מאמר שיטה

טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים

DOI:

10.3791/56632

⸱

4 בדצמבר 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of North Carolina at Charlotte

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שיטה אנלוגי השפעול נגיש עבור לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית צפופה נוזלים מוצג. הטכניקה משתמשת חלקיקים velocimetry תמונה של ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומאפשר תצפית ישירה, מאקרוסקופית של תהליכים דינמיות ידוע והוא ניבא קיימת אינטראקציה חזקה, גבוהה צפיפות גזים ונוזלים.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מתוארת שיטה אנלוגיות, מאקרוסקופית לימוד תהליכי hydrodynamic בקנה מידה מולקולרי צפופה גזים ונוזלים. הטכניקה חלה של תקן נוזל דינמי אבחון, חלקיק תמונה velocimetry (PIV), כדי למדוד: i) במהירויות של חלקיקים בודדים (גרגרים), העומד על תבואה-התנגשות קצרה, פרקי זמן, ii) המהירויות של מערכות של חלקיקים, על שניהם קצרים התנגשות-זמן - ו זמן, רצף-זרימה-זמן-מאזניים, השלישי) קולקטיבית מצבי hydrodynamic ידועים להתקיים ב נוזלים מולקולרית צפופה, ו- iv) פונקציות autocorrelation מהירות קצר, ארוך-זמן-סרגל, מרכזי להבנת הדינמיקה של חלקיקים בקנה מידה של מערכות נוזלים שמעצבת חריפה, צפופה. מערכת בסיסית מורכבת מערכת הדמיה, מקור האור, חיישנים הרטט, מערכת הרטט עם תוכנת מדיה, ו PIV וניתוח ידוע. מדידות ניסיוני נדרש וקו מיתאר של כלים תיאורטיים בעת שימוש בטכניקה אנלוגי ללמוד תהליכים hydrodynamic בקנה מידה מולקולרי מודגשים. הטכניקה המוצע מספק אלטרנטיבה פשוטה יחסית כדי פוטוני ושגרו ניוטרון שיטות פיזור משמשת גם מחקרים hydrodynamic מולקולרית.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הידרודינמיקה מולקולרית מחקרים את הדינמיקה ואת המכניקה הסטטיסטית של מולקולות בודדות ואוספים של מולקולות בתוך נוזלים. בין הטכניקות ניסיוני רבות שפותחו עבור לימוד מערכות hydrodynamic מולקולרית1,2, פיזור אור1,2,3, סימולציות דינמי מולקולרית4, 5,6,7 , ובמידה פחותה יותר, פיזור וספקטרוסקופית8 היו הנפוץ ביותר בשימוש. למרבה הצער, מגבלות משמעותיות לצרף הטכניקות שני האחרון. סימולציות דינמיקה מולקולרית (MD), לדוגמה: i) הן מוגבלת קטן יכולות figure-introduction-1 דומיינים המכילים מולקולות מעטים יחסית figure-introduction-2 , ii) דורשים שימוש של פוטנציאל הבין-החלקיקים משוער, iii) בדרך כלל להציג תקופתי תנאי גבול, לא חוקי תחת תנאי זרימה ללא שיווי משקל בתפזורת, ו- iv) יכול, בזמן הנוכחי, לענות על השאלה הבסיסית של דינמיקה מולקולרית סרגל איך, מעורבים או מולקולות יחיד או אוספים של מולקולות, מושפעים, זוג בחזרה, בכמות גדולה, זרימת נוזלים ללא שיווי משקל. המגבלה העיקרית המשויך ניוטרון פיזור קשורה לרמת הקושי של גישה מספר מוגבל של נייטרונים קרן מקורות זמינים.

כדי לספק הקשר עבור השיטה הניסיונית אנלוגי שהוצגו במאמר זה, אנו מדגישים בטכניקות פיזור אור שהוחל נוזלים פשוט צפוף-גז, נוזל-המדינה. בניסוי טיפוסי פיזור אור, קרן אור מקוטב לייזר מכוונת לאמצעי חקירה קטנה המכילה את דגימת נוזל נייח. אור המתפזרת מולקולות בתוך המדגם הוא זוהה אז בזווית קבועה מסוימים ביחס קרן התקרית. בהתאם המשטר דינמי מולקולרית של עניין, זיהוי וניתוח של האות אור מפוזר משלבת קלות סינון או אור ערבוב שיטות איתור. כפי שתואר על ידי ברן ואסטוריה1, סינון טכניקות, אשר בדיקה במצב נוזל דינמיקה מולקולרית בזמן מאזני קצר יותר figure-introduction-3 s, להציג של פוסט-פיזור interferometer או סריג עקיפה, ומאפשרים סריקה של צפיפות ספקטרלי האור מפוזר. אופטי ערבוב טכניקות, המשמש דינמיקה איטי-סרגל זמן, figure-introduction-4 s, לעומת זאת, לשלב הפוסט-פיזור autocorrelator או ספקטרום מנתח, שבו התוכן ספקטרלי של האות פזורים מופק מן האור מפוזר נמדד העוצמה.

