Una tecnica Analog macroscopica per studiare i processi molecolari idrodinamici in denso gas e liquidi

Sommario

Viene presentato un metodo analogico sperimentalmente accessibile per lo studio di processi molecolari idrodinamici in fluidi densi. La tecnica utilizza particle image velocimetry dei mucchi di grano vibrato, alta-restituzione e permette l'osservazione diretta, macroscopici di processi dinamici noto e previsto di esistere in fortemente interagenti, ad alta densità gas e liquidi.

Abstract

È descritto un metodo analogico, macroscopico per lo studio su scala molecolare processi idrodinamici in denso gas e liquidi. La tecnica si applica un standard fluido dinamico diagnostica, particella image velocimetry (PIV), per misurare: i) le velocità delle singole particelle (grani), ancora esistenti sul breve, grano-collisione scale temporali, ii) le velocità dei sistemi di particelle, sia a breve collisione-tempo - e lungo, continuum-flusso-tempo-bilance, iii) modi collettivi idrodinamici, conosciute per esistere in fluidi densi molecolare e iv) funzioni di autocorrelazione di velocità e lungo-tempo-scala corta, centrale per comprendere le dinamiche delle particelle-scala in sistemi fluidi fortemente interagenti, densi. Il sistema base è composto di un sistema di imaging, fonte di luce, sensori vibrazionali, sistema vibrazionale con un noto software di media e PIV e analisi. Necessarie misure sperimentali e un contorno degli strumenti teorici necessari quando si utilizza la tecnica analogica per studiare processi idrodinamici su scala molecolare sono evidenziati. La tecnica proposta fornisce un'alternativa relativamente semplice a fotonici e metodi di dispersione tradizionalmente utilizzati in studi idrodinamici molecolari del fascio di neutroni.

Introduzione

Idrodinamica molecolare studia la dinamica e la meccanica statistica delle singole molecole e collezioni di molecole all'interno dei fluidi. Tra le tante tecniche sperimentali sviluppate per lo studio di sistemi molecolari idrodinamica^1,2, dispersione della luce^1,2,3, simulazioni di dinamica molecolare^{4, 5,6,7} e, in misura minore, di scattering anelastico neutroni⁸ sono stati utilizzati più comunemente. Purtroppo, significative limitazioni collegare le due tecniche di quest'ultime. Simulazioni di dinamica molecolare (MD), ad esempio: i) sono limitata a piccole spaziale e temporale domini contenenti relativamente poche molecole , ii) richiedono l'uso delle potenzialità di inter-particella approssimativa, iii) in genere introdurre periodiche condizioni al contorno, valide in condizioni di flusso di massa di non-equilibrio e iv) non possono, al momento, rispondere alla domanda fondamentale della dinamica come scala molecolare, che coinvolgono sia le singole molecole o collezioni di molecole, sono influenzate e coppie Torna a, massa, quantità di fluido non-equilibrio. La limitazione principale connessa con lo scattering di neutroni è legata alla difficoltà di accesso a numero limitato di sorgenti di neutroni fascio disponibile.

Al fine di fornire un contesto per la tecnica sperimentale analog presentata in questo articolo, evidenziamo tecniche di dispersione della luce applicate ai fluidi densi-gas e liquido-stato semplice. In un esperimento di scattering di luce tipica, un fascio di luce polarizzata laser è diretto ad un volume di interrogatorio piccola contenente un campione di fluido stazionario. Luce diffusa dalle molecole all'interno del campione viene quindi rilevato in qualche angolo fisso rispetto al fascio incidente. A seconda del regime di dinamico molecolare di interesse, rilevamento e analisi del segnale luce sparso incorpora né luce filtro o metodi di rilevamento di miscelazione. Come descritto da Berna e Pecora¹, tecniche, di filtraggio che sonda dinamica molecolare allo stato fluido il tempo scale più corto s, introdurre un interferometro post-scattering o un reticolo di diffrazione e consentire una scansione della densità spettrale di luce diffusa. Ottica mescolando tecniche, utilizzate per dinamica a scala di tempo lento, s, al contrario, incorporare un analizzatore di autocorrelazione o spettro post-scattering, in cui il contenuto spettrale del segnale sparso viene estratto dalla luce sparsa misurata intensità.

