Name: Imagerie rapide technique permettant détudier limpact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-03-05T16:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 9 s
Description: Découvrez la dynamique d'impact des gouttelettes de fluides non-newtoniens, métaux liquides et suspensions granulaires denses, grâce à une technique d'imagerie rapide. Cette méthode révèle l'influence de la tension superficielle, de la viscosité et du diamètre des particules sur le comportement à l'impact.

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Merci à Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin et Michelle Driscoll pour de nombreuses discussions utiles et Qiti Guo pour l&#39;aide à la préparation des échantillons expérimentaux. Ce travail a été soutenu par MRSEC le programme de la National Science Foundation Grant No. DMR-0820054.

Une. Configuration d&#39;imagerie rapide (voir la figure 1) <ol><li> Commencer par mettre en place une glissière verticale le long de laquelle un récipient rempli avec le fluide destiné à être étudié peut être déplacée librement pour ajuster la vitesse d&#39;impact. Le liquide quitte le fond du récipient à travers une buse, puis pénètre dans la chute libre. Pour ce travail, la hauteur de chute a fait varier de 1 à 200 cm pour donner une vitesse d&#39;impact V 0 = (0,4 à 6,3) ± 0,15 m / sec. </li><li> Construire et monter un cadre pour maintenir le plan d&#39;impact horizontal, généralement une plaque de verre, dans lequel un miroir réfléchissant incliné est positionné pour la visualisation de l&#39;impact de gouttes à partir du bas. </li><li> Placez une plaque de verre propre et lisse sur le support. Assurez-vous que la plaque est nivelé horizontalement. </li><li> Monter une pompe de seringue sur le rail vertical. </li><li> Pour un impact de métal liquide, placez un diffuseur de papier transparent derrière la buse de vue latérale imagerie. Dans le même temps, fixer un papier blanc opaque au-dessus de la pompe à seringue pour générerréflexion pour bas de visualisation (voir la figure 1). Ensuite, recherchez la source de lumière derrière la buse. </li><li> Pour un impact dense de suspension, aucun diffuseur est nécessaire. Au lieu de cela, il suffit de placer la source lumineuse en avant du plan de formation d&#39;image. </li><li> Sélectionnez la macro avec une longueur focale appropriée pour agrandissement souhaité et la distance de travail optique. Ensuite, connectez la lentille de la caméra. </li><li> Montez l&#39;appareil photo sur un trépied et régler la hauteur de la caméra en fonction de la perspective d&#39;imagerie (côté ou en bas). </li></ol> 2. Préparation de l&#39;échantillon <ol><li> Préparation de métal liquide oxydé <ol><li> Magasin Gallium Indium eutectique (eGain) dans un récipient hermétique. Etant donné que sa température de fusion est d&#39;environ 15 ° C, eGain reste dans un état liquide à la température ambiante. </li><li> Utiliser une pipette pour extraire 3 ml eGain du récipient et extruder sur une plaque acrylique. Attendez 30 minutes pour que l&#39;échantillon soit pleinement oxydé dans l&#39;air. En consequence, une mince couche de peau oxydée ridée recouvre complètement la surface de l&#39;échantillon. </li><li> Utiliser de l&#39;acide chlorhydrique (HCl; «ATTENTION») de différentes concentrations de prélavage l&#39;échantillon eGain et à maîtriser l&#39;oxydation de surface. Plus précisément, le cisaillement de l&#39;échantillon, alors qu&#39;il est dans le bain d&#39;acide, à 60 s-1 taux de cisaillement avec un rhéomètre. Après 10 min de cisaillement, le niveau d&#39;oxydation de la surface de l&#39;échantillon atteint l&#39;équilibre, fixé par la concentration de HCl 15,18. </li><li> Après cette prélavage, en utilisant une seringue en matière plastique avec un embout de buse en acier eGain l&#39;extrait du bain. </li><li> Monter la seringue sur le pousse-seringue et être prêt pour l&#39;expérience. </li></ol></li><li> Préparation des suspensions denses <ol><li> Coupez l&#39;extrémité d&#39;une seringue commerciale (4,5 mm ou 2,3 ​​mm de rayon) et l&#39;utiliser comme tube cylindrique de distribution de la suspension dense. </li><li> Tirez sur le piston et remplir la seringue avec de l&#39;eau tout le chemin à l&#39;extrémité ouverte, ce qui sure n&#39;y a pas de bulle d&#39;air entraîné. </li><li> Mettez sphériques ZrO 2 ou perles de verre dans la seringue. Avec la sédimentation des particules, l&#39;eau