באופן כללי, לייזר probes, לפחות אלה הפועלים לטווח הגלוי של הקשת, יש הרבה יותר זמן מאשר המרווח האופייני בין מולקולות נוזל-המדינה אורכי גל. בנסיבות אלה, קרן בדיקה מלהיב חמש קולקטיבי, איטי-סרגל זמן, מצבי hydrodynamic ארוך באורך גל2,9,10 (איטי יחסית התדירות האופיינית התנגשות): שני viscously damped, נגד הפצת גלי קול שני מצבי ערבוליות חשיפות, המפזרת גרידא, מצב יחיד המפזרת תרמי (האנטרופיה). מצבי קול מתרגשים בכיוון (האורך) הקרן התקרית, ואילו מצבי טרנדו מתרגשים בכיוון רוחבי.

בהתחשב ניסיוני פיזור טכניקות, שתי שאלות עקרוניות, משקרת בלב שיווי משקל, ללא שיווי משקל המכניקה הסטטיסטית של מולקולרית, מערכות נוזלי-המדינה, נשארים מעבר אור ומדידות פיזור נייטרון:
1) ארגומנטים קפדני9,11 מראים כי יכול להיות להצביע מחדש את הדינמיקה התנגשות - ולא משנה-collision-סרגל זמן אקראית של מולקולות נוזל-המדינה בודדים, בכפוף דינמיקה ניוטונית מתוקנת קלאסית או דינמיקה קוונטית, ב טופס Langevin מוכללת משוואות (GLE). GLE, בתורו, מהווים כלי מרכזי התיאורטי במחקר של המכניקה הסטטיסטית ללא שיווי משקל של מולקולות בתוך צפופה גזים ונוזלים. למרבה הצער, שכן לא ניתן לפתור את הדינמיקה של מולקולות בודדות (לא macromolecular) או בטכניקת פיזור, אין כיום דרך ישירה, מעבר לסימולציות MD, לבחון את החוקיות של GLE.
2) השערה היסוד משקרת בלב של דינמיקה של נוזלים מאקרוסקופית הרצף, כמו גם הידרודינמיקה מולקולרית microscale, רוביצה זה על אורך - ופרקי זמן גדולים יחסית קטרים מולקולרית, התנגשות פעמים, אבל קטן יחסית הרצף ואת הזמן-פיסיקליות, שיווי משקל תרמודינמי המקומי (LTE) משתלטת. רצף זרימה וחום העברה דגמים, כמו משוואות נאוויה-סטוקס (NS), ההנחה ליקוויד טנשן אקספרימנט הוא נדרש9 כדי כמה מהותי ללא שיווי משקל, זרימה בקנה מידה הרצף ותכונות תחבורה אנרגיה – כמו מדגיש הטיה צמיגה, הולכה תרמית – אך ורק שיווי משקל תרמודינמי במאפיינים, כמו טמפרטורה, אנרגיה פנימית. באופן דומה, בעוד microscale תנע ואנרגיה התחבורה הינם תהליכים ממהותם ללא שיווי משקל, המשקף את המראה של מסה בשילוב, microscale, תנע, זרמי האנרגיה, דגמים של תהליכים אלה microscale מניח הזרמים מייצגים לפליטת קטן ליקוויד טנשן אקספרימנט9. שוב, לפי מיטב ידיעתנו, היו אין בדיקות ניסויית ישירה של ההנחה ליקוויד טנשן אקספרימנט. בפרט, נראה כי אין ניסויים פיזור hydrodynamic מולקולרית נוסו בתוך זרימת הנוזלים צפופה, לנוע, ללא שיווי משקל.

בנייר זה, אנחנו חלוקה לרמות טכניקה ניסיוני אנלוגי שבו החלקיקים מאקרוסקופית, יחיד ואת הדינמיקה הקולקטיבית של חלקיקים של ערימות התבואה זז, שנמדדו בשימוש רגיל של חלקיקים הדמיה Velocimetry (PIV), ניתן לחזות באופן עקיף, לפרש ולחשוף molecule יחיד מרובי הידרודינמיקה ב צפופה גזים ונוזלים. הרכיבים הפיזיים ותיאורטי המאפשרים את הטכניקה המוצע מתוארים במאמר האחרונות שפורסם על-ידי שלנו קבוצה12. השפעול, מערכת מאקרוסקופית חייב להפגין: (i) מתמשכת בנטייה מקומית, שיווי משקל מכני סטטיסטי macroscale ו (ii) קטן, ליניארי לטיסות שיווי משקל המחקים תנודות ללא שיווי משקל (חלש) נצפתה מערכות hydrodynamic מולקולרית. תיאורטית: מודלים microscale קלאסית (i) המתאר את שיווי המשקל ואת חלש-ללא שיווי משקל המכניקה הסטטיסטית של צפופה, מערכות N-חלקיקים שמעצבת חייב להיות עיצבתי בצורה macroscale, וחייב מודלים macroscale וכתוצאה מכך (ii) בצורה אמינה לחזות יחיד, מרובה-החלקיקים התת-דינמיקה, מ קצר, חלקיקים-התנגשות-זמן-ניתן להרחבה מדרגית עד זמן, רצף-זרימה--פרקי זמן.

