ההשפעות של התחומים צניחה חופשית על בריכה עמוק נוזלי עם נוזל שינו ותנאי השטח Impactor
17 בפברואר 2019
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.
פרוטוקול זה מדגים ניסויים להזרקת מים עם ספירות נפילה חופשית. הסירוגין של משטחים נוזליים עם בדים שחדרו, הכנת כימיקלים בתחומים מתעוררים, הדמיה התזה, והפקת נתונים נדונים. טכניקות אלה מספקות תובנה על מחקר דינמיקת נוזלים בסיסית המיועד להבנת אינטראקציות בין-גזעיות בין עצמים מוצקים לגופים נוזליים.
הדגמת ההליך יהיו ג'ושוע בום וג'רמי סטיבן, סטודנטים לתואר ראשון מאלברטה. ללבוש כפפות ניטריל כיתה תעשייתית לאורך כל הליך זה, כדי למנוע זיהום המים ומשפיעים עם שמני עור. כדי להתחיל לנקות ביסודיות מיכל שקוף עם מי ברז וחומר ניקוי.
ואז למלא אותו עם 32 ליטר של מי ברז. נקו שני שליטים מטריים עם 99% אלכוהול איזופופול ותנו להם להתייבש לדקה אחת. הר סרגל אחד מול החלק הקדמי של הטנק עם הבסיס רק נוגע במים.
תקן את הסרגל השני אנכית מתחת למים. לאחר מכן אבטחו פלטפורמה תלויה מעל הטנק כך שהפלטפורמה נמצאת באותו מישור עומק כמו שליט המים הנ"ל ביחס לחזית המיכל. כוונן את הפלטפורמה לגובה הירידה הרצוי המרבי ולאחר מכן חיבר אור LED מרובה לזרוע רהוטה והצב את האור מעל וחזית המיכל כדי להאיר באופן מלא את אזור ההתזה מתחת לרציף.
הגדר מסך שחור בחלק האחורי של המיכל כדי לסייע בהדמיית התזה וחלל. הניחו בולם זעזועים נקי ללא שמן כגון ספוג תא סגור בתחתית המיכל והחזיקו אותו במקום עם משקולות נקיות. לאחר מכן, הר מצלמה במהירות גבוהה מול המיכל בהתאם לפני השטח של הנוזל.
חבר מתג גורם מפעיל למצלמה אם תרצה בכך. חבר את המצלמה למחשב וקבע את תצורת המצלמה לקצב מסגרות של 1,000 מסגרות שניה לפחות. בחר את הרזולוציה הרצויה והגדר את מהירות התריס לשנייה ממוסגרת אחת.
אם ישים הגדר את מצב הגורם המפעיל לסיום. לאחר מכן, לנקות כדורים מתנול סקופ קטן פוליאוקסיד עם 99% אלכוהול isopropyl כדי להסיר שמני עור וזהמים אחרים. אפשר לכדורים ולסקופ להתייבש למשך דקה אחת.
קדם-ביצוע של ניסויי בדיקה והתאמת מיקום המצלמה, המיקוד והרזולוציה כדי להשיג את איכות ההדמיה האופטימלית לאירוע הפתיחה. לאחר מכן לאחזר את הכדורים עם כף ולנקות את הכדורים ואת כף מדידה עם אלכוהול isopropyl. כאשר מוכן להתחיל את הניסוי להתחיל לצלם את הטנק.
הרם את פלטפורמת הציר למקומה והנוח כדור יבש ונקי על הרציף. שחרר את בסיס הרציף כדי להפיל את הכדור לתוך הטנק. לאחר מכן הפסיקו לצלם, שמרו את קובץ הווידאו וקיצצו את הסרטון כדי להציג רק את אירוע הפתיחה.
כאשר מוכן להמשיך למבחן הבא לאחזר את הכדור עם הסקופ. נקה את הכדור עם אלכוהול isopropyl ולתת לו להתייבש במשך דקה אחת לפני החזרה על הבדיקה. כשהניסוי יסתיים, רוקנו את המיכל ותנו לו להתייבש.