va se répandre à partir de la buse. Remplir la seringue avec des particules tout le chemin jusqu&#39;à l&#39;extrémité ouverte. La suspension se coince par gravité. </li><li> Utilisez une lame de rasoir pour enlever les particules mouillées supplémentaires à partir du haut pour garder cette fin plat. </li><li> Retournez sur la buse et le monter sur la pompe à seringue. La tension superficielle empêche les particules de tomber 16. </li></ol></li></ol> 3. Étalonnage Avant de recueillir les vidéos, les paramètres de l&#39;appareil d&#39;imagerie doivent être définies et l&#39;alignement de l&#39;éclairage doit être complété. En outre, la résolution spatiale doit être calibré. <ol><li> Démarrer la pompe à seringue à une vitesse de 20 ml / h pour faire sortir le fluide (de métal liquide ou de la suspension) de la buse. </li><li> Attendre que le fluide à se détacher de la seringue, et de former une goutte de chutef avoir un impact d&#39;essai sur le substrat de verre. </li><li> Ajustez la position de la caméra, y compris sa position verticale et l&#39;orientation de l&#39;imagerie, pour trouver le floc dans l&#39;écran d&#39;ordinateur qui se connecte à l&#39;appareil photo. Modifier la distance de travail pour organiser l&#39;image d&#39;être dans le plan focal lorsque le rapport de reproduction de l&#39;objectif est fixé à 01h01. </li><li> Varier la taille de l&#39;ouverture, le temps d&#39;exposition et de l&#39;angle d&#39;éclairage pour obtenir la meilleure qualité d&#39;image lorsque la cadence est assez élevée (&gt; 6000 fps). Figure 2 (a) montre des images typiques prises par la caméra à la fois pour eGain liquide et une suspension dense. </li><li> Placez une règle dans le champ de vision (voir figure 2 (b)) et calculer la résolution spatiale en comptant le nombre de pixels correspond travers 1 cm. Assurez-vous qu&#39;il n&#39;ya pas de différence de résolution entre les directions horizontale et verticale. </li><li> Suivre un processus en 3 étapes pour mesurer la fraction de tassement de la chute de suspension dense: <ol><li> Mesurer la masse de l&#39;entdroit de floc colère après l&#39;impact (par exemple en laissant tomber goutte dans une tasse de mesure qui peut être pesé avec précision). </li><li> Ensuite, évaporer tout solvant avec un dispositif de chauffage et peser à nouveau le floc pour obtenir la masse des particules. </li><li> Calculer le volume de particules et de liquide pour obtenir la fraction d&#39;emballage. En règle générale, cette fraction de volume doit être d&#39;environ 60%. </li></ol></li><li> Selon la direction d&#39;observation (en bas ou sur le côté), positionner la caméra de manière appropriée. En particulier, mettre l&#39;appareil en regard du substrat de la vue de côté, ou sur le même plan du miroir réfléchissant de formation d&#39;image de fond. </li></ol> 4. Enregistrement vidéo et d&#39;acquisition de données <ol><li> Après l&#39;étalonnage de l&#39;imagerie, redémarrer la pompe de la seringue. Dans le même temps, ouvrir le logiciel de commande de caméra pour surveiller le processus de l&#39;impact. </li><li> Réglez les numéros de châssis de post-déclenchement à peu près la moitié de la longueur de la vidéo. Regardez attentivement lorsque la chute commence à se former et manuellement trigger l&#39;appareil au moment où goutte se détache de la buse. Effectuer quelques tests pratiques avant l&#39;enregistrement de données. </li><li> Une fois les données enregistrées, rogner sur la vidéo à la partie contenant l&#39;impact et enregistrer les vidéos que des séquences d&#39;images pour l&#39;analyse. </li></ol> 5. L&#39;image de post-traitement et de l&#39;analyse <ol><li> Utilisez une méthode de détection de limite de localiser le front se déplaçant de eGain liquide car il se propage, ce qui correspond à une forte transition de la valeur moyenne de pixel (voir figures 3 (ab)). </li><li> À partir d&#39;images à la fois de fond et de côté, déterminer le début de projection de suspension dense. </li><li> Effectuer algorithmes particules de suivi pour obtenir des traces de particules individuelles qui se sont échappés de la floc (voir la figure 3 (c)). Ensuite, le calcul de la vitesse d&#39;éjection à partir de ces trajectoires (Figure 3 (d)). </li></ol>

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<li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Phys. Rev. Lett. 106, (2011).</li>
</ol>

Les auteurs n&#39;ont rien à révéler.