כאן, אנו מציגים פרוטוקול נסיוני נתונים היסטוריים, כמו גם נציג התוצאות המתקבלות על-ידי טכניקה חדשה. בניגוד סימולציות MD ו אור ושיטות ניוטרון פיזור, טכניקה חדשה מאפשרת, בפעם הראשונה, מחקר מפורט של תהליכי hydrodynamic מולקולרית בתוך זורם, חריפה ללא שיווי משקל, צפיפות גבוהה גזים ונוזלים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת מערכת רטט

  1. להגדיר את המערכת רטט כמוצג באיור1. מערכת זו מורכבת טבעתי פוליאוריתן קערה (נתקל של הקוטר החיצוני של 600 מ מ), מצורף יחיד-מהירות (1740 rpm), המנוע לא מאוזנים, איפה שהשני מייצר ויברציות תהליך. זה קשור בסיס משוקללת, מופרדים על ידי קבוצה של שמונה מעיינות (הקערה ואת בסיס משוקללת נרכשים מורכבים כמו חתיכה אחת). לצרף את מכלול קערה האוטובוסים ולאבטח עם שני ווים גומי שסופקו. משאבת סחרור מקום על השולחן ליד הקערה וצרף משאבת צינור עודפים לשחק באולינג נקודת כניסה שימון.
    1. לצרף תאוצה triaxial הרדיוס הפנימי של טבעתי קערה ויברציות הקערה מוקלטות בתנאים משרעת נמוכה, להעביר תאוצה מרכך אות חיישן. במקום המרכך את האות על שולחן מן המערכת רטט. השילוב מרכך תאוצה/אות נשלטת על ידי נתונים רכישת חומרה/תוכנה מותקנת במחשב רגיל.
  2. הכן מדיה שבחרת על ידי שטיפה במים ומאפשרת להתייבש. מספר סוגים של מדיה שימשו במהלך ניסויים שונים. לשימוש זה נייר, קרמיקה ליטוש המדיה ישר חותך משולש (10 מ"מ x 10 מ"מ x 10 מ מ משולש כפי במ בחזית והן בעובי 10 מ מ).
    1. לקבוע את התקשורת אריזה בצפיפות על ידי קודם הנחת עליו שק פלסטיק ריק בקנה מידה המעבדה taring קנה המידה. למלא את השק פלסטיק עם התקשורת שבחרת (לא כדי לחרוג 18.927 L (5 gal) ולהקליט את המשקל של התקשורת (g או ק ג). עבור סוג זה של המדיה ולהגדיר הנוכחי ניסיוני, המשקל היה 22.68 ק ג (50 ק ג).
      1. מקם את הדלי כיור גדול, או מחוץ לבניין הרחק ציוד אחר. למלא את הדלי (בשביל זה להגדיר, דלי 18.927 L (5 gal) שימשה) עם מים לסימן מלא ולאט להפחית שק פלסטיק מדיה לתוך הדלי. ברגע השק של מדיה לגמרי שקוע, לאט הרימו את השקית מהמים כדי למנוע מתיז ומניחים את השק הצידה. השתמש גליל 1000 מ ל סיים למלא את הדלי לסימון שלה המקורי המלא, מקליט את הסכום הכולל של מים נוסף. זו כמות המים נוסף יהיה figure-protocol-1 בו figure-protocol-2 הוא החומר אריזה אמצעי התקשורת (כי זה להגדיר, 13,750 מיליליטר מים נוספה חזרה לדלי). כמות המים הוסיף יהיה תלוי בסוג המדיה בשימוש.
      2. חישוב צפיפות האריזה של התקשורת באמצעות המשוואה הבאה:
        figure-protocol-3
        איפה figure-protocol-4 היא צפיפות האריזה של התקשורת, figure-protocol-5 היא המסה של המדיה (עבור מדיה זו, הצפיפות חושבה להיות 1649 figure-protocol-6 ).
    2. להפעיל את מערכת רטט על-ידי חיבורו לשקע חשמל (מודל זה יש שתי אפשרויות, 1) תקע לקיר או 2) לרוץ עם שעון עצר מחובר לעמוד). להפעיל תוכנה רכישת נתונים במחשב על ידי לחיצה על החץ "התחל" על המשתמש תוכנית ולאסוף מידע במשך דקה אחת. נתוני התאוצה להיות מוצג לבדיקה מיידית (עוד זמן תחום והן בתדירות domain) והן מאוחסן באופן אוטומטי לקובץ csv עבור עיבוד שלאחר פוטנציאליים. נתק את יחידת משקע החשמל לבטל את הפעלתה של מערכת רטט.
    3. הוסף מדיה קערה רטט.
    4. להכין תרכובת, המורכב 3880 מ"ל של מים ו- 120 מ של גימור מורכבים (FC) פתרון (3% נפח). משאבת סחרור מוגדר 1.9 ל/ש (לסובב בחיוג ל 27 כדי להשיג את קצב הזרימה), אך לא ליזום את לזרום. פעולה זו תבטיח כי הפתרון הוא לא גידולים, אך מספיקה למנוע מהתקשורת רטוב. (הפתרון הזה הוא פתרון נפוץ גימור רטט). הפתרון מעשים כסוכן סיכה ומבטיחה שהתקשורת אינה ביחד או להתיש במהלך ההליך.
    5. להפעיל את מערכת רטט על-ידי חיבורו אל שקע החשמל. אסוף נתונים תאוצה כפי שצוין בשלב 1.2.2. נתק את יחידת משקע החשמל לבטל את הפעלתה של מערכת רטט.

