Name: טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-03-05T16:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 9 s
Description: חקור את דינמיקת ההשפעה של טיפות נוזלים לא-ניוטוניים כגון מתכות נוזליות ותלויות גרגיריות צפופות באמצעות טכניקת הדמיה מהירה. שיטה זו מאפשרת לחקור כיצד אלסטיות פני השטח משפיעה על רדיוס ההתפשטות ועל דינמיקת הרסס.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

הודות לוונדי &#39;אנג, Luuk Lubbers, מארק מיסקין ומישל דריסקול עבור רבים דיונים מועילים וQiti גואו לעזרה בהכנת דגימות ניסיוניות. עבודה זו נתמכה על ידי תכנית MRSEC של הקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא DMR-0,820,054.

1. התקנת הדמיה מהירה (ראה איור 1) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל על ידי הקמת מסלול אנכי שלאורכו מיכל מלא בנוזל כדי להיחקר ניתן להעביר באופן חופשי כדי להתאים את מהירות ההשפעה. הנוזל עוזב את תחתית המכל דרך נחיר ואז נכנס נפילה חופשית. עבור עבודה זו את גובה הנפילה היה מגוון 1-200 סנטימטר לתת V מהירות השפעה 0 = (0.4-6.3) ± 0.15 מ &#39;/ שנייה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבנות והר מסגרת להחזיק המישור האופקי השפעה, בדרך כלל על צלחת זכוכית, שתחתיו מראה מהורהר נוטה ממוקם לדמיין את השפעת הטיפה מהתחתית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים צלחת זכוכית נקייה וחלקה על גבי המחזיק. ודא הצלחת מפולסת אופקית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר משאבת מזרק על המסלול האנכי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשפעת מתכת נוזלית, הנח את מפזר נייר שקוף מאחורי נחיר הדמיה צד וצפה. באותו הזמן, לצרף נייר אטום לבן מעל משאבת המזרק כדי ליצורהשתקפות לצפייה תחתונה (ראה איור 1). לאחר מכן, לאתר את מקור האור מאחורי הנחיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשפעת השעיה צפופה, אין צורך במפזר. במקום זאת, פשוט למקם את מקור האור בקדמת מטוס ההדמיה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את עדשת מאקרו עם אורך מוקד מתאים להגדלה רצויה ומרחק עבודה אופטי. ואז, לחבר את העדשה למצלמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר את המצלמה על חצובה ולהתאים את הגובה של מצלמה על פי נקודת מבט הדמיה (צד או בתחתית). </li></ol> 2. לדוגמא הכנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנת חמצון המתכת נוזלית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חנות גליום אינדיום eutectic (eGaIn) במכל אטום. מאז טמפרטורת ההתכה שלה היא כ 15 C °, eGaIn נשאר במצב נוזלי בטמפרטורת חדר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש פיפטה כדי לחלץ 3 מיליליטר eGaIn מיכל וextrude אותו על צלחת אקרילי. חכה 30 דקות למדגם להיות מחומצן באופן מלא באוויר. כconsequence, שכבה דקה של עור מקומט חמצון מכסה לחלוטין את פני השטח המדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בחומצה הידרוכלורית (HCl; &quot;זהירות&quot;) של ריכוזים שונים לכביסה מוקדמת מדגם eGaIn ולשלוט חמצון פני השטח. באופן ספציפי, גזירה המדגם, בזמן שהוא באמבטיה החומצה, בשיעור שניות -1 גזירה 60 עם rheometer. לאחר 10 דקות של גזירה, רמת חמצון פני השטח במדגם מגיעה לשיווי משקל, שנקבע על ידי 15,18 ריכוז HCl. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר כביסה מוקדמת זו, להשתמש במזרק פלסטיק עם קצה נחיר פלדה כדי לחלץ eGaIn מהאמבטיה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר את המזרק על משאבת המזרק ולהיות מוכן לניסוי. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנת תרחיפים צפופים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים את הקצה של מזרק מסחרי (4.5 מ&quot;מ או 2.3 מ&quot;מ ברדיוס) ולהשתמש בו כצינור גלילי מחלק ההשעיה הצפופה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למשוך בחזרה את הבוכנה ולמלא את המזרק עם מים כל הדרך עד לסוף הפתוח, מה שהופך את יםיור אין בועת אוויר לרכבת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שים ZrO 2 או זכוכית חרוזים כדוריים לתוך המזרק. עם שקיעה של חלקיקים, מים יישפכו החוצה מהנחיר. מלא את המזרק עם חלקיקים כל הדרך עד לסוף הפתוח. ההשעיה תהיה פקק תחת כובד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בסכין גילוח כדי להסיר חלקיקים רטוב נוספים מלמעלה כדי לשמור על סופו של דבר שדירה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פליפ מעל הנחיר ולעלות אותו על משאבת המזרק. מתח פנים ימנע את החלקיקים מהנפילה מתוך 16. </li></ol></li></ol> 3. כיול לפני איסוף קטעי וידאו, את הפרמטרים של מכשיר ההדמיה צריכים להיות מוגדרים ויישור תאורה צריך להסתיים. כמו כן, ברזולוציה מרחבית צריכה להיות מכוילת. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את משאבת המזרק במהירות של 20 מיליליטר / שעה כדי לדחוף את הנוזלים (מתכת נוזלית או השעיה) מהנחיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חכה לנוזל להתנתק מהמזרק, בצורת טיפה ונפילתו שלf כדי לעשות השפעה מבחן על גבי מצע הזכוכית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את מיקום המצלמה, כולל המצב האנכי שלה ונטייה הדמיה, כדי למצוא את מעיכה בצג המחשב המתחבר למצלמה. שנה את מרחק העבודה כדי לסדר את התמונה להיות במישור המוקד כאשר יחס הרבייה של העדשה קבוע ב1:1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשנות את גודל הצמצם, זמן חשיפה וזווית תאורה כדי להשיג את איכות התמונה הטובה ביותר כאשר במסגרת השיעור הוא גבוהה מספיק (&gt; 6,000 תמונות בשנייה). איור 2 (א) מציג תמונות טיפוסיות שצולמו על ידי המצלמה עבור שני eGaIn הנוזלי והשעיה צפופה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח שליט בשדה הראייה (ראה איור 2 (ב)) ולחשב את הרזולוציה מרחבית על ידי לספור כמה פיקסלים שיתאימו לרוחב 1 סנטימטר. ודא שאין הבדל ברזולוציה בין כיוונים אופקיים ואנכיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עקוב תהליך 3 שלבים כדי למדוד את שבר האריזה של טיפת השעיה צפופה: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למדוד את המסה של entתקין זעם מעיכה לאחר ההשפעה (למשל על ידי ומאפשרות ירידת הנפילה לתוך כוס מדידה שיכולה להישקל באופן מדויק). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר מכן, תתאדה כל הממס עם דוד ולשקול את מעיכה שוב כדי להשיג את המסה של החלקיקים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חישוב הנפח של חלקיקים ונוזל כדי לקבל את החלק יחסי האריזה. בדרך כלל, בר נפח זה צריך להיות סביב 60%. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בהתאם לכיוון תצפית (בחלק תחתון או בצד), מקם את המצלמה כראוי. בפרט, לשים את המצלמה לצד המצע של המבט מהצד או באותה הרמה של המראה רעיוני להדמית תחתית. </li></ol> 4. הקלטת וידאו ונתונים רכישה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר כיול הדמיה, להפעיל מחדש את משאבת המזרק. במקביל, פתח את תוכנת המצלמה שליטה לפקח על תהליך ההשפעה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את מספרי המסגרת מפעילה-הודעה כבמחצית אורך וידאו. צפה בזהירות בעת הירידה מתחילה להיווצר וידני trigגר במצלמה ברגע שבו טיפה מתנתקת מהנחיר. לבצע כמה בדיקות בפועל לפני הקלטת נתונים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר שהנתונים שנרשמו, לקצץ את הווידאו לחלק המכיל את ההשפעה ולשמור את קטעי הווידאו כרצפי תמונה לניתוח. </li></ol> 5. לאחר עיבוד תמונה וניתוח <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בשיטת זיהוי גבול כדי לאתר את החזית מרגשת של eGaIn הנוזלי כפי שהוא מתפשט, אשר תואם את מעבר חד בערך פיקסל הממוצע (ראה איורים 3 (AB).) </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתמונות הן תחתונה וצד, לקבוע את תחילת ההתזות של השעיה צפופה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבצע אלגוריתמי חלקיקי מעקב להשיג עקבות של חלקיקים בודדים שנמלטו מהמעיכה (ראה איור 3 (ג)). לאחר מכן, לחשב את המהירות ולהוציא ממסלולים כאלה (איור 3 (ד)). </li></ol>