Plusieurs étapes sont essentielles pour la bonne exécution de l&#39;imagerie rapide. Tout d&#39;abord, l&#39;appareil photo et l&#39;objectif doivent être réglés de manière appropriée et calibré. En particulier, afin d&#39;obtenir une résolution spatiale élevée, le taux de reproduction de la lentille doit être maintenue proche de 1:1. Ceci est particulièrement important pour la visualisation des suspensions denses. De plus, la taille de l&#39;ouverture doit être soigneusement choisie pour l&#39;imagerie. Par exemple, l&...

Déposez l&#39;impact sur ​​une surface solide est un processus clé dans de nombreuses applications impliquant la fabrication électronique 1, revêtement par pulvérisation 2, et la fabrication additive utilisant impression jet d&#39;encre 3,4, où un contrôle précis de la chute d&#39;étalement et les éclaboussures est souhaitée. Cependant, l&#39;observation directe de l&#39;impact de baisse est techniquement difficile pour deux raisons. Tout d&#39;abord, il s&#39;agit d&#39;un processus dynamique complexe qui se produit dans un délai trop court (~ 100 ps) à imager facilement par les systèmes d&#39;imagerie conventionnelles, comme des microscopes optiques et appareils photo reflex numériques. La photographie au flash peut image cours de beaucoup plus rapide, mais ne permet pas pour l&#39;enregistrement continu, tel que requis pour une analyse détaillée de l&#39;évolution dans le temps. Deuxièmement, l&#39;échelle de longueur induite par l&#39;instabilité de l&#39;impact peut être aussi petite que 10 um 5. Par conséquent, pour étudier quantitativement le processus de l&#39;impact d&#39;un système qui combine l&#39;imagerie ultra-rapide avec une résolution spatiale relativement élevée est souventsouhaitée. En l&#39;absence d&#39;un tel système, les premiers travaux sur l&#39;impact des gouttelettes essentiellement porté sur la déformation géométrique mondial après l&#39;impact 6-8, mais a été incapable de recueillir des informations sur les premiers temps, les processus hors équilibre associés à l&#39;impact, tels que l&#39;apparition d&#39;éclaboussures. Les progrès récents dans le CMOS haute vitesse vidéographie de fluides 9,12 ont poussé le taux de trame jusqu&#39;à un million de fps et temps d&#39;exposition bas en dessous de 1 ps. En outre, les techniques d&#39;imagerie CCD nouvellement développés peuvent pousser le taux de trame bien au-dessus d&#39;un million d&#39;images par seconde 9-12. La résolution spatiale d&#39;un autre côté, peut être augmentée à l&#39;ordre de 1 um / pixel en utilisant des loupes 12. En conséquence, il est devenu possible d&#39;explorer en détail sans précédent de l&#39;influence d&#39;un grand nombre de paramètres physiques sur divers stades de l&#39;impact de chute et de comparer systématiquement expérience et la théorie 5,13-16. Par exemple, la transition de projections dans les fluides newtoniens était foue à fixer par la pression atmosphérique 5, tandis que la rhéologie intrinsèque décide la dynamique de propagation de fluides rendement-stress 17. Ici encore puissante technique d&#39;imagerie rapide simple est proposée et appliquée pour étudier la dynamique de l&#39;impact des deux types de fluides non-newtoniens: métaux liquides et suspensions denses. Avec l&#39;exposition à l&#39;air, essentiellement tous les métaux liquides (sauf le mercure) spontanément développer une pellicule d&#39;oxyde sur leur surface. Mécaniquement, la peau se trouve à modifier la tension superficielle effective et la capacité de mouillage des métaux 18. Dans un précédent article 15, plusieurs auteurs ont étudié le processus d&#39;étalement quantitativement et étaient en mesure d&#39;expliquer comment l&#39;effet de peau influe sur la dynamique de l&#39;impact, en particulier la mise à l&#39;échelle du rayon d&#39;étalement maximal avec des paramètres d&#39;impact. Depuis métal liquide a haute réflectivité de la surface, un réglage précis de l&#39;éclairage est nécessaire dans l&#39;imagerie. Suspensions unere composée de petites particules dans un liquide. Même pour les liquides newtoniens simples, l&#39;ajout de particules résulte en un comportement non-newtonien, qui devient particulièrement prononcé dans les suspensions denses, c&#39;est à dire à haute fraction volumique des particules en suspension. En particulier, l&#39;apparition d&#39;éclaboussures quand une goutte de suspension frappe une surface lisse, dure a été étudiée dans les travaux antérieurs 16. Les deux liquides particules et les interactions entre les particules peuvent modifier le comportement des éclaboussures de manière significative de ce qu&#39;on pourrait attendre de liquides simples. Pour suivre les particules aussi petites que 80 um dans ces expériences une résolution spatiale élevée est nécessaire. Une combinaison de diverses exigences techniques telles que la résolution spatiale et temporelle, ainsi que la capacité d&#39;observation des impacts à la fois du côté de et ci-dessous, peuvent tous être satisfaits de la configuration d&#39;imagerie décrit ici. En suivant un protocole standard, décrit ci-dessous, la dynamique d&#39;impact peuvent être investisnomènes étudiés d&#39;une manière contrôlée, comme le montre explicitement pour la diffusion et les éclaboussures comportement.

