非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法

次の実験の全体的な目標は、高速イメージング技術を使用して、液体金属の非ニュートン液滴と高密度の粒状懸濁液の衝撃ダイナミクスを研究することです。これは、液滴が表面に当たったときの瞬間的なダイナミクスを視覚化するための高速カメラ機能を設定することで実現されます。2番目のステップとして、液体金属の一連の衝撃実験を実行して、酸化によって誘起された表面弾性が拡散半径にどのように影響するかについての情報を提供します。

次に、高密度懸濁液を用いた衝撃実験を行い、その飛散開始と拡散ダイナミクスを調査します。その結果、有効表面張力、粘度、衝撃速度、浮遊粒子径など、さまざまな流体パラメータが非ニュートン液滴の衝撃ダイナミクスを支配することを示す結果が得られます。この方法は、システムの挙動をそのグローバル特性で記述できる場合や、個々の粒子を考慮に入れる必要がある場合など、高密度懸濁液の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。

ただし、この測定により、複雑な流体の衝撃力学に関する洞察を得ることができます。それはまた、破壊状態の形成、液滴液滴の固体の挟み込み、および顆粒系における高速粒子移動のような高速ダイナミクスを含む他のプロセスの観察に適用することもできるイメージングセットアップを準備することから始まる。1つのコンポーネントは、シリンジポンプマウント、シリンジポンプをサポートできる垂直トラックであるため、試験流体の自由落下高さを変更するためにさまざまな高さに移動することができます。

トラックの隣には、水平衝撃面として機能するきれいなガラス板を支えるフレームがあります。プレートの表面が水平になっていることを確認してください。傾斜した反射鏡をガラス面の下に配置して、下からの落下衝撃を視覚化します。

次に、ガラスプレートの上に不透明な白い紙を貼り付けて光を反射し、液体金属の衝撃を画像化するための底面の観察を助けます。透明なペーパーディフューザーを反対側に置きます view側面のイメージングを支援するために viewイメージング。次に、ディフューザーの後ろの領域に光源を配置します。

光源をONにすると、衝撃領域が均一に照らされます。次に、カメラを三脚に適切なレンズを取り付けて水平にし、表面を画像化できるようにします。カメラと制御および表示に使用するコンピューターに接続します。

密閉容器に保存されたガリウムインジウムユーティックでサンプル調製を開始します 室温で、ピペットを使用して容器から3ミリリットルを抽出します。アクリル板を用意し、その上にガリウムインジウムUTAを押し出します。サンプルが空気中で完全に酸化されるまで30分待ちます。

酸化した皮膚の薄い層がサンプル表面を完全に覆います。塩酸の取り扱いには適切な予防策を講じ、TER容器に200ミリリットルの酸浴を準備します。浴の濃度は実験的なパラメータです。

サンプルを酸浴に入れ、サンプルを浴に入れます。TERを使用して、毎秒60回転で10分間せん断します。酸の予備洗浄が完了したら、ReMeterからバスを取り外します。

1〜2ミリメートルのスチール製ノズルチップを備えたプラスチック製の2ミリリットルシリンジを使用して、浴から1.5ミリリットルのガリウムインジウムアクティックのサンプル抽出物を回収します。これで、サンプルを使用して実験する準備が整いました。シリンジをシリンジポンプに取り付け、高密度懸濁液のサンプル調製を行います。

実験は、市販のシリンジがその端を切り取って、懸濁液を分配するための円筒形のチューブとして使用することから始まります。まず、水の容器を入手します。シリンジの端を水に入れ、ピストンを引き戻して充填し、気泡がないことを確認します。

次に、シリンジの開いた端を上にして持ちます。球状の二酸化ジルコニウムまたはガラスビーズをシリンジにいっぱいになるまで入れ、水がこぼれるようにします。カミソリの刃を使用して、上部から余分な結合粒子を取り除き、その端を平らに保ちます。

シリンジを裏返して、ポンプ面に取り付けます。張力が粒子の脱落を防ぎます。ビデオを録画する前に、イメージングシステムと照明システムを調整し、空間解像度を調整するための手順を実行してください。

まず、シリンジポンプを始動して、1時間あたり20ミリリットルの速度で液体を押し出します。ここで液体を待つと、高密度の懸濁液がシリンジから外れて落下し、ガラス表面にテスト衝撃を与えます。衝撃が発生したら、シリンジポンプをオフにしてください。

次に、スプラットがモニターに表示されるまで、カメラの位置と向きを調整します。次に、画像の再現率を1対1に設定し、カメラをフレームにセットして画像が焦点面にくるように作動距離を変更します。毎秒 6, 000 フレームを超えると、絞りサイズ、露出、時間、照明角度が異なり、最高品質の画像が得られます。

カメラの設定が見つかったら、モニターの視野に定規を置きます。定規を使用して、1 センチメートルに収まるピクセル数をカウントして空間解像度を計算します。水平方向と垂直方向の解像度に差がないことを確認してください。

イメージングシステムのキャリブレーション後、シリンジポンプを毎時20ミリリットルで再起動します。同時に、データを記録する前に、カメラ制御ソフトウェアが衝撃プロセスを監視する準備をします。液滴がノズルから外れた瞬間にカメラを手動でトリガーできるように、液滴が形成され始めるのを注意深く観察する練習をしてください。

データが記録されたら、衝撃が入る部分まで動画を編集し、解析用の画像シーケンスとして保存します。高速イメージング技術は、さまざまな酸化物を持つガリウムインジウム活性の影響を研究するために使用されてきました。皮膚の強度は酸によって決まります。

ここに示すプレウォッシュは、3つの異なる製剤がガラス表面に衝撃を与えるときに広がることを示すフレームです。一滴一滴が同じノズルの高さから落下し、毎秒約1メートルの速度で命中します。初期液滴径は6.25mmで、予備洗浄は施されていませんでした。

酸化物スキンは、流体が表面エネルギーを緩和して落下段階で非球形になるのを防ぎ、サンプルと酸を洗浄すると酸化物が減少し、スキン効果が弱まります。十分に強い酸濃度で。ガリウム、インジウム、通常の液体の間に違いは見られません。

このデータにより、毛細血管領域から粘性領域への移行を実証できます。初期半径と最終半径pmをレイノルズ数で割った5乗の1乗の比率を、有効ウェーバー数とレイノルズ数と密集懸濁液の5分の4乗のスプラッシュ開始の比に対してプロットすると、粘性散逸が慣性効果と比較して無視できる領域で研究され、データは単一の曲線に崩壊します。これは、さまざまな粒子密度と、製品が水平軸に沿っているラジオの飛散状態図です。

縦軸は、原稿で定義された粒子ウェーバー数です。赤い円は、常にスプラッシュが見つかったことを示します。挿入図は、一般的なスプラッシュ画像を示しています。

青い点は、スプラッシュが見つからないことに対応します。2 番目の挿入図は、非スプラッシュ イメージの例です。スプラッシュが見つかりなかった場合は、緑色の四角形で示しています。

実験を各ポイントについて10回繰り返しました。結果は、約14プラスマイナス2の臨界ウェーバー数と一致しています。この手順を試行する間は、サンプルの作成を練習し、パッキング分率を頻繁に決定して、サンプルを一貫して作成できると確信できるようにすることが重要です。

これにより、開発後も実験結果が再現性を持つことが保証されます。この技術は、複雑な流体の分野の研究者がさまざまな液体システムの衝撃力学を探求する道を開きました。