<ol><li>Chiechi, R. C., Weiss, E. A., Dickey, M. D., Whitsides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eutectic+Gallium-Indium+%28EGaIn%29%3A+A+moldable+Liquid+Metal+for+Electrical+Characterization+of+Self-Assembled+Monolayers%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 47, 142 (2008).</li>
<li>Fukumoto, M., Huang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flattening+Mechanism+in+Thermal+Sprayed+Ni+Particles+Impinging+on+Flat+Substrate+Surface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Thermal+Spray+Tech%22%5BJournal%5D)">Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface.</a> J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).</li>
<li>Seerden, K. A., Reis, N., Evans, J. R., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ink-Jet+Printing+of+Wax-Based+Alumina+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Ceram.+Soc%22%5BJournal%5D)">Ink-Jet Printing of Wax-Based Alumina Suspensions.</a> J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514 (2004).</li>
<li>Derby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inkjet+printing+ceramics%3A+From+drops+to+solid%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Eur.+Ceram.+Soc%22%5BJournal%5D)">Inkjet printing ceramics: From drops to solid.</a> J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).</li>
<li>Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+Splashing+on+a+Dry+Smooth+Surface%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Drop Splashing on a Dry Smooth Surface.</a> Phys. Rev. Lett. 94, (2005).</li>
<li>Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maximal+deformation+of+an+impacting+drop%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid.+Mech%22%5BJournal%5D)">Maximal deformation of an impacting drop.</a> J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).</li>
<li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+Impact+Dynamics%3A+Splashing+Spreading%2C+Receding%2C+Bouncing%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).</li>
<li>Chandra, S., Avedisian, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+collision+of+a+droplet+with+a+solid+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+R.+Soc.+Lond.+A%22%5BJournal%5D)">On the collision of a droplet with a solid surface.</a> Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).</li>
<li>Versluis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+in+fluids%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging in fluids.</a> Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).</li>
<li>Thoraval, M. -J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+impact+entrapment+of+bubble+rings%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Drop impact entrapment of bubble rings.</a> J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).</li>
<li>Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-splashing+by+drop+impacts%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Micro-splashing by drop impacts.</a> J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).</li>
<li>Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+of+drops+and+bubble%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging of drops and bubble.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).</li>
<li>Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thin+film+formation+during+splashing+of+viscous+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Thin film formation during splashing of viscous liquids.</a> Phys. Rev. E. 82, (2010).</li>
<li>Pregent, S., Adams, S., Butler, M. F., Waigh, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+impact+and+deformation+of+a+viscoelastic+drop+at+the+air-liquid+interface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Newtonian+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The impact and deformation of a viscoelastic drop at the air-liquid interface.</a> J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166, 831 (2011).</li>
<li>Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+dynamics+of+oxidized+liquid+metal+drops%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Impact dynamics of oxidized liquid metal drops.</a> Phys. Rev. E. 87, (2013).</li>
<li>Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Splashing+onset+in+dense+suspension+droplets%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Splashing onset in dense suspension droplets.</a> Phys. Rev. Lett. 111, (2013).</li>
<li>Luu, L., Forterre, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+impact+of+yield-stress+fluids%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Drop impact of yield-stress fluids.</a> J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).</li>
<li>Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H., Brown, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+oxidation+on+the+mechanical+properties+of+liquid+gallium+and+eutectic+gallium-indium%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium.</a> Phys. Fluids. 24, (2012).</li>
<li>Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetric+Disconnection+of+an+Underwater+Air+Bubble%3A+Persistent+Neck+Vibrations+Evolve+into+a+smooth+Contact%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact.</a> Phys. Rev. Lett. 103, (2009).</li>
<li>Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).</li>
<li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Birth+and+growth+of+a+granular+jet%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Birth and growth of a granular jet.</a> Phys. Rev. E. 78, (2008).</li>
<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>

יש המחברים אין לחשוף.

כמה צעדים הם קריטיים לביצוע נכון של ההדמיה מהר. ראשית, מצלמה ועדשה צריכה להיות מוגדרות כראוי ומכוילות. בפרט, על מנת לקבל רזולוציה מרחבית גבוהה, יחס הגדלה של העדשה חייבת להיות כל הזמן קרוב ל1:1. זה חשוב במיוחד להדמיה של השעיות צפופות. כמו כן, גודל הצמצם צריכה להיות שנבחר בקפידה להדמיה. למשל, התבוננות מהצד באופן כללי דורשת עומק ארוך יותר של שדה, ולכן גודל צמצם קטן יותר. כדי לשמור על הבהירות של הווידאו, צריך להגדיל את זמן חשיפה ובכך להפחית את קצב הפריימים (~ 6,000 תמונות בשנייה). לעו...