2. מהירות הדמיה

הערה: עבור מדידות שדה תבואה מהירות, מתקבל על ידי הדמיה חלק של פני השטח של ערימת תבואה זורם, אזור ההדמיה, figure-protocol-7 תואם שדה הראיה (FOV) נקבע בשלב 2.2.4 להלן. מדידת הזמן משתנה, המהירויות תבואה בודדים (על פני ערימה) ניתן להשיג על-ידי בחירת אזור משנה קטן, קבוע, figure-protocol-8 , נמצא figure-protocol-9 איפה, כפי שיפורט להלן, figure-protocol-10 הוא גודל האזור המתוכנן זרעים בודדים.

  1. להציב מצלמה מהירות גבוהה (המצלמה בעלת רזולוציה 1504 x 1128 עד 1,000 מסגרות לשנייה (fps)) כדי ללכוד תמונות על-ידי הצבתו על חצובה או בניית מסגרת נוקשה עם העדשה בניצב לשטח פתוח של מערכת רטט (כאשר הקערה היא vibra טינג) כפי שניתן לראות באיור1. מסגרת נוקשה זו היא נפרדת ממערכת הרטט ומבטיחה כי התנודות של המערכת אינם משפיעים על הדמיה.
    1. לצרף העדשה המתאימה עבור אזור שילוב השטח הרצוי ואת הרזולוציה. עבור הסידור הנוכחי, השתמש עדשת זום 18-250 מ"מ עם יחס עדשה של 1:3.6 - 6.3.  לצרף המצלמה אספקת החשמל, אנטנת GPS.  לחבר את המצלמה למחשב באמצעות כבל CAT5.  למקם את המצלמה כך הקצה של העדשה הוא כ- 550 מ מ מעל פני השטח של המדיה.
      הערה: הצבת המצלמה יותר מדי יגרום המדיה מוגברת אפקטי קצוות, הצבת את המצלמה רחוק מדי יגרום את התמונות כדי להיות כהה מדי לעיבוד. למרחק שצוין, שגיאות עקב אפקטי קצוות, עקמומיות הכולל של אזור הבדיקה הוא < 2%.
    2. להסיר את מכסה העדשה ולהתחיל תוכנת המצלמה. מתי זה התחיל, לחץ על כפתור "מצלמות" ולאחר מכן לחץ על אישור. כאשר המצלמה רשימת מאכלסת, בחר את המצלמה מהרשימה ולחץ פתוח.
    3. בתוכנה מצלמה במחשב, תחת לשונית "Live", לחצו על הלחצן "לחיות" (חץ כחול) כדי להציג FOV של המצלמה. הפעל את מקור האור אותו, כדי להאיר את האזור לדימות. זה יכול להיות כל אור בהיר, כל עוד הוא נדלק האזור מבחן אחיד. איור 1 מציג את המצלמה ואת תצורת אור ביחס למערכת רטט.
    4. כדי לקבוע את עצירת f, להסתכל במסך המחשב עם זרם חי מן המצלמה וכוונן עצירת f להגדרתה מינימלי (בהירות מקסימלית). אם עצירת f מוגדר נמוך, התוצאה היא עומק שדה רדוד. אם עצירת f מוגדרת גבוהה, המסך הוא כהה מדי. את הניסוי הזה, עצירת f היה להגדיר ל- 3.6.
    5. להתאים את אורך המוקד על העדשה כדי לספק את FOV הרצוי (210 מ"מ x 160 מ"מ עבור אירוע זה). את הניסוי הזה, להגדיר את אורך המוקד 180 מ"מ עם המצלמה להגדיר 550 מ מ מעל פני השטח מדיה. איור 2a מראה של FOV דרך המצלמה.
    6. זום דיגיטלית ב- 500 X הגדלה באמצעות תוכנה המצלמה. להתאים את הטבעת מיקוד העדשה במיקוד אופטי בצורה הטובה ביותר. זום דיגיטלי החזרה ל- 100% (בתצוגה רגילה).
    7. תחת הגדרות רכישה במחשב, לחץ על "קצב [הרץ]" ולהגדיר 500 מסגרות לשנייה.
      הערה: כדי לפתור דינמיקה דגן-התנגשות-סרגל זמן, figure-protocol-11 , חייב להיות לפחות בסדר גודל גדול יותר תדירות הרטט שנכפה עליו, figure-protocol-12 (כאן, figure-protocol-13 הרץ)
    8. לפני לקיחת תמונות, למקם את סולם הנשלטים שדה הראייה; זה מספק מידה אורך עיבוד נתונים תמונות עוקבות. תחת הגדרות רכישה על תוכנת המצלמה, בחרו בלשונית "שיא" תחת "לחיות". הגדר "להקליט את מצב" מסגרות "מעגלי" ולהגדיר ל- 1. לחץ על עיגול אדום תחת לשונית "לחיות" כדי להקליט תמונה בודדת, כפי שניתן לראות באיור 2b.
    9. לשמור את התמונה נרכשת כקובץ TIFF של מיקום הספריה של קובץ נוח (כגון כונן קשיח חיצוני) על ידי לחיצה על "קובץ" ולאחר מכן לחץ על "שמור רכישות". תופיע תיבת דו-שיח עם אפשרויות מרובות. ליד סוג קובץ, בתיבת הדו-שיח, בחר .tiff מתוך התפריט הנפתח.
      1. בחר בכרטיסיה 'אפשרויות הורדה' בתחתית תיבת הדו-שיח ולחץ על "עיון". בחלק העליון של תיבת הדו-שיח, הוסף את שם תיקיה עבור הבדיקה. בתיבת הדו-שיח "עיון", לחיפוש, בחר במיקום הרצוי (כגון כונן קשיח חיצוני) ואת התיקייה המתאימה. לאחר תיקיה נבחרה, לחץ על "אישור" ואז "שמור". תיבת מנהל ההורדות יופיעו. הקובץ יתחיל להעביר, ניתן לשמור את מיקום הקובץ שצוין בתיקיית 001. לאחר שהתמונה העבירה, תיבה מצב "בוצע" יופיע על המסך.
      2. מחק תמונות מהמצלמה באמצעות לחיצה על לחצן מחק אדום.
        הערה: הפרוטוקול אפשר לעצור כאן.

