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 d’impact de gouttelettes non newtoniennes de métaux liquides et de suspensions granulaires denses à l’aide d’une technique d’imagerie rapide. Ceci est réalisé en mettant en place une fonction de caméra rapide pour visualiser la dynamique instantanée lorsque des gouttelettes frappent une surface. Dans un deuxième temps, effectuez une série d’expériences d’impact de métaux liquides pour fournir des informations sur la façon dont l’élasticité de surface induite par l’oxydation affecte le rayon d’étalement.

Ensuite, effectuez des expériences d’impact avec des suspensions denses pour étudier leur début d’éclaboussures et leur dynamique de propagation. On obtient des résultats qui montrent que différents paramètres de fluide, tels que la tension superficielle effective, la viscosité, la vitesse d’impact et le diamètre des particules en suspension, régissent ensemble la dynamique des impacts des gouttelettes non newtoniennes. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des suspensions denses, par exemple quand le comportement d’un système peut être décrit par ses propriétés globales ou quand des particules individuelles doivent être prises en compte.

Bien que cette mesure puisse donner un aperçu de la dynamique d’impact d’un fluide complexe. Il peut également être appliqué à l’observation d’autres processus qui incluent la dynamique rapide, tels que la formation d’états de fracture, le pincement solide de gouttes de liquide et le mouvement rapide des particules dans les systèmes granulaires. Commencez par préparer la configuration d’imagerie. L’un des composants est un rail vertical capable de supporter un support de pousse-seringue, le pousse-seringue pouvant être déplacé à différentes hauteurs pour modifier la hauteur de chute libre du fluide d’essai.

À côté de la piste se trouve un cadre qui supporte une plaque de verre propre qui sert de plan d’impact horizontal. Assurez-vous que la surface de la plaque est nivelée horizontalement. Placez un miroir réfléchissant incliné sous la surface du verre pour visualiser l’impact de la chute par le bas.

Ensuite, fixez du papier blanc opaque au-dessus de la plaque de verre pour réfléchir la lumière, afin de faciliter la visualisation du fond pour imager l’impact du métal liquide. Placez un diffuseur en papier transparent à l’opposé de la direction de visualisation pour faciliter l’imagerie en vue latérale. Placez ensuite une source de lumière dans la région située derrière le diffuseur.

Allumez les sources lumineuses pour éclairer uniformément la zone d’impact. Maintenant, placez un appareil photo à l’aide d’un objectif approprié sur un trépied afin qu’il puisse prendre des images de la surface. Connectez-vous à l’appareil photo à un ordinateur utilisé pour le contrôle et l’affichage.

Commencer la préparation de l’échantillon avec du gallium indium utic qui a été stocké dans un récipient scellé À température ambiante, utilisez une pipette pour extraire trois millilitres du récipient. Obtenez une plaque acrylique et extrudez-y le gallium indium UTA. Attendez 30 minutes pour que l’échantillon soit complètement oxydé à l’air.

Une fine couche de peau oxydée couvrira complètement la surface de l’échantillon. Prenez les précautions appropriées pour travailler avec de l’acide chlorhydrique et préparez un bain d’acide de 200 millilitres dans un récipient TER. La concentration du bain est un paramètre expérimental.

Mettez l’échantillon dans le bain acide avec l’échantillon dans le bain. Utilisez un TER pour le cisailler à 60 tours par seconde pendant 10 minutes. Une fois le prélavage à l’acide terminé, retirez le bain du ReMeter.

Utilisez une seringue en plastique de deux millilitres avec une buse en acier d’un à deux millimètres pour récupérer l’échantillon extraire 1,5 millilitre de gallium indium actique du bain. L’échantillon est maintenant prêt à l’emploi et aux expériences. Montez la seringue sur la préparation d’échantillon de la pompe à seringue pour les suspensions denses.

Les expériences commencent avec une seringue commerciale dont l’extrémité est coupée pour l’utiliser comme tube cylindrique pour distribuer la suspension pour remplir la seringue. Tout d’abord, procurez-vous un récipient d’eau. Placez l’extrémité de la seringue dans l’eau, tirez le piston vers l’arrière pour le remplir, en vous assurant qu’il n’y a pas de bulle d’air.