<table><tbody><tr><td>Gallium-Indium Eutectic</td><td>Sigma Aldrich</td><td>495425-25G</td><td></td></tr><tr><td>Acide chlorhydrique&nbsp ;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>320331-2.5L</td><td></td></tr><tr><td>Oxyde de zirconium</td><td>Glen Mills Inc.</td><td>7200</td><td></td></tr><tr><td>Phantom V12 et V7 Fast Ccamera</td><td>Vision Research</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>105 mm Micro-Nikon</td><td>Nikon</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>12 V / 200 W Source de lumière</td><td>Dedolight</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Pousse-seringue</td><td>Razel</td><td>MODÈLE R9-9E</td><td></td></tr></tbody></table>

imagerie rapide technique permettant d&#39;étudier l&#39;impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

Dans le domaine de la mécanique des fluides, de nombreux processus dynamiques se produisent pas seulement sur un intervalle de temps très court, mais aussi exigent une haute résolution spatiale pour l&#39;observation détaillée des scénarios qui font qu&#39;il est difficile d&#39;observer avec les systèmes d&#39;imagerie conventionnelles. L&#39;une d&#39;elles est l&#39;impact de la goutte de liquide, qui se produit généralement à moins d&#39;un dixième de milliseconde. Pour relever ce défi, une technique d&#39;imagerie rapide est introduit qui combine une caméra haute vitesse (capables d&#39;aller jusqu&#39;à un million d&#39;images par seconde) avec un objectif macro à longue distance de travail de porter la résolution spatiale de l&#39;image vers le bas à 10 um / pixel. La technique d&#39;imagerie permet la mesure précise de la quantité de dynamique des fluides concernés, tels que le champ d&#39;écoulement, la distance et la vitesse d&#39;étalement d&#39;éclaboussures, de l&#39;analyse de la vidéo enregistrée. Pour démontrer les capacités de ce système de visualisation, la dynamique d&#39;impact lorsque des gouttelettes de fluides non-newtoniens empiètent sur une surface plane et dure sont caracrisée. Deux situations sont envisagées: pour oxydés gouttelettes de métal liquide, nous nous concentrons sur le comportement de diffusion, et de suspensions denses nous déterminons le début de projections. Plus généralement, la combinaison de la résolution de l&#39;imagerie spatiale et temporelle introduite ici offre des avantages pour l&#39;étude de la dynamique rapide dans un large éventail de phénomènes microscopique.

La technique d&#39;imagerie rapide peut être utilisée pour quantifier la diffusion et les éclaboussures de différents scénarios d&#39;impact. Figure 4 (a), par exemple, montre typiques des séquences d&#39;images d&#39;impact pour eGain liquide avec différentes forces de la peau d&#39;oxyde. En éjectant eGain de la même buse, et à la même hauteur chute, les gouttelettes reproductible avec une vitesse d&#39;impact V 0 = 1,02 ± 0,12 m / s et de rayon R 0 = 6,25 ± 0,10 mm ont été génér...

impact de gouttes de fluides non-newtoniens est un processus complexe, étant donné que différents paramètres physiques influencent la dynamique sur un temps très court (moins d&#39;un dixième de milliseconde). Une technique d&#39;imagerie rapide est introduit dans le but de caractériser le comportement des différents fluides non-newtoniens impact.

Imagerie rapide technique permettant d&#39;étudier l&#39;impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

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

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Un nouveau système microfluidique a été développé en utilisant le phénomène de pompage de passif et un utilisateur du système contrôlé de distribution de fluide. Ce système microfluidique a le potentiel pour être utilisé dans une large variété d'applications biologiques compte tenu de son faible coût, facilité d'utilisation, précision volumétrique, à haute vitesse, la répétabilité et de l'automatisation.

Haute Vitesse Delivery System gouttelettes à base de passif de pompage dans des dispositifs microfluidiques

La microscopie confocale est utilisé pour les mélanges polymère-colloïde quiescentes et s'écoulant image, qui sont étudiés en tant que systèmes modèles pour des suspensions attractifs. des algorithmes d'analyse d'image sont utilisés pour calculer des paramètres structuraux et dynamiques par des particules colloïdales qui permettent de mesurer les changements dus au confinement géométrique.

Imagerie confocale de clos de repos et Flowing mélanges colloïdes-polymères

Deux dispositifs expérimentaux pour examiner l’impact d’un jet de liquide sur une surface mobile à grande vitesse sont décrits : un dispositif de canon à air et un dispositif à disque rotatif. Les appareils sont utilisés pour déterminer les approches optimales pour l’application du modificateur de friction de liquide (LFM) sur les voies ferrées pour le contrôle de la friction sur le dessus du rail.

Visualisation de High Speed ​​Liquid Jet impaction sur une surface en mouvement

Un protocole pour étudier la contribution des vagues à la dynamique effet gouttelette sur films de liquides qui coule est présenté.

Commande de film pour étudier les Contributions des ondes à gouttelettes Impact dynamique sur mince qui coule liquide Films

Ce protocole illustre la configuration de base expérimentale pour les expériences entrée eau sphères en chute libre. Méthodes pour l’altération de la surface du liquide avec des tissus perméables, la préparation des sphères chimiquement non mouillant et étapes d’extraction de données et de visualisation splash sont discutés.

Impacts des sphères en chute libre sur une piscine profonde liquide avec des Conditions de Surface liquide altéré et frappe

Ce protocole permet une collecte efficace d’images expérimentales à haute vitesse d’impacts de goutte liquides, et une analyse rapide de ces données par lots. Pour rationaliser ces processus, la méthode décrit comment calibrer et configurer des appareils, générer une structure de données appropriée et déployer un script d’analyse d’image.

Analyse à débit élevé des impacts des gouttelettes liquides

Ici, un protocole pour fabriquer des dispositifs microfluidiques à base de verre utilisés pour générer des émulsions hautement monodispersées avec une taille de goutte contrôlée est présenté.

Dispositifs à base de verre pour générer des gouttes et des émulsions

Ce document démontre le procédé expérimental pour mesurer les vitesses de règlement terminales des particules sphériques dans les fluides viscoélastiques d’amincissement surfactant-basés de cisaillement. Des fluides sur un large éventail de propriétés rhéologiques sont préparés et les vitesses de décantation sont mesurées pour une gamme de tailles de particules dans des fluides non bornés et des fluides entre des parois parallèles.

Mesure expérimentale de la vitesse de décantation des particules sphériques dans des fluides viscoélastiques d’amincissement à base de surfactants non confinés et confinés

Un procédé de collage permanent de deux plaquettes de silicium de manière à réaliser une enceinte uniforme est décrit. Cela comprend la préparation des plaquettes, le nettoyage, le collage RT et les processus de recuit. Les plaquettes collées résultantes (cellules) ont une uniformité d’enceinte ~1%1,2. La géométrie résultante permet de mesurer des liquides et des gaz confinés.

Fabrication de cavités uniformes à l’échelle nanométrique via la liaison directe de plaquettes de silicium

Nous présentons une technique pour obtenir à faible vitesse de collisions intermédiaire vitesse entre les agrégats de poussière fragiles dans le laboratoire. A cet effet, deux configurations goutte-tour à vide ont été mis au point qui permettent des vitesses de collision entre &lt;0,01 et ~ 10 m / sec. Les événements de collision sont enregistrées par imagerie à grande vitesse.

Laboratoire baisse Towers pour la simulation expérimentale de collisions poussière globales dans le système solaire précoce

Découvrez la dynamique d'impact des gouttelettes de fluides non-newtoniens, métaux liquides et suspensions granulaires denses, grâce à une technique d'imagerie rapide. Cette méthode révèle l'influence de la tension superficielle, de la viscosité et du diamètre des particules sur le comportement à l'impact.

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

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