3. איסוף נתונים

הערה: אם הפרוטוקול הושהה, יהיה עליך להפעיל מחדש המצלמה. בצע את שלב 3.1. אם פרוטוקול לא הושהה, דלג לשלב 3.1.2.

  1. תוכנת המצלמה ומתחילים להפעיל תאורה כפי שצוין בשלב 2.
    1. תוכנת המצלמה הופעלה, בדוק לתנאי תאורה ולהפעיל בשידור חי כמפורט בשלב 2.2.2. כדי להבטיח הריכוז.
    2. בחר זמן ריצה ניסיוני הכולל,figure-protocol-14
      הערה: שתי מתחרות לעמוד בדרישות: i) figure-protocol-15 בטח מספיק זמן. כי תנאי הזרימה תבואה סטטיסטית נייח להגדיר, ו- ii) figure-protocol-16 לא צריך להיות כל כך הרבה זמן כדי לייצר כמויות גדולות של נתונים מיותרים. ציר הזמן שבו יופיעו מצבים נייחים חייב להיקבע על ידי ניסוי וטעייה. שיטות שונות, הקשיחות בדרגות שונות, יכול לשמש. . For example, i) לוודא מהירות תבואה ממוצע הזמן בנקודה קבועה, או בנקודות קבועות מרובים, יגיע עם גודל נומינלית קבועה או מגניטודות, או ii) להבטיח כי, בנוסף אמצעי נייח, סטיות המתאימים גם להניח נומינלית קבועה מגניטודות. עבור ניסוי זה, הנתונים נאספו עבור 10.12 s, המתאים רכישת מסגרות 5060. תנאים יציבים בזרם תבואה להגדיר לאחר כ 1 s.
  2. להפעיל את הקערה רטט.
    1. להפיץ 150 מ ל גימור/שימון תרכובת (שלב 1.2.4) באופן שווה סביב הקערה כדי לספק הרטבה הראשונית של התקשורת; ולאחר מכן מקם הכד הנותרים מורכבים על הרצפה עם צינור המצורפת את משאבת סחרור. להפעיל את משאבת סחרור (כפי שנקבע בשלב 1.2.4) על-ידי להחליק את המתג של "כיבוי" כדי "השעון".
    2. להפעיל את הקערה רטט על-ידי חיבורו לשקע חשמל ולא לחכות לפחות דקה אחת כדי להבטיח אפילו להרטיב ויציבה נוזלים תנועה ברחבי התקשורת (תנועה זורמת קבוע מתרחשת כאשר זרימת נוזל מזין את הקערה מן משאבת סחרור שווה לזרימה של נוזל מתנקז הניקוז הקערה.
  3. לכידת וידאו של איסוף נתונים.
    1. ברגע נוזל מגיע תנועה יציבה (שלב 3.2.2), להפעיל את המצלמה על ידי לחיצה על סמל אדום שיא במסך המחשב ולאחר מכן לחץ על ההדק אדום עליו כדי להקליט תמונות עבור הנבחרת זמן משך, figure-protocol-17 . המצלמה יתעד את תמונות עבור המצוין figure-protocol-18 ולשמור תמונות אלה הזיכרון הפנימי שלו. איור 2a הוא דוגמה של תמונה בודדת מתוך ערכה של דימויים 5060.
    2. ברגע נתונים נאספים, כיבוי מערכת רטט על-ידי ניתוקו משקע החשמל, לבטל את משאבת סחרור על-ידי היפוך את המתג מהחלק "השעון" כ- "off".
      הערה: הפרוטוקול אפשר לעצור כאן.