Ensuite, tenez la seringue avec l’extrémité ouverte vers le haut. Mettez du dioxyde de zirconium sphérique ou des billes de verre dans la seringue jusqu’à ce qu’elle soit pleine, permettant à l’eau de s’écouler. Utilisez une lame de rasoir pour enlever les particules de marié supplémentaires du haut afin de garder cette extrémité à plat.

Retournez la seringue et montez-la sur la surface de la pompe. La tension empêchera les particules de tomber. Avant d’enregistrer des vidéos, prenez des mesures pour ajuster 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 taux de 20 millilitres par heure. Attendez que le liquide se détache de la seringue, une suspension dense tombe pour faire un impact d’essai sur la surface du verre. Une fois l’impact survenu, éteignez le pousse-seringue.

Ajustez ensuite la position et l’orientation de la caméra jusqu’à ce que le splat s’affiche sur le moniteur. Ensuite, réglez le rapport de reproduction de l’image sur un à un et modifiez la distance de travail pour que l’image soit dans le plan focal avec l’appareil photo réglé sur un cadre. Plus de 6 000 images par seconde font varier la taille de l’ouverture, l’exposition, le temps et l’angle d’éclairage pour obtenir la meilleure qualité d’image.

Une fois les paramètres de l’appareil photo trouvés, placez une règle dans le champ de vision du moniteur. Utilisez la règle pour calculer la résolution spatiale en comptant le nombre de pixels qui s’adaptent à un centimètre. Assurez-vous qu’il n’y a pas de différence de résolution entre les directions horizontale et verticale.

Après avoir calibré le système d’imagerie, redémarrez le pousse-seringue à 20 millilitres par heure. Dans le même temps, préparez le logiciel de contrôle de la caméra pour surveiller le processus d’impact avant d’enregistrer les données. Entraînez-vous à observer attentivement lorsque la goutte commence à se former pour permettre le déclenchement manuel de l’appareil photo au moment où la goutte se détache de la buse.

Une fois les données enregistrées, modifiez la vidéo jusqu’à la partie contenant l’impact et enregistrez-la en tant que séquence d’images pour analyse. La technique d’imagerie rapide a été utilisée pour étudier l’impact du gallium indium actique avec différents oxydes. La force de la peau est déterminée par l’acide.

Le prélavage illustré ici est un cadre montrant l’étalement de trois préparations différentes lorsqu’elles entrent en contact avec une surface en verre. Chaque goutte tombait de la même hauteur de buse et frappait à une vitesse d’environ un mètre par seconde. Le diamètre initial de la goutte était de 6,25 millimètres sans prélavage.

Une peau d’oxyde empêche le fluide de détendre l’énergie de surface, ce qui donne une forme non sphérique pendant l’étape de chute, le lavage des échantillons et l’acide réduit l’oxyde et affaiblit l’effet de la peau. À des concentrations d’acide suffisamment fortes. Aucune différence n’est observée entre le gallium, l’indium et les fluides ordinaires.

Les données permettent de mettre en évidence le passage du régime capillaire au régime visqueux. Les données se réduisent à une seule courbe lorsque le rapport entre le rayon initial et le rayon final pm divisé par le nombre de Reynolds à la puissance d’un cinquième est tracé par rapport au rapport d’un nombre de Weber effectif et du nombre de Reynolds aux quatre cinquièmes de puissance L’apparition des éclaboussures en 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 de radio dont le produit se trouve le long de l’axe horizontal.

L’axe vertical est le nombre de particules de Weber défini dans le manuscrit. Les cercles rouges indiquent qu’une éclaboussure a toujours été trouvée. L’encart montre une image d’accueil typique.

Les points bleus correspondent à l’absence d’éclaboussures trouvées. Le deuxième encart est un exemple d’image d’éclaboussure nons. Les cas où il y a eu à la fois des éclaboussures et aucune éclaboussure sont indiqués par des carrés verts.

L’expérience a été répétée 10 fois pour chaque point. Les résultats sont cohérents avec un nombre critique de Weber d’environ 14 plus ou moins deux. Lorsque vous essayez cette procédure, il est important de vous entraîner à faire vos échantillons et de déterminer fréquemment la fraction d’emballage afin d’être sûr de pouvoir faire vos échantillons de manière cohérente.

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