Une Technique analogue macroscopique pour l’étude des processus hydrodynamiques moléculaires dans les liquides et les gaz denses

L’objectif général de cette procédure est d’étudier les processus hydrodynamiques à l’échelle moléculaire dans les liquides à l’aide d’une technique analogique qui mesure la dynamique des particules simples et collectives dans des tas de grains vibrés. Le principal avantage de cette technique est qu’elle fournit une microcouche inverse accessible expérimentalement pour observer directement la dynamique complexe à l’échelle moléculaire. Comme cette technique est fortement couplée dans la mécanique statistique des systèmes de particules en interaction, elle ouvre la porte à l’investigation expérimentale dans les questions fondamentales de ce domaine.

Cette technique peut également être appliquée pour étudier la mécanique statistique des systèmes de particules macroscopiques en interaction, tels que les tas de grains vibrants que nous étudions. En général, les personnes utilisant cette technique auront du mal à apprendre les éléments de la mécanique statistique d’équilibre et hors équilibre qui sont nécessaires à l’interprétation des observations expérimentales lors de la conception d’expériences. La démonstration visuelle de cette technique est essentielle car elle étend la vélocimétrie d’imagerie de particules, normalement utilisée pour mesurer le mouvement de particules à l’échelle du micron, au mouvement de grains à l’échelle centimétrique.

L’expérience utilise ce système vibratoire. Il se compose d’un bol annulaire en polyuréthane fixé à un moteur déséquilibré à une vitesse pour générer des vibrations. Ceux-ci sont attachés à une base lestée et séparés par un groupe de ressorts.

Fixez l’ensemble bol à son support à l’aide de crochets en caoutchouc. À l’intérieur du bol, fixez un accéléromètre triaxial. Celui-ci est connecté à un signal de capteur sur une table à l’écart du système vibrant.

Ensuite, travaillez avec le milieu choisi pour l’expérience. Dans ce cas, utilisez un support de polissage en céramique à coupe droite en triangle avec des côtés de longueurs égales. Ajoutez le média dans le bol vibrant Près du bol, ayez une solution d’eau et de composé de finition prête à mouiller le média.

Installez également une pompe péristaltique pour déplacer le fluide dans le bol vibrant. Faites passer un tube en plastique de la pompe vers le haut du bol. Réglez le débit de la pompe mais n’initiez pas l’écoulement.

Pour l’imagerie, installez une caméra haute vitesse. Choisissez un objectif adapté à l’intégration de surface et à la résolution souhaitées. Supportez la caméra sur une structure isolée du système vibratoire.

Lors du montage de la caméra, sa longueur doit être perpendiculaire à la surface ouverte du support et à 550 millimètres au-dessus de celle-ci. Ensuite, connectez l’appareil photo à son alimentation, à une antenne GPS et à l’ordinateur. Sur l’ordinateur, démarrez le logiciel de l’appareil photo et sélectionnez l’appareil photo.

Visualisez le champ de vision de la caméra en direct avec le logiciel. Lors de la configuration, utilisez n’importe quelle lumière vive pour éclairer la zone de test. Le champ de vision choisi doit être éclairé uniformément.

Ensuite, utilisez le logiciel de l’appareil photo pour zoomer numériquement jusqu’à un grossissement de 500 fois. Sur l’appareil photo, ajustez la bague de mise au point de l’objectif. L’objectif est d’obtenir la meilleure focalisation optique pour la collecte de données.

Remettez ensuite le zoom numérique à aucun grossissement. Poursuivez en réglant le taux d’acquisition de l’appareil photo. Avant de prendre des images, placez une échelle réglée dans le champ de vision.

Utilisez l’appareil photo pour enregistrer une seule image de celui-ci. Enregistrez l’image en tant que fichier TIFF avant de la supprimer de l’appareil photo. Une fois l’appareil photo prêt, préparez-vous à démarrer le bol vibrant.

Obtenez 150 millilitres de solution de composé de finition dans le récipient. Apportez les 150 millilitres dans le bol vibrant et répartissez la solution uniformément pour assurer le mouillage initial du média. Ensuite, placez le grand récipient de composé sur le sol près de la pompe péristaltique.

Fixez un tuyau de la pompe au récipient avant d’activer la pompe. À ce stade, démarrez le bol vibrant et attendez au moins une minute. Avec le flux en état stable, déclenchez l’action de la caméra pour enregistrer l’action dans le champ de vision pendant la durée de fonctionnement choisie.

Ces images enregistrées ont été transformées en vidéo. Lorsque les données sont collectées, arrêtez le système vibratoire. Arrêtez ensuite la pompe péristaltique.

Pour le traitement, enregistrez les images acquises sous forme de fichiers TIFF sur l’ordinateur et convertissez-les en niveaux de gris. Ensuite, commencez à travailler dans l’image de particules de l’environnement logiciel de vélocimétrie. Allez dans Fichier et de là dans Importer, puis Importer des images.

Dans la boîte de dialogue Assistant d’importation, sélectionnez Image unique, puis Ajouter des images. Sélectionnez maintenant l’image d’étalonnage pour l’ajouter aux images à importer. Cliquez à nouveau sur Ajouter des images, puis mettez en surbrillance toutes les images de données pour les sélectionner à importer.

Poursuivez en cliquant sur Suivant. Sur l’écran suivant, entrez les paramètres de l’appareil photo, y compris la fréquence d’images et le pas des pixels. Une fois ces options saisies, cliquez sur Suivant, puis sur Terminer.

Allez maintenant dans la liste des contenus. L’image d’étalonnage doit être la première. Faites un clic droit sur la deuxième image, sélectionnez Diviser l’ensemble à partir d’ici pour créer deux ensembles d’images.

Récupérez l’ensemble d’images avec uniquement l’image d’étalonnage et déposez-le à l’emplacement intitulé Nouveau calibrage. Ensuite, cliquez avec le bouton droit de la souris sur l’ensemble d’images d’étalonnage et sélectionnez Mesurer le facteur d’échelle. L’image d’étalonnage apparaîtra à l’écran.

Dans l’image, placez le marqueur A sur la règle de fin de l’image. Placez ensuite le marqueur B à une autre position sur la règle. Allez dans la zone de texte Distance absolue et entrez la distance entre les marqueurs en fonction de la règle.

Cliquez sur OK pour enregistrer les paramètres et continuer. Sélectionnez maintenant l’ensemble d’images importé sans l’image d’étalonnage. Cliquez sur Analyser.

Sélectionnez Créer un double cadre. Choisissez ensuite de créer des paires d’images à partir des options de style. Pour définir la zone d’interrogation, ouvrez n’importe quelle image non calibrée.

Faites un clic droit sur l’image et sélectionnez Densité de particules. Dans la boîte de dialogue qui apparaît, il y aura une vue agrandie d’une zone de sonde. Cliquez sur l’onglet Paramètres et commencez à modifier la zone de taille de la sonde.

L’objectif est d’avoir constamment un minimum de trois particules dans la zone de la sonde. Notez la taille de la zone de la sonde pour une utilisation ultérieure. Revenez à Analyser et choisissez la méthode de corrélation adaptative.

Cliquez sur OK. Allez dans l’onglet de la zone d’interrogation et cliquez dessus. Là, sélectionnez la zone d’interrogation préalablement déterminée qui permet d’identifier trois particules ou plus. Cliquez sur OK dans la boîte de dialogue Corrélation adaptative pour effectuer l’analyse.

Au fur et à mesure que l’analyse progresse, inspectez visuellement les premiers champs de vitesse. Voici un exemple de champ vectoriel superposé à une image en niveaux de gris du média. Dans ce cas, les longueurs et les directions des vecteurs ne semblent pas cohérentes ou raisonnables.

Inspectez visuellement les cartes vectorielles au fur et à mesure de leur production pour vous assurer que les résultats sont réalistes. Si les résultats ne sont pas satisfaisants, arrêtez le processus et modifiez les entrées définies par l’utilisateur telles que la zone d’interrogation, puis redémarrez l’analyse. Il s’agit d’un exemple de champ vectoriel satisfaisant.

Encore une fois, superposé sur l’image en niveaux de gris. Une fois l’analyse terminée, un champ vectoriel couvrant le champ de vision sera créé pour chaque paire d’images de l’ensemble. Les données de vélocimétrie par image de particules permettent d’ajuster la distribution de vitesse en un point du système à la distribution de Maxwell Boltzmann.

L’image est celle du grain utilisé dans l’expérience. La barre rouge représente un centimètre. Les données en bleu représentent un histogramme normalisé des vitesses de grain horizontales particulières mesurées.

Les données sur de nombreux types de particules sont cohérentes avec la dynamique hamiltonienne sans dissipation, les énergies potentielles interparticulaires indépendantes de la vitesse et les énergies cinétiques indépendantes du potentiel. De plus, ils fournissent des preuves d’un équilibre mécanique macroscopique local. La fonction d’autocorrélation de vitesse pour les grains simples est une fonction du nombre caractéristique de collisions de grains qui peut également être extraite des données de vélocimétrie.

La dynamique d’un seul grain imite qualitativement celles prédites dans les liquides moléculaires et les gaz denses. Ces spectres sont déterminés à partir de la vélocimétrie d’image de particules dans des mesures simultanées d’accélération de conteneur. Les ondes acoustiques résonnantes dans le système de conteneurs à grains coïncident avec les modes acoustiques résonnants dans le conteneur vide.

Les modes acoustiques dans les spectres de la vitesse du fluide local particulier ne sont pas évidents en raison des limites de l’expérience. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans l’hydrodynamique moléculaire des liquides, telles que la façon dont l’écoulement de fluide prévisible et observable émerge de la dynamique imprévisible de l’état liquide des molécules. Une fois maîtrisée, la partie expérimentale de cette procédure peut être réalisée en moins d’une heure.

Le traitement des PIV et l’analyse des données peuvent prendre de l’heure à quelques jours selon le système de traitement des données. Il est important de reconnaître que pour relier les observations faites dans les systèmes de grains vibrants à l’hydrodynamique moléculaire, des éléments de la mécanique statistique d’équilibre et hors équilibre doivent être appris. Suite à ce développement, cette technique a été utilisée pour valider expérimentalement des simulations de dynamique des fluides d’écoulements de grains entraînés par les vibrations, ainsi que pour tester les viscosités de mesure dans les fluides de grains par rapport à celles prédites par la mécanique statistique hors équilibre.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une compréhension raisonnable de la façon de configurer d’abord un système PIV pour mesurer les systèmes de grains vibrants et ensuite comment utiliser ces mesures pour étudier les systèmes hydrodynamiques moléculaires.