4. תהליך נתוני וידאו עם PIV

  1. להכין מהירות גבוהה המצלמה תמונות PIV עיבוד.
    1. שמור את התמונות רכשה כקובצי TIFF ביצוע הפרוצדורות המתוארות בשלב 2.1.9. (במערכת הנוכחית, מסגרות תמונה 5060 אסף 10.12 מעל s לוקח יותר משעה להעביר). לאחר העברת תמונות, תיבה מצב "בוצע" יופיע על המסך. הקבצים יישמרו באותה ספריית קובץ כיול בתיקיית משנה המזוהה כ- 002. מחק תמונות מהמצלמה.
    2. להמיר תמונות צבע בגווני אפור כדי לאפשר עיבוד על ידי תוכנת PIV. להעלות את התמונות לתוך התוכנה ניתוח נתונים באמצעות פונקצית "imread()". המרת עותק של תמונות באמצעות הפונקציה "rgb2gray()", שמור/כתיבה של תמונות חדשות אלה לתוך תיקיה חדשה באמצעות הפונקציה "imwrite()".
      הערה: פונקציה זו ניתוח תהליך/נתונים זמינה לסוגים רבים של תוכנה לניתוח נתונים, נכתב כ/כפי תוכנית מלאה על-ידי החוקר. איור 2-c הוא דוגמה של תמונה מוגדלת ב לאחר יש כבר המרה לגווני אפור והוא היה מעובד על ידי PIV.
  2. השתמש בתוכנה PIV כדי לחשב שדות מהירות.
    1. להשתמש באשף הייבוא כדי לייבא את קבוצת תמונות בגווני אפור כתמונות פריים אחד אל הסביבה תוכנה PIV. להתחיל הייבוא על-ידי לחיצה על "קובץ" ולאחר מכן בחר "יבא" ו- "לייבא תמונות".  בתיבת הדו-שיח אשף ייבוא תמונה תופיע.  בחר באפשרות ייבוא "פריים אחד" מתוך התפריט ולחץ על לחצן "הוסף תמונות".  בחר כיול התמונה ולחץ על 'פתח', אשר מוסיף את התמונה "תמונות כדי לייבוא" תיבת הרשימה.  בעת ייבוא התמונות, להוסיף את התמונה כיול (שלב 2.1.9) קודם לכן התמונה העליונה בתיבה ייבא רשימה.  לחץ שוב על לחצן "הוסף תמונות", לסמן את כל נתוני התמונות ולחץ "פתוח" כדי להוסיף אותם בתיבת הדו-שיח "תמונות כדי ייבוא".  לחץ על "הבא" לאחר כל התמונות הרצויות נבחרו. קלט את הגדרות המצלמה בשימוש, לכלול גובה הצליל, קצב, פיקסל, מסגרת בתיבות הדו-שיח. לחץ על "הבא" ועל "סיים" כדי להשלים את תהליך הייבוא.
    2. להפריד את התמונה כיול התמונה סט והפרמטרים סרגל אורך הקלט לתוך התוכנה PIV.
      1. אם הרשימה תוכן כבר אינה מוצגת, ערכת תמונה מיובאת קליק ימני ובחר "הצג רשימת תוכן" בצד שמאל של המסך בעץ בסיס נתונים. בהנחה שכיול התמונה הייתה התמונה הראשונה שיובאה, קליק ימני בתמונה השנייה ברשימה ובחר "פיצול אנסמבל מ כאן". גרור ושחרר את התמונה החדשה שנוצרה להגדיר (המכיל רק את התמונה כיול) למיקום בצד השמאל של המסך שכותרתו "הכיול החדש".
      2. ערכת תמונת הכיול החדש שמוקם קליק ימני ובחר "גורם סולם מדידה". כאשר כיול התמונה מופיעה על המסך, מקם את סמני "A" ו- "B" בבתמונה הסרגל (או חפץ אחר של יודע גודל אם שליט לא שימש) קלט את המרחק בין הסמנים בתיבת הטקסט "מרחק מוחלט". לחץ על "אישור" בתיבת הדו-שיח "גורם סולם מדידה", אשר לשמור את ההגדרה כיול, סגור את תיבת הדו-שיח ואת הדימוי כיול.