זרוק את ההשפעה על גבי משטח מוצק הוא תהליך מפתח ביישומים רבים מעורבים בייצור אלקטרוני 1, תרסיס ציפוי 2, ותוסף ייצור באמצעות הזרקת דיו מדפיס 3,4, שבו שליטה מדויקת של ירידה מתפשטת והתזות היא רצויה. עם זאת, התבוננות ישירה של השפעת הירידה היא מאתגרת מבחינה טכנית משתי סיבות. ראשית, הוא תהליך דינמי מורכב המתרחש בתוך לוח זמנים קצר מדי (~ 100 μsec) להיות צילם בקלות על ידי מערכות הדמיה קונבנציונליות, כמו מיקרוסקופים אופטיים ומצלמות DSLR. פחית פלאש צילום של תמונה כמובן הרבה יותר מהר, אבל אינו מאפשר הקלטה רציפה, כפי שנדרש לניתוח מפורט של ההתפתחות עם זמן. שנית, בקנה מידת האורך הנגרם על ידי אי יציבות השפעה יכולה להיות קטנה כמו 10 מיקרומטר 5. לכן, כדי ללמוד כמותית תהליך השפעת מערכת שמשלבת הדמיה מהירה יחד עם רזולוציה מרחבית גבוהה סביר הוא לעתים קרובותרצוי. בהעדר מערכת כזו, עבודה מוקדמת על השפעת הטיפה התמקדה בעיקר בעיוות הגיאומטרית העולמית לאחר ההשפעה 6-8, אך לא הצליח לאסוף מידע על הזמן מוקדם, תהליכי nonequilibrium קשורים להשפעה, כגון תחילתה של התזה. ההתקדמות שחלה באחרונה בצילום וידאו במהירות גבוהה CMOS של נוזלים 9,12 דחפה את מסגרת הדולר עד מיליון תמונות בשניה וזמני חשיפה למטה 1 μsec. יתר על כן, שיטות ההדמיה CCD חדש שפותח יכולות לדחוף את מסגרת הדולר הרבה מעל fps מיליון 9-12. רזולוציה מרחבית ומצד שני, ניתן להגדיל את הסדר של 1 מיקרומטר / פיקסל שימוש בעדשות מגדלת 12. כתוצאה מכך, זה הפך להיות אפשרי לחקור בפירוט חסר תקדים את ההשפעה של מגוון רחב של פרמטרים פיזיים בשלבים שונים של השפעת הירידה ולהשוות ניסוי לבין תאורית 5,13-16 באופן שיטתי. לדוגמא, מעבר התזות נוזלים הניוטונית היה found כדי להיות מוגדר על ידי לחץ אווירה 5, בעוד rheology הפנימי מחליט דינמיקת ההתפשטות של נוזלי תשואה לחץ 17. הנה טכניקת הדמיה מהירה פשוט אך רבת עוצמה הוא הציג וליישם כדי ללמוד את דינמיקת ההשפעה של שני סוגים של נוזלים שאינם הניוטונית: מתכות נוזלי והשעיות צפופות. עם חשיפה לאוויר, למעשה את כל המתכות נוזלי (מלבד כספית) באופן ספונטני לפתח עור תחמוצת על פני השטח שלהם. מבחינה מכאנית, העור נמצא לשנות מתח פנים יעיל ויכולת הרטבה של המתכות 18. במאמר קודם 15, כמה מהמחברים חקרו את תהליך הפצת כמותית והיו מסוגל להסביר כיצד השפעת העור משפיעה על דינמיקת ההשפעה, במיוחד את קנה המידה של רדיוס הפצה המרבי עם פרמטרים השפעה. מאז מתכת נוזלית יש החזר של פני השטח גבוה, התאמה מדוקדקת של התאורה נדרשת בהדמיה. השעיותמחדש מורכב מחלקיקים קטנים בנוזל. גם לנוזלים ניוטונית פשוטים, התוספת של תוצאות חלקיקים בהתנהגות שאינה הניוטונית, אשר הופכת בולט במיוחד במתלים צפופים, כלומר בכל חלק בנפח גבוה של חלקיקים מרחפים. במיוחד, את התחלתה של התזה, כאשר טיפת השעיה פוגעת משטח חלק, קשה נחקרה בעבודה הקודמת 16. שני נוזלי חלקיקים ואינטראקציות בין חלקיקים יכולים לשנות את מתיז ההתנהגות באופן משמעותי ממה שניתן היה לצפות מנוזלים פשוטים. כדי לעקוב אחר חלקיקים קטנים כמו 80 מיקרומטר בניסויים אלה יש צורך ברזולוציה מרחבית גבוהה. שילוב של דרישות טכניות שונות, כגון רזולוציה גבוהה של זמן ומרחב, בתוספת היכולת להתבוננות משפיעה על שניהם מהצד ומלמטה, כולם יכול להיות מרוצה מהתקנת ההדמיה שתוארה כאן. על ידי ביצוע פרוטוקול סטנדרטי, שיתואר להלן, דינמיקת ההשפעה יכולה להיות investigated בצורה מבוקרת, כפי שמוצג באופן מפורש להפצת ומתיז התנהגות.