In genere, laser sonde, almeno quelli che operano nella gamma visibile dello spettro, hanno lunghezze d'onda molto più tempo la caratteristica spaziatura tra molecole di liquido-stato. In queste circostanze, il fascio sonda eccita cinque collettivo, scala di tempo lento, modalità idrodinamico di lungo-lunghezza d'onda^2,9,10 (lento rispetto la frequenza delle collisioni caratteristico): due viscously attenuato, contro-propagazione delle onde sonore, due modalità di vorticità disgiunto, puramente diffusivo e una modalità singola termica diffusiva (entropia). La modalità di suono sono eccitati in direzione (longitudinale) del fascio incidente, mentre la modalità vorticoso sono eccitati in direzione trasversale.

Considerando puramente sperimentale spargendo tecniche, due domande fondamentali, che si trova al centro dell'equilibrio e meccanica statistica di non-equilibrio di molecolare, sistemi liquido-stato, rimangono di là di luce e misure di scattering di neutroni:
1) rigorosi argomenti^9,11 mostrano che la dinamica di collisione - e sub-collision-scala tempo casuale, delle singole molecole di liquido-stato, soggetto a dinamica newtoniana classica o dinamica quantistica, possa essere rielaborata nella forma di equazioni generalizzate di Langevin (GLE). GLE, a loro volta, costituiscono uno strumento teorico centrale nello studio della meccanica statistica di non-equilibrio delle molecole nel denso gas e liquidi. Purtroppo, poiché le dinamiche delle singole molecole (macromolecolare) non possono essere risolto da una delle due tecniche di scattering, non c'è attualmente nessun modo diretto, di là di simulazioni MD, per testare la validità di GLE.
2) un'ipotesi fondamentali che si trova nel cuore della fluidodinamica di continuum macroscopica, anche su microscala molecolare idrodinamica, postula che su - e tempo-scale di lunghezza grande rispetto diametri molecolari e collisione volte, ma piccolo rispetto al continuum scale di lunghezza e tempo, equilibrio termodinamico locale (LTE) prevale. In flusso e calore modelli trasferimento continui, come le equazioni di Navier-Stokes (NS), il presupposto di LTE è richiesto⁹ per accoppiarsi intrinsecamente non-equilibrio, flusso di continuum-scala e funzionalità di trasporto di energia — piace viscosi sollecitazioni di taglio e conduzione termica — rigorosamente equilibrio termodinamico proprietà, come temperatura ed energia interna. Allo stesso modo, mentre su microscala slancio ed energia trasporti sono processi intrinsecamente non-equilibrio, che riflette l'apparenza della massa accoppiati, di Microscala, slancio e correnti d'energia, modelli di questi processi di Microscala supporre che le correnti rappresentano piccole perturbazioni da LTE⁹. Ancora una volta, al meglio della nostra conoscenza, non ci sono stati nessun test sperimentali diretti dell'assunzione LTE. In particolare, sembra che non sono stati tentati esperimenti di dispersione idrodinamica molecolare all'interno di flussi di fluidi densi, commoventi e di non-equilibrio.

In questo articolo, descriviamo una tecnica sperimentale analogica in cui la particella macroscopica, singola e collettivo delle particelle dinamiche dei mucchi di grano vibrato, misurate utilizzando standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), può essere utilizzato per predire indirettamente, interpretare ed esporre single - e multi - molecule idrodinamica in denso gas e liquidi. Gli elementi fisici e teorici che consentono la tecnica proposta sono indicati in un recente documento pubblicato dal nostro gruppo di¹². Sperimentalmente, il sistema macroscopico deve esibire: (i) una tendenza sostenuta verso locale, equilibrio meccanico statistico di macroscala e (ii) piccolo, partenze lineare dall'equilibrio che imitano le fluttuazioni di non-equilibrio (debole) osservati in sistemi molecolari idrodinamici. Teoricamente: microscale (i) classici modelli che descrivono l'equilibrio e la meccanica statistica debolmente-non-equilibrio di denso, sistemi di N particelle interagenti devono essere rielaborati in forma di macroscala, e (ii) i modelli di macroscala risultanti devono in modo affidabile prevedere la dinamica di particella singola e multipla, da breve, particella-collisione-scale temporali a lunghe, continuum-flusso-tempo-scale.

Qui, presentiamo un dettagliato protocollo sperimentale, nonché rappresentante risultati ottenuti con la nuova tecnica. In contrasto con simulazioni MD e luce e metodi di scattering di neutroni, la nuova tecnica consente, per la prima volta, studio dettagliato dei processi molecolari idrodinamici all'interno che scorre, fortemente non-equilibrio, densa di gas e liquidi.

Protocollo

1. preparazione del sistema vibrante

1. Impostare il sistema vibratorio come mostrato in Figura 1. Questo sistema è costituito da un anulare in poliuretano ciotola (avendo un diametro esterno di 600 mm), collegato a un singolo-giri/min (1740), motovibratore, dove quest'ultimo genera vibrazioni di processo. Questo è attaccato ad una base ponderata e separato da un gruppo di otto molle (la ciotola e base appesantita vengono acquistati assemblati come un unico pezzo). Fissare il gruppo ciotola al suo stand e fissarlo con due ganci di gomma in dotazione. Pompa peristaltica posto su un tavolo vicino la ciotola e collegare il tubo di uscita della pompa per ciotola punto di ingresso di lubrificazione.
   1. Allegare un accelerometro triassiale per il raggio interno della ciotola anulare a ciotola registrato vibrazioni in condizioni di bassa ampiezza e legare l'accelerometro per un condizionatore di segnale del sensore. Posizionare il condizionatore di segnale su un tavolo lontano sistema vibratorio. La combinazione di condizionatore di segnale/accelerometro è controllata da dati acquisizione hardware e software installato su un computer standard.
2. Preparare i supporti scelti di lavaggio in acqua e lasciando per asciugare. Diversi tipi di media sono stati utilizzati nel corso di vari esperimenti. Per questa carta, utilizzare una ceramica lucidatura media dritto taglio triangolo (10 x 10 mm x 10 mm a triangolo come visto dalla parte anteriore e 10mm di spessore).
   1. Determinare il media densità di impacchettamento in primo luogo mettendo un sacco di plastica vuoto su scala di laboratorio e tarare la bilancia. Riempire il sacco di plastica con il supporto scelto (non deve superare L 18,927 (5 galloni) e registrare il peso dei media (g o kg). Per questo tipo di media e attuale allestimento sperimentale, il peso era 22,68 kg (50 libbre).
      1. Posizionare il secchio in un lavandino grande, o all'esterno dell'edificio dalle altre apparecchiature. Riempire il secchio (per questo set up, un secchio di 18,927 L (5 galloni) è stato usato) con acqua fino alla tacca completa e lentamente abbassare il sacco di plastica pieno di media nel secchio. Una volta che il sacco dei media è completamente sommersa, alzate lentamente il sacchetto dall'acqua per evitare spruzzi e mettere da parte il sacco. Utilizzare un cilindro graduato da 1000 mL per riempire il secchio per il segno originale completo, registra la quantità totale di acqua aggiunta. Questa quantità di acqua aggiunta sarà dove è il materiale di imballaggio volume dei mezzi di comunicazione (per questo set up, 13.750 mL di acqua è stato aggiunto al secchio). La quantità di acqua aggiunta sarà dipenda dal tipo di supporto utilizzato.
      2. Calcolare la densità di intasamento dei media dalla seguente equazione:
         
         dove è la densità di intasamento dei media e è la massa dei mezzi di comunicazione (per il media, la densità è stata calcolata per essere 1649 ).
   2. Attivare il sistema vibratorio collegandolo alla presa elettrica (questo modello ha due opzioni, 1) inserire in parete o 2) eseguire con timer collegato per levarsi in piedi). Attivare il software di acquisizione di dati sul computer premendo i tasti "Start" su utente scritto programma e raccogliere dati per 1 minuto. Dati di accelerazione saranno sia visualizzati per la revisione immediata (nel dominio del tempo e dominio della frequenza) e automaticamente archiviati in un file CSV per potenziale post-elaborazione. Scollegare l'apparecchio dalla presa elettrica per disattivare il sistema vibrante.
   3. Aggiungi media a tazza vibrante.
   4. Preparare il composto, costituito da 3880 mL di acqua e 120 mL di soluzione di finitura composto (FC) (3% del volume). Impostare la pompa peristaltica a 1,9 L/h (velocità di rotazione con linea a 27 per raggiungere questa velocità di flusso), ma non avviare il flusso. Questo farà sì che la soluzione non viene ricircolata, ma è sufficiente per mantenere il supporto bagnato. (Questa soluzione è una soluzione di finitura vibratoria comunemente utilizzata). La soluzione agisce come un agente lubrificante e garantisce il supporto di non stare insieme o logorare durante la procedura.
   5. Attivare il sistema vibratorio collegandolo alla presa elettrica. Raccogliere dati dell'accelerometro come specificato al punto 1.2.2. Scollegare l'apparecchio dalla presa elettrica per disattivare il sistema vibrante.

2. alta velocità Imaging

Nota: Per misurazioni di campo di grano velocità, ottenuti da imaging una porzione della superficie della pila grano che scorre, l'area di imaging, corrisponde al campo di vista (FOV) determinato al punto 2.2.4 qui sotto. Misurazione di variabili nel tempo, le velocità di grano individuali (alla superficie del mucchio) possono essere ottenute scegliendo una piccola Sub-zona fissa, , dentro dove, come dettagliato di seguito, è dell'ordine di superficie proiettata di un grano individuo.

1. Impostare una telecamera ad alta velocità (la fotocamera ha risoluzione: 1504 x 1128 fino a 1.000 fotogrammi al secondo (fps)) per catturare le immagini da collocandolo su un treppiede o costruzione di un telaio rigido con la lente perpendicolare alla superficie aperta del sistema vibratorio (quando la ciotola è vibra Ting) come si vede nella Figura 1. Questo telaio rigido è separato dal sistema vibrazionale e assicura che le vibrazioni dal sistema non influirà su formazione immagine.
   1. Fissare la lente appropriata per area di superficie desiderata integrazione e risoluzione. Per l'attuale assetto, utilizzare un obiettivo zoom 18-250 mm con e un rapporto di lente di 1: 3.6 - 6.3.  Collega la videocamera alimentazione e antenna GPS.  Collegare la fotocamera al computer utilizzando un cavo CAT5.  Posizionare la fotocamera in modo che alla fine della lente è di circa 550 mm sopra la superficie del supporto.
      Nota: Posizionare la fotocamera troppo vicino alla media causerà un aumento degli effetti di bordo e inserire la fotocamera troppo lontano causerà immagini per essere troppo scuro per l'elaborazione. Alla distanza specificata, errori a causa di effetti di bordo e curvatura complessiva della zona di prova è < 2%.
   2. Rimuovere il copriobiettivo e avviare il software della fotocamera. Quando è avviato, fare clic sul pulsante "Autovelox" e quindi fare clic su OK. Quando elenco telecamere popola, selezionare la telecamera dall'elenco e fare clic su Apri.
   3. Nel software della fotocamera nel computer, nella scheda "Live", fare clic su "Live" (freccia blu) per visualizzare FOV della telecamera. Accendere la fonte di luce per illuminare la regione essere imaged. Può trattarsi di qualsiasi luce brillante, purché si illumina in modo uniforme della zona di prova. La figura 1 Mostra la fotocamera e luce configurazione rispetto al sistema vibratorio.
   4. Per determinare il f-stop, Guarda lo schermo del computer con il live streaming dalla fotocamera e regolare il diaframma al valore minimo (massima luminosità). Se il diaframma è impostato su basso, il risultato è una profondità di campo. Se il diaframma è impostato su alto, lo schermo è troppo scuro. Per questo esperimento, il diaframma è stato impostato a 3.6.
   5. Regolare la lunghezza focale lente per fornire il FOV desiderato (210 mm x 160 mm per questo caso). Per questo esperimento, è necessario impostare la lunghezza focale a 180mm con la fotocamera impostata 550 mm sopra la superficie di supporto. La figura 2a Mostra il campo visivo attraverso la telecamera.
   6. Zoom digitale 500 ingrandimenti utilizzando il software della fotocamera. Regolare l'anello di messa a fuoco sulla lente per la migliore messa a fuoco ottica. Tornare zoom digitale al 100% (visualizzazione normale).
   7. In impostazioni di acquisizione sul computer, fare clic su "Frequenza [Hz]" e impostata su 500 fotogrammi al secondo.
      Nota: Per risolvere il grano-collisione-tempo-scala dinamica, , deve essere almeno un ordine di grandezza maggiore rispetto alla frequenza di vibrazione imposto, (qui, Hz)
   8. Prima di prendere le immagini, posizionare una scala governata nel campo visivo; Questo fornisce una scala di lunghezza per l'elaborazione di dati di immagine successiva. In impostazioni di acquisizione il software della fotocamera, selezionare "Record" scheda sotto "Live". Impostare "Modalità di registrazione" cornici "Circolare" e impostare a 1. Fare clic sul cerchio rosso nella scheda "Live" per registrare una singola immagine, come si vede nella Figura 2b.
   9. Salvare l'immagine acquisita come un file TIFF in un percorso di directory del file conveniente (ad es. disco rigido esterno) facendo clic su "File" e quindi fare clic su "Salvare acquisizioni". Una finestra di dialogo apparirà con più opzioni. Accanto al tipo di file nella finestra di dialogo, selezionare TIFF dal menu a discesa.
      1. Selezionare la scheda "Opzioni di Download" nella parte inferiore della finestra di dialogo e fare clic su "Sfoglia". Nella parte superiore della finestra di dialogo, aggiungere il nome della cartella per il test. Nella finestra di dialogo "Sfoglia", cercare e scegliere la posizione desiderata (ad es. disco rigido esterno) e la cartella appropriata. Una volta che è stata selezionata la cartella, clicca su "OK" poi "Salva". Verrà visualizzata la finestra di gestione download. Il file inizierà a trasferire ed essere salvati nel percorso file specificato nella sottocartella 001. Una volta che ha trasferito l'immagine, sullo schermo verrà visualizzata una finestra di stato "Fatto".
      2. Elimina immagine da fotocamera facendo clic sul pulsante Elimina rosso.
         Nota: Il protocollo può essere messo in pausa qui.

3. raccolta di dati

Nota: Se il protocollo è stato messo in pausa, la fotocamera dovrà essere riavviato. Seguire il passaggio 3.1. Se il protocollo non è stato messo in pausa, passare al punto 3.1.2.

1. Avviare il software della fotocamera e accendere di illuminazione come specificato nel passaggio 2.
   1. Con camera software attivato, controllare le condizioni di luce ed eseguire dal vivo come dettagliato al punto 2.2.2. per garantire la corretta messa a fuoco.
   2. Scegliere un tempo di esecuzione totale sperimentale,
      Nota: Devono essere rispettate due condizioni concorrenti: i) deve essere abbastanza lungo che statisticamente stazionario grano flusso condizioni previste, e ii) non dovrebbe essere così a lungo per produrre grandi quantità di dati superflui. La scala di tempo su cui compaiono condizioni stazionarie deve essere determinata per tentativi ed errori. Vari metodi, di rigore variabili, possono essere utilizzati. Se, ad esempio, i) assicurare che la velocità di grano medio di tempo in un punto fisso, o a più punti fissi, raggiunge una grandezza dimensioni nominali fisso o grandezze, o ii) garantire che, oltre a mezzi fissi, varianze corrispondente anche assumono dimensioni nominali fisse magnitudini. Per questo esperimento, sono stati raccolti dati per 10.12 s, corrispondenti all'acquisizione di 5060 fotogrammi. Condizioni di costante nel flusso di grano previste dopo circa 1 s.
2. Attivare la tazza vibrante.
   1. Sviluppa 150 mL di finitura/lubrificante composto (punto 1.2.4) uniformemente intorno alla ciotola per fornire iniziale bagnatura dei media; e quindi posizionare brocca con il restante composto al piano con un tubo collegato alla pompa peristaltica. Attivare la pompa peristaltica (come impostato nel passaggio 1.2.4) spostando l'interruttore da "off" a "in senso orario".
   2. Accendere la tazza vibrante collegandolo a una presa elettrica e attendere almeno un minuto per garantire anche bagnare e costante movimento fluido in tutta la media (costante movimento fluido si verifica quando il flusso del fluido entrando la ciotola dalla pompa peristaltica è approssimativamente uguale al flusso del fluido drenante da scarico della ciotola.
3. Cattura Video e raccolta dati.
   1. Una volta che il fluido raggiunge movimento costante (punto 3.2.2), innescare la fotocamera cliccando l'icona di registrazione rosso sullo schermo del computer e quindi fare clic sul segno di spunta rosso trigger per registrare le immagini per la vostra durata, . La videocamera registra immagini per l'oggetto specificato e salvare quelle immagini nella sua memoria interna. Figura 2a è un esempio di una singola immagine di una serie di 5060 immagini scattate.
   2. Una volta che i dati vengono raccolti, arresta il sistema vibratorio di scollegarlo dalla presa elettrica e lanciare l'interruttore da "in senso orario" su "off" per disattivare la pompa peristaltica.
      Nota: Il protocollo può essere messo in pausa qui.