כדי להכין בדים חודרים למבחן להפריד את הבדים הרצויים לתוך plies מרובע או עגול ולהשתמש calipers Vernier למדוד את העובי הדחוס של הבד היבש. בעת הגדרת הניסוי להרכיב מצלמה מהירה שנייה מעל הטנק כדי לספק תצוגה מלמעלה למטה של הכדור המשפיע על הבד. חבר את יציאות המצלמה האופקית למסופי הקלט של המצלמה העליונה באמצעות כבלי BNC.
חבר מתג גורם מפעיל למצלמה האופקית. לאחר מכן השתמש בכבלי Ethernet כדי לחבר את שתי המצלמות לנתב לא מקוון המחובר למחשב המצלמה. להתמקד ולהגדיר את שתי המצלמות כרגיל.
כאשר מוכן מראש את הניסוי בעדינות לנוח את הבד היבש על פני השטח של הנוזל במיכל. תבטח שהבד לא יתחיל לשקוע לפני תחילת המשפט. השתמש בכף מדידה נקייה ללא שמן כדי למקם את הבד מתחת לפלטפורמה הצירית.
השתמש במתג ההדק כדי להתחיל לצלם בו-זמנית את אזור הפתיחה בשתי המצלמות לפני הגדרת ההתנגשות. הסר את הבד מיד לאחר ההתנגשות. אם שברי הבד על הפגיעה ואת השריטות לא ניתן לאסוף באופן ידני ריק ולנקות את המיכל לאחר כל ניסיון כדי לבטח כי כל הבד מוסר.
כדי להתחיל להכין כדורים הידרופוביים כימיים להתאים כדור מנתול פוליאוקסיד למחזיק אקרילי. מיקום כדורים עבור ציפוי משטח הוא ההיבט הקשה ביותר של פרוטוקול זה. מיקום נשלט עם יריעות אקריליק מעיל שכבה כי יש חורים מעט רחב יותר מאשר הכדורים.
לרסס את הכדור עם מעיל בסיס הידרופובי מכ 15 עד 30 ס"מ משם מבלי להשרות את פני השטח של הכדור. לאחר מכן, לרסס את הכדור עם המעיל העליון הידרופובי מכ 15 עד 30 ס"מ משם מבלי להשרות את פני השטח ולתת לו להתייבש במשך 1 עד 2 דקות. יש למרוח עוד שניים או שלושה ציפויים עליונים באותו אופן.
תן את הכדור להתייבש במשך 30 דקות לשימוש קל או כ 12 שעות לשימוש מלא. כאשר בדיקות השפעה מראש לתת את הכדור להתייבש לחלוטין לאחר כל ניסוי ולא לשטוף אותו עם אלכוהול isopropyl. הציפוי ההידרופובי יתדרדר לאחר כ-20 ניסויים.
כדי לעשות שימוש חוזר בכדור זה להסיר את הציפוי עם 99%אלכוהול isopropyl ולהחיל מחדש את הבסיס ואת המעילים העליונים כפי שתואר קודם לכן. כדי להתחיל את הניתוח לייבא וידאו במהירות גבוהה של אירוע התזה לתוכנה לניתוח וידאו. השתמש בכלי שינוי קנה המידה כדי להגדיר את ערך שינוי קנה המידה בסנטימרים בהתבסס על האזור הגלוי בסרגל.
התקדם דרך הווידאו כדי למצוא מסגרת מתאימה המציגה עליית כתר התזה ומלכוד אוויר. למדוד את גובה כתר התזה, רוחב החלל, ואת עומק החלל. השתמשו בכלי מדידת הזווית לקביעת זווית ההפרדה.
התקדם עוד יותר בסרטון כדי למצוא מסגרת מתאימה המציגה את היווצרות וורתינגטון ג'ט ולמדוד את גובה וורתינגטון ג'ט. לבסוף, השתמש בתכונת המעקב האוטומטי כדי לחלץ מיקום זמני ותאריך מהירות עבור המשפיען. אם המעקב נקטע, השתמש במעקב ידני עד שניתן יהיה לחדש את המעקב האוטומטי.
כאן הליך זה שימש כדי להעריך את ההשפעות של בד על התזה מהשפעות אנכיות. גובה ההתזה עם אגודל אחד הוגבר ביחס לגובה ההתזה ללא בד. גובה ההתזה עם שני plies היה שווה בערך לגובה התזה ללא בד.
התזה נחלשה בכבדות עם שלושה וארבעה plies. וריאציה מינימלית נצפתה על פני מספרי וובר עבור עומק חלל, גובה הקרקע התזה, ורוחב חלל מעולמות המשפיעים על רובד אחד של בד. המיקומים האנכיים של הספירות אותרו מתחת למים ואפשרו התבוננות בירידות גדולות יותר במהירות התת-מימית עם כל רובדי בד נוספים.
החוקרים חייבים להקדיש תשומת לב רבה לשמירה על תנאי ניסוי סניטריים במהלך הניסוי כדי להשיג תוצאות עקביות ותקפים. טכניקה זו אינה מוגבלת לחומרים המוצגים כאן ויכולה להיות מתחייבת עם חומרים בעלי פונקציות ויכולות דומות. עם כניסתה של מאגר מוגבה כגון מזרק, הליך זה ניתן לעלות לחקירות של ההשפעות האנכיות של טיפות נוזליות על משטחים מוצקים או נוזליים.
פרוטוקול זה יכול גם להיות מעוצב מראש בקנה מידה גדול יותר למהירות השפעה כללית גדולה יותר ומגוון גדל של פרמטרים חסרי ממדים אשר הכל הולך טוב עבור יישומים ימיים ותעשייתיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מדגים את התצורה הניסוית הבסיסית לניסויי חדירה למים עם כדורים בנפילה חופשית. הוא דן בשיטות לשינוי פני השטח של הנוזל באמצעות בדים חדירים, הכנה של כדורים שאינם סופגים נוזלים (non-wetting), ושלבים להדמיית נתזי המים ולהפקת נתונים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- דינמיקה של נוזלים
- אינטראקציות בין-פשטיות
- פיזיקה ניסויית
רקע
- הבנת דינמיקת נוזלים היא קריטית ליישומים מדעיים מגוונים.
- אינטראקציות בין-ממשקיות בין מוצקים לנוזלים הן בסיסיות בתחומים רבים.
- כדורים בנפילה חופשית מספקים שיטה ייחודית לחקר אינטראקציות אלו.
- מחקרים קודמים הדגישו את חשיבותן של תכונות השטח בהתנהגות נוזלים.
מטרת המחקר
- לבחון את השפעותיהם של שינויים במשטח על דינמיקת נוזלים.
- להמחיש ויזואלית נתזי נוזלים הנוצרים על ידי כדורים בנפילה חופשית.
- להפיק נתונים הנוגעים להשפעתם של חומרים שונים מהם עשויים הכדורים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת כדורים שאינם רטובים כימית.
- שינוי משטחי נוזלים באמצעות בדים חדירים.
- טכניקות ויזואליזציה לאירועי התזה.
- שיטות חילוץ נתונים לניתוח אינטראקציות של נוזלים.
תוצאות עיקריות
- הודגם כיצד תכונות פני השטח משפיעות על היווצרות נתזי נוזלים.
- סופקו תובנות לגבי הדינמיקה של אינטראקציות בין נוזלים לעצמים מוצקים.
- הודגשה היעילות של טכניקות ויזואליזציה שונות.
- הוגדר פרוטוקול למחקרים עתידיים בדינמיקה של נוזלים.
מסקנות
- המחקר מעמיק את ההבנה של דינמיקת נוזלים באמצעות שיטות ניסיוניות.
- הממצאים עשויים לספק מידע למחקרים עתידיים על אינטראקציות בין-פשטיות.
- הפרוטוקול משמש כבסיס לחקירות נוספות בתחום זה.
שאלות נשאלות השכיחות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פרוטוקול זה מאפשר חקירה מבוקרת של דינמיקת ממשקים בין מוצק לנוזל, הרלוונטית להפחתת סיכונים של היפותזות מכניסטיות בשלבים מוקדמים של תיקוף מטרות. באמצעות כימות של היווצרות נתזי נוזלים וחלילים תחת תנאי שטח משתנים, הוא תומך במידול חזוי של התנהגות הגוף הפוגע בסביבות נוזליות מורכבות. גישה זו מציעה פלטפורמה ניתנת לשחזור ובקנה מידה משתנה להערכת אינטראקציות בין חומר לנוזל, הישימה למערכות נוזלים תעשייתיות וימיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של האופן שבו סמיכות פני השטח ומסה משפיעות על דחיקת נוזלים וכוחות בין-פסיים.
- ערך תפעולי: מספק ויזואליזציה ומדידה סטנדרטיות של גובה הנתז, הפרדת זרימה וקינמטיקה של הגוף הפוגע.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מאפשר הכנה של מערכות ביולוגיות או חומריות מתוּקפות להערכת תגובות בין-פשטיות תחת תנאי פגיעה מבוקרים.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות שחרור הדיסקיות בצורה הדירה, דימות במהירות גבוהה וחילוץ כמותי של מדדי נוזלים זמניים ומרחביים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר להעריך כיצד שינויים פניים משפיעים על העברת אנרגיה ועל האינטראקציה בין נוזל למבנה, ובכך מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים.
- ערך תפעולי: מספק רציפות החל מניתוח דינמיקה של נוזלים בקנה מידה של גילוי ועד להערכה פרה-קלינית של התנהגות חומרים בסביבות נוזליות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת בביולוגיה של גילוי (discovery biology) על ידי מתן אפשרות לבדיקת השערות לגבי תכונות ממשקיות, בסינון (screening) באמצעות הכנה סטנדרטית של הפוגע (impactor) ושינוי פני השטח של הנוזל, ובניתוח נתונים (analytics) באמצעות חילוץ גובה כתר הנתז, ממדי החלל ופרופילי מהירות הפוגע.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות לגבי האופן שבו תכונות של משטחים מוצקים משפיעות על היווצרות חללי נוזלים ועל דינמיקת התזית.
- סריקה: מאפשרת מוכנות לבדיקה באמצעות פגיעת כדורים מבוקרת, שינוי משטח בד, וויזואליזציה במהירות גבוהה של תגובת הנוזל.
- אנליטיקה: מספקת נתונים כמותיים של גובה התזית, רוחב ועומק החלל, זווית ההפרדה, והיווצרות סילון Worthington לצורך ניתוח השוואתי של תנאים.
- מחקר תרגומי: מקשר מנגנוני אינטראקציית נוזלים לרלוונטיות פרה-קלינית על ידי מידול האופן שבו שינויים במשטח משפיעים על פיזור אנרגיה במדיות נוזליות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פרוטוקול הניתן לשימוש חוזר להערכת התנהגות ממשק מוצק-נוזל על פני גדלי פוגעים, מסות וטיפולי שטח משטח משתנים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את הביטחון החזוי במידול אינטראקציות בין-פחית על ידי בידוד משתנים כגון ספיגביליות (wettability), מסה וקוטר.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזוריות באמצעות פרוטוקולי ניקוי, ציפוי ושחרור סטנדרטיים, תוך מזעור השונות הנובעת מזיהום או מטיפול.
- ערך אסטרטגי: משפר קבלת החלטות מסוג go/no-go בבחירת חומרים על ידי כימות תגובת הנוזל תחת תנאי פגיעה מוגדרים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של עיצובי פוגעים (impactors) בהתבסס על מדדים של בליעת נתזי נוזלים (splash attenuation) ודעיסת מהירות תת-מימית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בצילום וידאו במהירות גבוהה, מדידת דינמיקה של נוזלים וטכניקות לטיפול במשטחים.
- דורש מצלמות במהירות גבוהה (≥1,000 fps), סרגל מדויק, פלטפורמות שחרור עם ציר ותאורה להארת אזור הנתז.
- מחייב סטנדרטיזציה בין צוותים של נהלי ניקוי הכדורים, הכנת הבד וניתוח וידאו.
- כולל שיקולי התאמה עבור מספר שכבות בד משתנה, ריכוזי חומר פעיל שטח וחומרי פגיעה שונים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון התכלות הציפוי לאחר כ-20 ניסיונות ושרידי חלקיקי בד הדורשים ניקוי של המיכל בין ההרצות.