<table><tbody><tr><td>גליום-אינדיום אוטקטי</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>495425-25 גרם</td><td></td></tr><tr><td>חומצה הידרוכלורית&nbsp;</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>320331-2.5 ליטר</td><td></td></tr><tr><td>תחמוצת זירקוניום</td><td>גלן מילס בע"מ</td><td>7200</td><td></td></tr><tr><td>פנטום V12 ו-V7 מהיר Ccamera</td><td>Vision Research</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>105 מ"מ מיקרו-ניקון</td><td>ניקון</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>12 V / 200 W מקור אור</td><td>Dedolight</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>משאבת מזרק</td><td>Razel</td><td>דגם R9-9E</td><td></td></tr></tbody></table>

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

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

בתחום של מכניקת זורמים, תהליכים רבים דינמיים להתרחש לא רק על מרווח זמן קצר מאוד, אבל גם דורשים ברזולוציה מרחבית גבוהה להסתכלות מפורטת, תרחישים שהופכים אותו המאתגר להתבונן במערכות הדמיה קונבנציונליות. אחד מהם הוא השפעת הירידה של נוזלים, מה שקורה בדרך כלל בתוך עשירית מהאלפית שני. כדי להתמודד עם אתגר זה, טכניקת הדמיה מהר הוא הציג שמשלבת מצלמה במהירות גבוהה (מסוגל עד מיליון פריימים לשניה) עם עדשת מאקרו עם מרחק עבודה ארוך כדי להביא את ברזולוציה מרחבית של התמונה עד 10 מיקרומטר / פיקסל. טכניקת ההדמיה מאפשרת מדידה מדויקת של כמויות רלוונטיות נוזל דינמיים, כגון שדה הזרימה, המרחק מתפשט ומהירות המתיז, מניתוח של הווידאו שהוקלט. כדי להדגים את היכולות של מערכת להדמיה זו, דינמיקת ההשפעה כאשר טיפות של נוזלים שאינם הניוטונית פוגעות במשטח קשה שטוח characterized. שני מצבים נחשבים: לטיפי מתכת נוזלי חמצון אנו מתמקדים בהתנהגות מתפשטת, ולהשעיות צפופות אנו קובעים את תחילתה של התזה. באופן כללי יותר, השילוב של הדמיה ברזולוציה הגבוהה של זמן ומרחב הציגה כאן מציע יתרונות ללימוד דינמיקה מהירה על פני מגוון רחב של תופעות microscale.

טכניקת ההדמיה מהירה ניתן להשתמש כדי לכמת מתפשט ומתיז לתרחישי השפעה שונים. איור 4 (א), למשל, מציג רצפי תמונת השפעה אופייניים לeGaIn נוזל עם חוזק עור תחמוצת שונה. על ידי ולהוציא eGaIn מאותו הנחיר באותו הגובה נופל, טיפין עם V מהירות השפעה לשעתק 0 = 1.02 ± R 0.12 מ &#39;/ השני והרדיוס 0 = 6.25 ± 0.10 מ&quot;מ נוצרו. העמודה השמאלית מראה את ההשפעה של ירידת eGaIn חמצון אוויר לא prewashed בחומצה. זנב ארוך בקצה העליון של הטיפה נוצר כאשר הנוזל מתנתק מה...

השפעת הירידה של נוזלים שאינם הניוטונית היא תהליך מורכב שכן פרמטרים פיזיים שונים להשפיע על הדינמיקה לאורך זמן קצר מאוד (פחות מעשירית מאלפית שני). טכניקת הדמיה מהר הוא הציג במטרה לאפיין את התנהגויות ההשפעה של נוזלים שאינם הניוטונית שונים.

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 ...

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לחקור את דינמיקת הפגיעה של טיפות לא-ניוטוניות של מתכות נוזליות ותלחיים גרנולריים צפופים באמצעות טכניקת דימוי מהירה. מטרה זו מושגת על ידי הקמת מערך מצלמה מהירה להדמיה של הדינמיקה הרגעית כאשר טיפות פוגעות במשטח. כשלב שני, יש לבצע סדרה של ניסויי פגיעה של מתכות נוזליות כדי לספק מידע על האופן שבו אלסטיות המשטח המושרה על ידי חמצון משפיעה על רדיוס הפריסה.בשלב הבא, בצעו ניסויי פגיעה עם תרחיפים צפופים כדי לחקור את תחילת ההתזות ואת דינמיקת ההתפשטות שלהם. התוצאות המתקבלות מראות כי פרמטרים שונים של הנוזל, כגון מתח פנים אפקטיבי, צמיגות, מהירות פגיעה וקוטר החלקיקים התלויים, קובעים יחד את דינמיקת הפגיעה של טיפות לא-ניוטוניות. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום התרחיפים הצפופים, כגון מתי ניתן לתאר את התנהגות המערכת באמצעות תכונותיה הגלובליות ומתי יש להתחשב בחלקיקים בודדים.למרות שמדידה זו יכולה לספק תובנה לגבי דינמיקת הפגיעה של נוזל מורכב, ניתן להחיל אותה גם על תצפית של תהליכים אחרים הכוללים דינמיקה מהירה, כגון היווצרות מצבי שבירה, ניתוק מוצק של טיפות נוזל ותנועה מהירה של חלקיקים במערכות גרנולריות. התחילו בהכנת מערך הדמיון. רכיב אחד הוא מסילה אנכית המסוגלת לתמוך בתושבת של משאבת מזרקים, ובמשאבת המזרקים עצמה, כך שניתן יהיה להזיזה לגבהים שונים כדי לשנות את גובה הנפילה החופשית של נוזל הבדיקה.לצד המסילה נמצא מסגרת התומכת בלוח זכוכית נקי המשמש כמישור פגיעה אופקי. ודא שפני השטח של הלוח מפולסים באופן אופקי. מקם מראה מחזירה נטויה מתחת למשטח הזכוכית כדי להדמיות את פגיעת הטיפה מלמטה.בשלב הבא, הצמדו נייר לבן אטום מעל ללוח הזכוכית כדי להחזיר אור, ובכך לסייע לצפייה מלמטה לצורך הדמיית פגיעת המתכת הנוזלית. הניחו מפזר אור מנייר שקוף בכיוון הנגדי לכיוון הצפייה כדי לסייע להדמייה מהצד. לאחר מכן, הניחו מקור אור באזור שמאחורי המפזר.הדליקו את מקורות האור כדי להאיר באופן אחיד את אזור הפגיעה. כעת, יישרו מצלמה עם עדשה מתאימה על חצובה כך שתוכל לדגום את פני השטח. חברו את המצלמה למחשב המשמש לבקרה ולתצוגה.התחל את הכנת הדגימה עם gallium indium utic שנשמר במכל אטום בטמפרטורת החדר; השתמש בפיפט כדי להוציא שלושה מיליליטרים מהמכל. השג לוחה אקרילית והנח עליה את ה-gallium indium UTA. המתן 30 דקות עד שהדגימה תחליד באופן מלא באוויר.שכבה דקה של עור מחומצן תכסה לחלוטין את פני הדגימה. יש לנקוט באמצעי זהירות מתאימים בעבודה עם חומצה כלורית ולהכין אמבט חומצה של 200 milliliter בכלי TER. ריכוז האמבט הוא פרמטר ניסויי.הנח את הדגימה באמבט החומצה כאשר הדגימה נמצאת בתוך האמבט. השתמש ב-TER כדי לבצע גזיז במהירות של 60 סל"ש למשך 10 דקות. עם סיום השטיפה המקדימה בחומצה, הוצא את האמבט מה-ReMeter.השתמש במזרק פלסטיק של 2 mL עם קצה פיה מפלדה של 1 עד 2 mm כדי להחלים את תמצית הדגימה, 1.5 mL של gallium indium actic מהאמבט. הדגימה מוכנה כעת לשימוש ולניסויים. התקן את המזרק על משאבת המזרקים להכנת דגימות עבור תרחיפים דחוסים.הניסויים מתחילים באמצעות מזרק מסחרי שקצתו נגזרה כדי לשמש כצינור גלילי להגשת התוהה. כדי למלא את המזרק, השג תחילה מכל מים. הנח את קצה המזרק בתוך המים, משוך את הבוכנה לאחור כדי למלא אותו, וודא שאין בתוכו בועות אוויר.בשלב הבא, החזיקו את המזרק כאשר הקצה הפתוח פונה כלפי מעלה. הכניסו חרוזי זירקוניום דיאוקסיד או חרוזי זכוכית כדוריים אל המזרק עד שיהיה מלא, ואפשרו למים להישפך החוצה. השתמשו בלהב תער כדי להסיר חלקיקים עודפים מהחלק העליון כדי להבטיח שקצה זה יישאר שטוח.הפוך את המזרק והרכב אותו על משטח המשאבה. המתח ימנע מהחלקיקים ליפול החוצה. לפני הקלטת הסרטונים, נקט בצעדים לכיוון מערכות ההדמיה והתאורה ולכיול הרזולוציה המרחבית.ראשית, הפעילו את משאבת המזרק כדי לדחוף את הנוזל בקצב של 20 milliliters per hour. המתינו עד שהנוזל, תרחיף צפוף, יתרחק מהמזרק וייפול כדי ליצור פגיעה ניסיונית על פני השטח של הזכוכית. לאחר התרחשות הפגיעה, כבו את משאבת המזרק.לאחר מכן, כווננו את מיקום המצלמה ואת כיוונה עד שהטחה (splat) תוצג על המסך. בשלב הבא, הגדירו את יחס השחזור של התמונה ליחס של אחד לאחד ושנו את מרחק העבודה כך שהתמונה תהיה במישור המוקד, כאשר המצלמה מוגדרת לקצב פריימים שגבוה מ-6,000 frames per second. שנו את גודל המפתח, זמן החשיפה וזווית התאורה כדי להשיג את איכות התמונה הטובה ביותר.לאחר מציאת הגדרות המצלמה, הניחו סרגל בשדה הראייה על המסך. השתמשו בסרגל כדי לחשב את הרזולוציה המרחבית על ידי ספירת מספר הפיקסלים הנכנסים בסנטימטר אחד. ודאו כי אין הבדל ברזולוציה בין הכיוון האופקי לכיוון האנכי.לאחר כיול מערכת הדימוי, הפעל מחדש את משאבת המזרק בקצב של 20 milliliters per hour. במקביל, הכן את התוכנה לשליטה במצלמה לצורך ניטור תהליך הפגיעה לפני הקלטת הנתונים. תרגל מעקב קפדני מרגע תחילת היווצרות הטיפה כדי לאפשר הפעלה ידנית של המצלמה ברגע ניתוק הטיפה מהפיה.לאחר רישום הנתונים, יש לערוך את הסרטון כך שיישאר רק החלק המכיל את ההתנגשות, ולשמור אותו כרצף תמונות לצורך ניתוח. טכניקת הדימוי המהיר שימשה לחקר ההתנגשות של gallium indium actic עם תחמוצות שונות. חוזק העור נקבע על ידי החומצה.השטיפה המוקדמת המוצגת כאן היא סדרה של פריימים המראים את התפשטרותן של שלוש תמיסות שונות בעת פגיעתן במשטח זכוכית. כל טיפה נפלה מאותו גובה פיה ופגעה במהירות של כ-one meter per second. קוטר הטיפה הראשוני היה 6.25 millimeters ללא שטיפה מוקדמת.שכבת תחמוצת מונעת מהנוזל להרפות את אנרגיית הפנים, מה שמוביל לצורה שאינה כדורית במהלך שלב הנפילה; שטיפת הדגימות וחומצה מפחיתות את התחמוצת ומחלישות את אפקט השכבה. בריכוזי חומצה גבוהים מספיק, לא נצפית הבדל בין הגליום, האינדיום לנוזלים רגילים.הנתונים מאפשרים להדגים את המעבר ממשטר קפילרי למשטר צמיגי. הנתונים מתלכדים לעקומה אחת כאשר היחס בין הרדיוס ההתחלתי לסופי pm מחולק במספר ריינולדס בחזקת חמישית, מרושם מול היחס בין מספר ובר אפקטיבי למספר ריינולדס בחזקת ארבע חמישיות. תחילת הנתז במתלה צפוף נחקרה במשטר שבו פיזור צמיגי הוא זניח בהשוואה להשפעות אינרציאליות. זהו תרשים הפאזות של הנתז עבור צפיפויות חלקיקים ורדיוסים שונים, שמכפלתם מופיעה לאורך הציר האופקי.הציר האנכי הוא מספר ובר (Weber number) של החלקיק כפי שהוגדר במאמר. העיגולים האדומים מציינים כי תמיד נמצא נתז. התמונה המוכנסת מציגה תמונה טיפוסית של נתז.נקודות כחולות תואמות למקרים שבהם לא נמצא נתז. התמונה המוכנסת השנייה היא דוגמה לתמונה ללא נתז. מקרים שבהם נמצאו הן נתז והן היעדר נתז מסומנים בריבועים ירוקים.הניסוי חזר על עצמו 10 פעמים עבור כל נקודה. התוצאות עקביות עם מספר Weber קריטי של כ-14 פלוס או מינוס 2. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לתרגל את הכנת הדגימות ולקבוע את שבר האריזה (packing fraction) בתדירות גבוהה, כדי להבטיח ביטחון ביכולת להכין את הדגימות באופן עקבי.דבר זה יבטיח כי תוצאות הניסוי שלך יהיו ניתנות לשחזור לאחר פיתוחו. טכניקה זו סללה את הדרך עבור חוקרים בתחום הנוזלים המורכבים לחקור את דינמיקת ההטבעה של מערכות נוזלים מגוונות.

fast-imaging-technique-to-study-drop-impact-dynamics-non-newtonian

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

מערכת microfluidic הרומן פותחה באמצעות תופעת שאיבה פסיבית נוזל מבוקר המשתמש מערכת המסירה. מערכת זו microfluidic יש פוטנציאל לשמש במגוון רחב של יישומים ביולוגיים נתון, עלות נמוכה שלה וקלות השימוש, דיוק נפחי, מהירות גבוהה, הדירות ואוטומציה.

מהירות גבוהה Droplet מבוססי משלוח מערכת פסיבי שאיבה מכשירים microfluidic

מיקרוסקופיה confocal משמשת לתערובות תמונה שקטה וזורמים קולואיד פולימר, הנלמדים כמערכות מודל להשעיות אטרקטיביות. אלגוריתמי ניתוח תמונה משמשים לחישוב מדדים מבניים ודינמיים לחלקיקי colloidal המודדים שינויים עקב כליאה גיאומטרית.

ההדמיה confocal של רגיעה מרותקת ותערובות קולואיד פולימר מזרימים

מתוארים שני מכשירים ניסיוניים לבחינת פגיעה בסילון נוזלי על משטח נע במהירות גבוהה: מכשיר תותח אוויר והתקן דיסק מסתובב. המכשירים משמשים לקביעת גישות אופטימליות ליישום משנה חיכוך נוזלי (LFM) על פסי רכבת לבקרת חיכוך על גבי המסילה.

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

פרוטוקול ללמוד התרומות של גלים droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם מוצג.

סרט שליטה ללמוד תרומות של גלים Droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם דק

פרוטוקול זה מדגים את ההגדרות הבסיסיות ניסיוני עבור המים ערך ניסויים עם כדורים צניחה חופשית. נידונות שיטות משינוי משטח נוזלי עם בדים נחדרת, הכנת כימי ללא הרטבה הספירות, והשלבים לחילוץ ויזואליזציה ונתוני הפתיחה.

ההשפעות של התחומים צניחה חופשית על בריכה עמוק נוזלי עם נוזל שינו ותנאי השטח Impactor

פרוטוקול זה מאפשר איסוף יעיל של תמונות במהירות גבוהה ניסיוני של השפעות ירידה נוזלית, ניתוח מהיר של נתונים אלה בקבוצות. כדי לייעל תהליכים אלה, השיטה מתארת כיצד לכייל ולהגדיר מכשירים, ליצור מבנה נתונים מתאים ולפרוס קובץ script לניתוח תמונה.

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי

כאן, מוצג פרוטוקול לייצור התקנים מיקרופלואידיים מבוססי זכוכית המשמשים ליצירת תחליבי מונודיספראז גבוהים עם גודל טיפה מבוקר.

התקנים מבוססי זכוכית ליצירת טיפות ותחליבים

מאמר זה מדגים את ההליך הניסיוני למדידת מהירויות יישוב סופניות של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים דלילים על בסיס פעילי שטח. נוזלים על פני מגוון רחב של תכונות ראולוגיות מוכנים ומהירויות יישוב נמדדים עבור מגוון של גדלי חלקיקים בנוזלים ונוזלים ללא גבולות בין קירות מקבילים.

מדידה ניסיונית של מהירות יישוב של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים לא מכופתרים ומרותקים על בסיס חומרים פעילי שטח

שיטה להתגברות על גבול ההשתברות האופטית מוצגת. השיטה כוללת תהליך בן שני שלבים: שלב אחזור אופטי באמצעות אלגוריתם Gerchberg-סקסטון חוזר ונשנה, והסטת מערכת הדמיה ואחריו חזרה על הצעד הראשון. צמצם עדשה מוגברת סינטטי מופק לאורך כיוון התנועה, מניב הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר.

טכניקת ריבוב הזמן Super פתרון הדמיה מפלטפורמה נעה

שיטה לחיבור קבוע של שני ופלים מסיליקון כדי לממש מארז אחיד מתוארת. זה כולל הכנת רקיקים, ניקוי, מליטה RT, ותהליכי חישול. ופלים מלוכדים וכתוצאה מכך (תאים) יש אחידות של המתחם ~ 1%1,2. הגיאומטריה המתקבלת מאפשרת מדידות של נוזלים וגזים מוגבלים.

ייצור חללים ננומטריים אחידים באמצעות מליטה וופל ישיר סיליקון

חקור את דינמיקת ההשפעה של טיפות נוזלים לא-ניוטוניים כגון מתכות נוזליות ותלויות גרגיריות צפופות באמצעות טכניקת הדמיה מהירה. שיטה זו מאפשרת לחקור כיצד אלסטיות פני השטח משפיעה על רדיוס ההתפשטות ועל דינמיקת הרסס.

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

גלה סרטונים נוספים