    3. ליצור קבוצה של זוגות תמונה על-ידי בחירת ערכת תמונה מיובאת ' ולחץ על 'נתח' '. בחר הבא "להפוך מסגרת כפולה" מתוך הרשימה של שיטות ניתוח זמינים. לבחור "(1-2, 2-3, 3-4,... (N-1) כפול תמונות) "סגנון אפשרות.
      1. פתח כל תמונה בערכת תמונה (למעט כיול תמונה), לחץ לחיצה ימנית על התמונה ובחר "צפיפות החלקיקים". הצגה בתיבת הדו-שיח לזהות חלקיקים יופיע על המסך. זה יראה לנבוח על רקע אזור בדיקה. לחץ על הכרטיסיה הגדרות בתיבת דו-שיח זו ולשנות "בדיקה גודל אזור" עד למינימום של 3 חלקיקים נראים בעקביות באזור בדיקה.  גודל אזור זה המכשיר יהיה גודל אזור חקירה שהוזן בשלב 4.2.5.
    4. השתמש בפקודה 'נתח' על התמונה שנבחרה מוגדר לבחור PIV עיבוד אלגוריתם ובפרמטרים משויכים. בחר בשיטת "מתאם מסתגלת" ולהגדיר את האזור של פיקסלים אשר ישמש להגדרת וקטור במרחב בשלב 4.2.5. (תהליך זה מחלק תמונות לתוך רשת של פיקסל n n × "תחומי החקירות")
    5. להגדיר את גודל אזור חקירה על-ידי איתור הכרטיסיה "תחומי החקירות" ובחירה לגדלים אזור חקירה זמינים בין המינימום של 8 פיקסלים המרבי של 256 פיקסלים (כי היה להשתמש בשיטה זו, 32 פיקסלים על 32 פיקסלים). הזן את הערך שנקבע בשלב 4.2.3.1.
      1. כדי להגביר את הצפיפות של וקטורים שנוצרו, להוסיף אחוז "חפיפה" אזור חקירה בבחירת חופפים 0%, 25%, 50% או 75% מתוך התפריט הנפתח.
    6. לבצע ניתוח המוביל התבואה נמדדו מהירות שדה על-ידי בחירה "אישור" תיבת "המתאם מסתגלת". המערכת תתחיל ניתוח.  כמו המערכת מעבד את הנתונים, המפה וקטור הראשון יופיע על המסך. בדוק את השדות מהירות מספר הראשונה כדי לקבוע אם הם יופיעו משביע רצון על ידי הערכת מהירות וכיוון כפי שניתן לראות באיור 2 c. אם השדה מהירות לא מופיע מציאותי, לבטל את הפעלת ניתוח, חזור על שלב 4.2.4 ולשנות הגדרות ניתוח. (כאשר הניתוח הושלם, שדה vectoring, פורש את FOV, נוצרת עבור כל זוג תמונות בערכת (שלב 4.2.3)). איור 2 ג מראה של שדה וקטורי מספק דוגמה במהלך תהליך ניתוח זה יש כבר בשכבות על תמונה בגווני אפור.
      הערה: עבור כל אזור חקירה פיקסל n n ×, התוכנה PIV משווה את התבנית של נקודות האור משנה-grain בקנה מידה בתוך אזור חקירה נגד דפוסי המתאימים שנתפסו בתמונה הבאה. מתוך השוואה זו, קובע התוכנה PIV וקטור בממוצע באזור העקירה, figure-protocol-19 , בסופו של דבר, על ידי חלוקת figure-protocol-20 על ידי תוספת זמן בין מסגרות, figure-protocol-21 , המהירות באזור הממוצע, figure-protocol-22 בו figure-protocol-23 מתייחס החקירה אזור figure-protocol-24 . בניסויים הנוכחי, כל אזור החקירה כללה של n n x = 32x32 פיקסלים; המספר הכולל של תחומי חקירה סוגייה משפטית כל 210 מ"מ x 160 מ"מ FOV וכך היה 47 x 35, המקביל ל- 1504 x 1128 פיקסלים.

5. תהליך נתונים הרטט

הערה: שלב 5 יכול להיעשות בו זמנית עם שלב 4 אם נעשה שימוש במערכות מחשב אחרת או ניתוח תוכנה.