4. processo dati Video con PIV

1. Preparare l'alta velocità immagini della fotocamera per l'elaborazione di PIV.
   1. Salvare le immagini acquisite come file TIFF seguendo le procedure descritte nel passaggio 2.1.9. (Nell'attuale sistema, cornici immagine 5060 raccolti oltre 10,12 s prende più di un'ora per il trasferimento). Una volta che le immagini vengono trasferite, sullo schermo verrà visualizzata una finestra di stato "Fatto". I file verranno salvati nella stessa directory del file di calibrazione in una sottocartella identificata come 002. Eliminare le immagini dalla fotocamera.
   2. Convertire le immagini a colori in immagini in scala di grigi per attivare l'elaborazione dal software PIV. Caricare le immagini nel software di analisi di dati utilizzando una funzione di "imread()". Convertire una copia delle immagini utilizzando la funzione "rgb2gray()" e salvare/scrivere queste nuove immagini in una nuova cartella utilizzando la funzione "imwrite()".
      Nota: Questa funzione di analisi di dati di processo è disponibile per più tipi di software di analisi dati e viene scritto come un programma completo da parte del ricercatore. Figura 2 c è un esempio di un immagine ingrandita in dopo che è stato convertito in scala di grigi e stato elaborato da PIV.
2. Utilizzare software di PIV per calcolare i campi di velocità.
   1. Utilizzare l'importazione guidata per importare il set di immagini in scala di grigi come immagini a frame singolo in ambiente software PIV. Iniziare l'importazione cliccando su "File" e quindi selezionare "Import" e "Importa immagini".  Verrà visualizzata la finestra di dialogo procedura guidata Importa immagine.  Scegliere l'opzione di importazione "Single Frame" dal menu e fare clic sul pulsante "Aggiungi immagini".  Selezionare calibrazione immagine e clicca su "Apri", che aggiunge l'immagine nella casella di dialogo "Immagini da importare".  Quando si importano immagini, aggiungere l'immagine di calibrazione (passo 2.1.9) prima in modo che è l'immagine in alto nell'elenco di importazione.  Fare nuovamente clic su pulsante "Aggiungi immagini" ed evidenziare tutti i dati immagini e clicca su "Apri" per aggiungerli alla finestra di dialogo "Immagini da importare".  Una volta selezionate tutte le immagini desiderate, fare clic su "Avanti". Immettere le impostazioni della fotocamera utilizzate, includono telaio tasso e pixel pitch nelle finestre di dialogo. Fare clic su "Next" e "Fine" per completare il processo di importazione.
   2. Separare l'immagine di calibrazione dal set di immagine e parametri di scala di lunghezza di ingresso nel software PIV.
      1. Se l'elenco dei contenuti non è già visualizzata, l'immagine importata insieme fare clic destro e selezionare "Mostra contenuto elenco" sul lato sinistro dello schermo nella struttura della base di dati. Supponendo che l'immagine di calibrazione è stata la prima immagine importata, la seconda immagine nell'elenco fare clic destro e selezionare "Split Ensemble da qui". Trascinare e rilasciare l'immagine appena creata set (contenente solo l'immagine di calibrazione) nella posizione a sinistra dello schermo denominato "Nuova taratura".
      2. Il set di calibrazione appena inserito immagine fare clic destro e selezionare "Fattore di scala di misura". Quando sullo schermo compare l'immagine di calibrazione, posizionare i marcatori "A" e "B" dell'immagine nel righello (o un altro oggetto di conoscere dimensioni se il righello non è stato utilizzato) e immettere la distanza tra i marcatori nella casella di testo "Distanza assoluta". Fare clic su "OK" nella finestra di dialogo "Fattore di scala di misura", che farà risparmiare la taratura e chiudere la finestra di dialogo e l'immagine di calibrazione.
   3. Creare un set di coppie di immagini selezionando l'immagine importata insieme e fare clic su "Analizza". Successivamente selezionare "Fare doppio telaio" dall'elenco dei metodi di analisi disponibili. Scegliere "(1-2, 2-3, 3-4,... (N-1) double immagini) "opzione di stile.
      1. Aprire qualsiasi immagine nel set di immagine (ad eccezione di immagine di calibrazione) e fare clic con il pulsante destro sull'immagine e selezionare "Densità della particella". Una mostra di casella finestra di dialogo riconosciuto particelle appariranno sullo schermo. Mostrerà una zoomata in vista di una zona di sonda. Fare clic sulla scheda Impostazioni nella finestra di dialogo e alterare "Sonda dimensione Area" fino a un minimo di 3 particelle sono costantemente visto nella zona di sonda.  Questa dimensione di zona di sonda sarà la dimensione dell'area interrogatorio immessa nel passaggio 4.2.5.
   4. Utilizzare il comando "Analizza" sull'immagine selezionata set per scegliere PIV elaborazione algoritmo e i parametri associati. Selezionare il metodo di "Adaptive correlazione" e definire l'area di pixel che verrà utilizzato per definire un vettore nello spazio al punto 4.2.5. (Questo processo divide immagini in una griglia di n × n pixel "Interrogatorio zone")
   5. Impostare la dimensione dell'area interrogatorio individuando la scheda di "Aree di interrogatorio" e selezionando qualsiasi interrogatorio disponibile zona dimensione tra il minimo di 8 pixel e il numero massimo di 256 pixel (per è stato utilizzato questo metodo, 32 x 32 pixel). Immettere il valore determinato al punto 4.2.3.1.
      1. Per aumentare la densità dei vettori creati, è possibile aggiungere percentuale "Overlap" zona di interrogatorio scegliendo sovrapposizione 0%, 25%, 50% o 75% dal menu a discesa.
   6. Eseguire analisi che conduce al campo di grano misurato velocità selezionando "OK" nella finestra di dialogo "Adaptive correlazione". Il sistema inizierà l'analisi.  Come il sistema elabora i dati, la prima mappa vettoriale apparirà sullo schermo. Ispezionare i primi campi di velocità diverse per determinare se appaiono soddisfacenti da stimato velocità e direzione, come si vede in Figura 2C. Se il campo di velocità non è realistico, annullare la sessione di analisi, ripetere il punto 4.2.4 e modificare le impostazioni di analisi. (Quando l'analisi viene completata, un campo vectoring, che attraversa il campo visivo, verrà creato per ogni coppia di immagini nel set (punto 4.2.3)). Figura 2 c Mostra un campo di vettore soddisfacente esempio durante il processo di analisi che è stata sovrapposta su un'immagine in scala di grigi.
      Nota: Per ogni area di interrogatorio di n × n pixel, il software PIV confronta il modello di sub-grain-scala punti luminosi all'interno dell'area di interrogatorio contro pattern corrispondenti catturato nella prossima immagine. Da questo confronto, il software PIV determina un vettore di spostamento di una media di zona, e infine, dividendo dall'incremento di tempo tra i fotogrammi, , la velocità media dell'area, dove si riferisce al zona di interrogatorio . Negli esperimenti attuali, ogni zona di interrogatorio è costituita da n x n = 32 x 32 pixel; il numero totale di aree di interrogatorio suddividendo ogni 210 x 160 mm FOV era così 47 x 35, corrispondenti ai pixel 1504 x 1128.

5. elaborare i dati vibrazionali

Nota: Passaggio 5 può essere fatto contemporaneamente con passaggio 4 Se si utilizza diversi sistemi di computer o software di analisi.

1. Aprire il software di analisi dati e utilizzando la funzione "Load ()" per portare l'accelerometro dati che è stati acquistati quando la tazza vibrante era vuoto (punto 1.2.2). Fare un digiuno di Fourier dei dati utilizzando la funzione "FFT ()". Creare una figura dei dati utilizzando la funzione di "trama". Ripetere l'operazione con i dati che è stati acquistati quando la tazza vibrante avuto mezzi presenti (punto 1.2.5).
   Nota: Questa funzione di analisi di dati di processo è disponibile per più tipi di software di analisi dati e viene scritto come un programma completo da parte del ricercatore.
   1. Al fine di studiare i processi molecolari di idrodinamici, una serie di operazioni di elaborazione dei dati è generalmente richiesta. Vedere le sezioni rappresentante risultati e discussione qui sotto per contorni delle procedure di elaborazione principale; Vedi Keanini, et al. (2017) ¹² per maggiori info su dati PIV come misurati può essere utilizzato per estrarre le informazioni dinamiche su sistemi molecolari di idrodinamiche.

Risultati

Nel presentare i risultati rappresentativi, ci riferiamo ai processi di continuum-tempo-scala come quelli osservati e previsti su scale temporali, che sono lunghi rispetto alla scala di tempo di collisione caratteristica grana, e particella-tempo-scala processi come que...

Discussione

Per poter utilizzare mucchi di grano vibrato come macroscopici analoghi per l'indagine molecolari processi idrodinamici, un sperimentalista deve, da un lato, imparare e utilizzare quattro misure di base e da altro, padroneggiare alcuni elementi di base dell'equilibrio e meccanica statistica di non equilibrio. In primo luogo concentrarsi su misure sperimentali, questi includono: i) misurazione della dinamica di grano individuale attraverso la misura della funzione di autocorrelazione di particella singola velocità, ii) mi...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Ciotola di lucidatura vibrante	Raytech	AV-75
Misuratore di portata	Pompe peristaltiche	913 Mity
Scale	Pelouze	4040
Accelerometro triassiale	PCB Piezotronics	PCB 356B11	Accelerometro con sensore Condizionatore di segnale
acquisizione dati	IBM	Thinkpad	Utilizzato con alta autovelox
Telecamera ad alta velocità	Redlake	Motionxtra HG-XR
Zoom Lens	Tamron	Modello A18	18-250mm F/3.5-6.3
ARRI	EB 400/575 D		luce ad alta intensità
	Software PIV Dell	Dell Precision Tower 7910
	Dantec Dynamics	Dynamic Studio 2013	versione 3.41.38
Hardware di acquisizione dati	National Instruments	SCXI	SCXI-1000 Chasis con scheda SCXI 1100 e adattatore SCXI 1303
Software di acquisizione dati	National Instruments	LabVIEW 2012
di elaborazione dati	MATHWORKS	MATLAB
Polishing Media	Rosler	RSG 10/10S	Diversi tipi di mezzi utilizzati (misti, sferici, triangolari)
Soluzione lucidante	Rosler	FC KFL (3%)	3% soluzione di sapone con
acqua Scala rigata	Swiss Precision Instruments	13-911-3
Cilindro graduato		Global Scientific 601082