Imagerie rapide technique permettant d'étudier l'impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

L'objectif général de l'expérience suivante est d'étudier la dynamique des impacts de gouttelettes non newtoniennes composées de métaux liquides et de suspensions granulaires denses, en utilisant une technique d'imagerie rapide. Cela est réalisé en mettant en place un dispositif comportant une caméra rapide afin de visualiser la dynamique instantanée au moment où les gouttelettes entrent en contact avec une surface. Dans un deuxième temps, réaliser une série d'expériences d'impact de métaux liquides afin d'obtenir des informations sur la manière dont l'élasticité de surface induite par l'oxydation affecte le rayon d'étalement.

Ensuite, réaliser des expériences d'impact avec des suspensions denses afin d'étudier l'apparition du giclage et la dynamique d'étalement. Les résultats obtenus montrent que différents paramètres du fluide, tels que la tension superficielle effective, la viscosité, la vitesse d'impact et le diamètre des particules en suspension, régissent conjointement la dynamique d'impact des gouttelettes non newtoniennes. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des suspensions denses, notamment lorsque le comportement d'un système peut être décrit par ses propriétés globales ou lorsque les particules individuelles doivent être prises en compte.

Bien que cette mesure puisse fournir des informations sur la dynamique d'impact des fluides complexes, elle peut également être appliquée à l'observation d'autres processus impliquant des dynamiques rapides, tels que la formation d'états de fracture, la rupture solide de gouttes liquides et le mouvement rapide de particules dans les systèmes granulaires. Commencez par préparer le dispositif d'imagerie. L'un des composants est une glissière verticale capable de supporter un support de pompe à seringue, ainsi que la pompe à seringue elle-même, de sorte qu'elle puisse être déplacée à différentes hauteurs afin de modifier la hauteur de chute libre du fluide test.

À côté de la piste se trouve un cadre qui supporte une plaque de verre propre servant de plan d'impact horizontal. Veillez à ce que la surface de la plaque soit parfaitement horizontale. Placez un miroir réfléchissant incliné sous la surface en verre afin de visualiser l'impact de la goutte depuis dessous.

Ensuite, fixez un papier blanc opaque au-dessus de la plaque de verre afin de réfléchir la lumière, ce qui facilite l'observation par en bas pour imager l'impact du métal liquide. Placez un papier diffuseur transparent en face de la direction d'observation pour faciliter la prise d'images en vue latérale. Puis, placez une source lumineuse dans la zone située derrière le diffuseur.

Activez les sources lumineuses afin d'éclairer uniformément la zone d'impact. Placez ensuite une caméra équipée d'un objectif approprié sur un trépied de manière à ce qu'elle puisse filmer la surface. Connectez la caméra à un ordinateur utilisé pour le contrôle et l'affichage.

Commencez la préparation de l'échantillon avec du gallium indium utic stocké dans un contenant scellé. À température ambiante, utilisez une pipette pour extraire trois millilitres du contenant. Procurez-vous une plaque acrylique et extrudez le gallium indium UTA sur celle-ci. Attendez 30 minutes afin que l'échantillon s'oxyde complètement à l'air.

Une fine couche de peau oxydée couvrira complètement la surface de l'échantillon. Prenez les précautions appropriées lors de la manipulation de l'acide chlorhydrique et préparez un bain acide de 200 millilitres dans un récipient en TER. La concentration du bain est un paramètre expérimental.

Placer l'échantillon dans le bain d'acide avec l'échantillon dans le bain. Utiliser un TER pour le cisailler à 60 tours par seconde pendant 10 minutes. Une fois le prélavage à l'acide terminé, retirer le bain du ReMeter.

Utilisez une seringue en plastique de deux millilitres équipée d'une buse en acier d'un à deux millimètres pour récupérer l'extrait d'échantillon de 1,5 millilitre de gallium indium actic à partir du bain. L'échantillon est désormais prêt à être utilisé pour les expériences. Montez la seringue sur la pompe à seringue pour la préparation de l'échantillon destiné aux suspensions denses.

Les expériences commencent par une seringue commerciale dont l'extrémité a été coupée afin de l'utiliser comme un tube cylindrique pour distribuer la suspension. Pour remplir la seringue, procurez-vous d'abord un récipient d'eau. Plongez l'extrémité de la seringue dans l'eau, puis tirez le piston vers l'arrière pour la remplir, en veillant à ce qu'aucune bulle d'air ne soit présente.

Ensuite, tenez la seringue avec l'extrémité ouverte vers le haut. Introduisez des billes sphériques en dioxyde de zirconium ou en verre dans la seringue jusqu'à ce qu'elle soit pleine, en laissant l'eau s'écouler. Utilisez une lame de rasoir pour enlever les particules excédentaires agglomérées à la surface afin de maintenir cette extrémité plane.

Retournez la seringue et fixez-la sur la surface de la pompe. La tension empêchera les particules de tomber. Avant d'enregistrer les vidéos, prenez les mesures nécessaires pour régler les systèmes d'imagerie et d'éclairage et calibrer la résolution spatiale.

Tout d'abord, démarrez la pompe à seringue pour expulser le liquide à un débit de 20 millilitres par heure. Attendez que le liquide, ici une suspension dense, se détache de la seringue et tombe pour produire un impact d'essai sur la surface en verre. Une fois l'impact produit, arrêtez la pompe à seringue.

Ensuite, ajustez la position et l'orientation de la caméra jusqu'à ce que l'éclaboussement apparaisse sur le moniteur. Réglez ensuite le rapport de reproduction de l'image à un pour un et modifiez la distance de travail de manière à ce que l'image se trouve dans le plan focal, la caméra étant réglée sur une image. Supérieure à 6 000 images par seconde, faites varier la taille de l'ouverture, le temps d'exposition et l'angle d'éclairage afin d'obtenir une image de la meilleure qualité possible.

Une fois les paramètres de la caméra déterminés, placer une règle dans le champ de vision sur l'écran. Utiliser la règle pour calculer la résolution spatiale en comptant le nombre de pixels qui s'inscrivent sur un centimètre. S'assurer qu'il n'y a aucune différence de résolution entre les directions horizontale et verticale.

Après avoir étalonné le système d'imagerie, réinitialisez la pompe à seringue à 20 millilitres par heure. En même temps, préparez le logiciel de contrôle de l'appareil photo pour surveiller le processus d'impact avant l'enregistrement des données. Entraînez-vous à observer attentivement la formation de la goutte afin de déclencher manuellement l'appareil photo au moment où la goutte se détache de la buse.

Une fois les données enregistrées, monter la vidéo sur la séquence contenant l'impact et l'enregistrer en tant que séquence d'images pour l'analyse. La technique d'imagerie rapide a été utilisée pour étudier l'impact du gallium indium actic avec différents oxydes. La résistance de la peau déterminée par l'acide.

Le prélavage illustré ici présente des images montrant l'étalement de trois préparations différentes lorsqu'elles entrent en contact avec une surface en verre. Chaque goutte est tombée d'une même hauteur d'embout et a percuté la surface à une vitesse d'environ un mètre par seconde. Le diamètre initial de la goutte était de 6,25 millimètres, sans prélavage.

Une couche d'oxyde empêche le fluide de relâcher son énergie de surface, ce qui entraîne une forme non sphérique pendant la phase de chute ; le lavage des échantillons et l'acidification réduisent l'oxyde et affaiblissent l'effet de cette couche. À des concentrations d'acide suffisamment élevées, aucune différence n'est observée entre le gallium, l'indium et les fluides ordinaires.

Les données permettent de démontrer la transition entre le régime capillaire et le régime visqueux. Les données se superposent sur une seule courbe lorsque le rapport du rayon initial au rayon final divisé par le nombre de Reynolds élevé à la puissance un cinquième est tracé en fonction du rapport d'un nombre de Weber effectif au nombre de Reynolds élevé à la puissance quatre cinquièmes. L'apparition de l'éclaboussure dans une suspension dense a été étudiée dans le régime où la dissipation visqueuse est négligeable par rapport aux effets d'inertie. Il s'agit du diagramme de phase d'éclaboussure pour différentes densités de particules et rapports dont le produit figure sur l'axe horizontal.

L'axe vertical représente le nombre de Weber des particules défini dans le manuscrit. Les cercles rouges indiquent qu'un éclaboussement a toujours été observé. L'encart montre une image typique d'un éclaboussement.

Les points bleus correspondent à l'absence d'éclaboussure détectée. La deuxième vignette illustre un exemple d'image sans éclaboussure. Les cas où une éclaboussure et l'absence d'éclaboussure ont été détectés sont indiqués par des carrés verts.

L'expérience a été répétée 10 fois pour chaque point. Les résultats sont compatibles avec un nombre de Weber critique d'environ 14 plus ou moins deux. Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de s'entraîner à préparer vos échantillons et de déterminer fréquemment la fraction d'empilement afin d'être certain de pouvoir fabriquer vos échantillons de manière reproductible.

Cela garantira que vos résultats expérimentaux seront reproductibles après leur obtention. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine des fluides complexes pour explorer la dynamique d'impact de divers systèmes liquides.