  1. פתח את תוכנת ניתוח נתונים ולרוקן באמצעות הפונקציה "load()" להכניס תאוצה נתונים שהושגו כשהיה הקערה רטט (שלב 1.2.2). מהיר טרנספורם פורייה של נתונים באמצעות הפונקציה "fft()". ליצור דמות של נתונים באמצעות הפונקציה "עלילה". חזור עם הנתונים שהושגו כשהיה הקערה רטט קיימת מדיה (שלב 1.2.5).
    הערה: פונקציה זו ניתוח תהליך/נתונים זמינה לסוגים רבים של תוכנה לניתוח נתונים, נכתב כ/כפי תוכנית מלאה על-ידי החוקר.
    1. ללימוד תהליכים hydrodynamic מולקולרית, מספר פעולות עיבוד נתונים נדרשים בדרך כלל. עיין בסעיפים נציג תוצאות ודיון להלן לקבלת קווי המתאר של ההליכים העיבוד הראשי; ראה Keanini, et al. (2017) 12 פרטים על איך נמדד PIV נתונים יכול לשמש כדי לחלץ מידע דינמיות במערכות hydrodynamic מולקולרית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בהצגת התוצאות נציג, נתייחס לתהליכים הרצף-סרגל האלו שנצפה ו החזוי לאורך זמן-סולמות, figure-results-1 שנמצאים זמן רב יחסית ציר הזמן התנגשות תבואה אופיינית, figure-results-2 figure-results-3 , חלקיק-סרגל תהליכים לאלה שנמדדו, ניבא על הזמן-סולמות, figure-results-4 , שאינם נמ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

על מנת להשתמש ערימות התבואה זז כמו תחליפי מאקרוסקופית על חקירת התהליכים hydrodynamic מולקולרית, experimentalist חייב מצד אחד, ללמוד, ארבע מידות בסיסיות ושימוש מאידך, מאסטר כמה אלמנטים בסיסיים של שיווי משקל, מכניקה סטטיסטית ללא שיווי משקל. התמקדות לראשונה מדידות ניסיוני, אלה כוללים: i) מדידה של תבואה בודדים dynamics באמצעות מדידה של הפונקציה autocorrelation יחיד-חלקיקים מהירות, ii) מדידה של מהירות תבואה השטח הממוצע/ארוך-זמן-סרגל זמן שדות, iii) מדידה של דגן מדיה יעיל צמיגויות, ו- iv) מדידת ספקטרום רעידות של הקערה מדיה, הן ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים אין לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו היה נתמך על ידי המשרד של חיל הים המחקר (הריסות N00014-15-1-0020) [Tkacik, Keanini] והופיע ב אוניברסיטת צפון קרוליינה במעבדה של מחקר מוטורי של שרלוט ליטוש מדיה נתרם על ידי רוסלר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
קערת ליטוש רטטRaytechAV-75
מד זרימהמשאבות פריסטלטיות913 Mity Flex
ScalePelouze4040
מד תאוצה תלת-ציריPCB PiezotronicsPCB 356B11מד תאוצה עם חיישן אותות
מזגן רכישת נתונים מחשבIBMThinkpadבשימוש עם גבוה מצלמת מהירות
מצלמה במהירות גבוההRedlakeMotionxtra HG-XR
עדשת זוםטמרוןדגם A1818-250 מ"מ f/3.5-6.3 
ARRIEB 400/575 Dבעוצמה גבוהה
Precision Tower 7910
PIV של Dell Dantec DynamicsDynamic Studio 2013גרסה 3.41.38
חומרת רכישת נתוניםמכשירים לאומייםSCXI SCXI-1000 Chasis עם כרטיס SCXI 1100 ומתאם SCXI 1303
תוכנת רכישת נתוניםNational InstrumentsLabVIEW 2012
תוכנת עיבוד נתוניםMATHWORKSMATLAB
ליטוש מדיהRoslerRSG 10/10Sסוגי מדיה מרובים בשימוש (מעורב, כדורי, משולש
תמיסת ליטושRoslerFC KFL (3%)3% תמיסת סבון עם מים
Rule ScaleSwiss Precision Instruments13-911-3
צילינדרמדורג Global Scientific601082
מחשב עיבוד נתונים תוכנת Dell )

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
  2. Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (1980).
  3. Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles. J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).
  4. Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
  5. Evans, D. J., Morriss, G. P. Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , ANU E Press. (2007).
  6. Levesque, D., Verlet, L. Computer "experiments" on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
  7. Levesque, D., Ashurst, W. T. Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles. Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).
  8. Lovesey, S. W. Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. Lovesey, S. W., Springer, T. , Springer-Verlag. (1977).
  9. Forster, D. Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , Perseus. (1990).
  10. Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
  11. Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
  12. Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658(2017).
  13. Kushick, J., Berne, B. J. Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids. J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).
  14. Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
  15. Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. G., Mullany, B. Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing. J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).
  16. Navare, J. Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , University of North Carolina at Charlotte. Charlotte, NC. MSME thesis (2017).
  17. Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421(2012).
  18. Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193(2016).
  19. Pathria, R. K., Beale, P. D. Statistical mechanics. , 3rd ed, Elsevier. (2011).
  20. Gibbs, J. W. Elementary principles in statistical mechanics. , University Press. (1902).
  21. Toda, M., Kubo, R., Saito, N. Statistical physics I. , 2nd ed, Springer-Verlag. (1992).
  22. Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
  23. Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , Springer. (1991).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים