmelig vanskeligt klart at visualisere partikler mindre end 50 m (selvom avancerede partikel sporingsalgoritmerne kan hjælpe i denne henseende, afhængigt af den specifikke eksperimentelle details 10-12). En anden potentiel begrænsning er den kraftige reduktion i tid opløsning, når det krævede synsfelt bliver stor. For splat strækker sig flere centimeter, kan den frame rate falde til under 5.000 fps, som ikke kan være hurtig nok til at opfange hurtige dynamik.

Sammenfattende det hurtigt billeddannende system (hurtig kamera + makroobjektiv), beskrives her er et lovende redskab til at studere hurtige dynamik processer. Fokus her var på virkningen af ikke-newtonske væsker, men undersøgelser af mange andre forskningsemner, såsom flydende drop breakup 19,20, kornede jets 21 og flydende drop sammensmeltning 22, drage fordel af en lignende teknik. En sådan eksperimenterende tilgang gør det muligt at billedet mikroskala fænomener og på samme tid få indsigt i de ledsagende dynamik i skala mikrosekunder, et regime, der er udfordrende for konventionelle billeddiagnostiske metoder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Tak til Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin og Michelle Driscoll til mange nyttige diskussioner og Qiti Guo for hjælp med at forberede eksperimentelle prøver. Dette arbejde blev støttet af National Science Foundations MRSEC program under Grant No DMR-0.820.054.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Gallium-Indium Eutectic Sigma Aldrich 495425-25G
Hydrochloric Acid  Sigma Aldrich 320331-2.5L
Zirconium oxide Glen Mills Inc. 7200
Phantom V12 and V7 Fast Ccamera Vision Research N/A
105 mm Micro-Nikon Nikon N/A
12 V / 200 W light Source Dedolight N/A
Syringe Pump Razel MODEL R9-9E

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chiechi, R. C., Weiss, E. A., Dickey, M. D., Whitsides, G. M. Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers. Angew. Chem. Int. Ed. 47, 142 (2008).
  2. Fukumoto, M., Huang, Y. Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface. J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).
  3. Seerden, K. A., Reis, N., Evans, J. R., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B. Ink-Jet Printing of Wax-Based Alumina Suspensions. J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514 (2004).
  4. Derby, B. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).
  5. Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop Splashing on a Dry Smooth Surface. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
  6. Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).
  7. Yarin, A. L. Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).
  8. Chandra, S., Avedisian, C. T. On the collision of a droplet with a solid surface. Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).
  9. Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).
  10. Thoraval, M. -J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. Drop impact entrapment of bubble rings. J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).
  11. Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. Micro-splashing by drop impacts. J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).
  12. Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubble. Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).
  13. Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. Thin film formation during splashing of viscous liquids. Phys. Rev. E. 82, (2010).
  14. Pregent, S., Adams, S., Butler, M. F., Waigh, T. A. The impact and deformation of a viscoelastic drop at the air-liquid interface. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166, 831 (2011).
  15. Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. Impact dynamics of oxidized liquid metal drops. Phys. Rev. E. 87, (2013).
  16. Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. Splashing onset in dense suspension droplets. Phys. Rev. Lett. 111, (2013).
  17. Luu, L., Forterre, Y. Drop impact of yield-stress fluids. J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).
  18. Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H., Brown, E. Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium. Phys. Fluids. 24, (2012).
  19. Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact. Phys. Rev. Lett. 103, (2009).
  20. Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).
  21. Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Phys. Rev. E. 78, (2008).
  22. Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Phys. Rev. Lett. 106, (2011).

Tags

Fysik fluid mekanik hurtig kamera tæt suspension flydende metal drop virkning sprøjt
Hurtig Imaging teknik til at undersøge Drop Impact Dynamics af ikke-newtonske væsker
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Xu, Q., Peters, I., Wilken, S.,More

Xu, Q., Peters, I., Wilken, S., Brown, E., Jaeger, H. Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids. J. Vis. Exp. (85), e51249, doi:10.3791/51249 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter