高密度の気体と液体の分子流体力学的過程を研究するためのアナログ巨視的手法

この手順の全体的な目標は、振動した穀物パイルの単一および集団の粒子ダイナミクスを測定するアナログ技術を使用して、液体中の分子スケールの流体力学プロセスを研究することです。この手法の主な利点は、複雑な分子スケールのダイナミクスを直接観察するための実験的にアクセス可能な逆マイクロシェルを提供することです。この手法は、相互作用する粒子系の統計力学と強く結びついているため、この分野の基本的な問題に対する実験的研究の扉が開かれます。

この手法は、私たちが調査している振動する穀物の山のような、相互作用する巨視的な粒子システムの統計力学の研究にも適用できます。一般に、この手法を使用する個人は、実験を設計する際に実験的観測を解釈するために必要な平衡統計力学と非平衡統計力学の要素を学ぶのに苦労します。この手法は、通常ミクロンスケールの粒子の動きを測定するために使用される粒子イメージング速度測定法をセンチメートルスケールの粒子の動きに拡張するため、視覚的にデモンストレーションすることが重要です。

実験では、この振動システムを使用しています。これは、振動を発生させるために単一の速度アンバランスモーターに取り付けられた環状のポリウレタンボウルで構成されています。これらは加重ベースに取り付けられ、スプリングのグループで区切られています。

ボウルアセンブリをゴム製のフックでスタンドに取り付けます。ボウルの内側に、三軸加速度計を取り付けます。これは、振動システムから離れたテーブル上のセンサー信号に接続されています。

次に、実験用に選択したメディアを操作します。この場合、一辺の長さが等しいセラミック研磨媒体のストレートカット三角形を使用します。振動ボウルにメディアを追加しますボウルの近くに、メディアを濡らす準備ができている水と仕上げのコンパウンド溶液を用意します。

また、振動ボウル内の流体を移動させるために、蠕動ポンプをセットアップします。ポンプからボウルの上部までプラスチックチューブを通します。ポンプ速度を設定しますが、フローを開始しないでください。

イメージングには、ハイスピードカメラをセットアップします。目的の表面積分と解像度に適したレンズを選択してください。振動システムから隔離された構造物にカメラを支えます。

カメラを取り付けるときは、カメラの長さをメディアの開放面に対して垂直で、その上550ミリメートルにする必要があります。次に、カメラを電源、GPSアンテナ、およびコンピューターに接続します。パソコンでカメラソフトを起動し、カメラを選択します。

ソフトウェアを使用して、カメラの視野をライブで表示します。セットアップでは、明るい光を使用してテスト領域を照らします。選択した視野は、均等に照らされる必要があります。

次に、カメラソフトウェアを使用して、500倍の倍率にデジタルズームインします。カメラで、レンズのフォーカスリングを調整します。目標は、データ収集に最適な光学的焦点を実現することです。

次に、デジタルズームを倍率なしに戻します。カメラの取得速度を設定して続行します。画像を撮る前に、視野に罫線付きのスケールを配置します。

カメラを使用して、その 1 つの画像を記録します。カメラから削除する前に、画像をTIFFファイルとして保存してください。カメラの準備ができたら、振動ボウルを開始する準備をします。

容器から150ミリリットルの仕上げコンパウンド溶液を取り出します。150ミリリットルを振動ボウルに取り、溶液を均等に広げて、メディアの初期濡れを提供します。次に、コンパウンドの大きな容器を蠕動ポンプの近くの床に置きます。

ポンプを作動させる前に、ポンプから容器にホースを取り付けてください。この時点で、振動ボウルを開始し、最低1分間待ちます。フローが定常状態の状態で、カメラをトリガーして、選択したランタイムの視野内のアクションを記録します。

これらの記録されたフレームはビデオ化されています。データが収集されたら、振動システムを停止します。その後、蠕動ポンプを停止します。

処理は、取得した画像をTIFFファイルとしてパソコンに保存し、グレースケールに変換してください。その後、速度測定ソフトウェア環境の粒子画像で作業を開始します。[ファイル]に移動し、そこから[インポート]、[画像のインポート]の順に移動します。

Import Wizardダイアログボックスで、「Single Frame」を選択し、次に「Add Images」を選択します。次に、キャリブレーション画像を選択して、インポートする画像に追加します。「画像の追加」を再度クリックし、すべてのデータ画像をハイライト表示してインポート対象を選択します。

[次へ] をクリックして続行します。次の画面で、フレームレートとピクセルピッチを含むカメラ設定を入力します。これらを入力したら、[次へ] をクリックし、[完了] をクリックします。

次に、コンテンツリストに移動します。キャリブレーション イメージが最初に表示されます。2 番目の画像を右クリックし、[ここからアンサンブルを分割] を選択して 2 つの画像セットを作成します。

キャリブレーション画像のみを含む画像セットをつかみ、[新しいキャリブレーション]というラベルの付いた場所にドロップします。次に、キャリブレーション画像セットを右クリックし、[スケールファクターの測定]を選択します。キャリブレーション画像が画面に表示されます。

画像で、Aマーカーを終了イメージルーラーに配置します。次に、Bマーカーを定規の別の位置に配置します。に移動します 絶対距離 テキストボックスをクリックし、定規に従ってマーカー間の距離を入力します。

[OK] をクリックして設定を保存し、続行します。次に、キャリブレーション画像なしでインポートされた画像セットを選択します。移動して [分析] をクリックします。

「ダブルフレームにする」を選択します。次に、スタイルオプションから画像のペアを作成することを選択します。インテロゲーション領域を定義するには、キャリブレーションされていない任意のイメージを開きます。

画像を右クリックして、[Particle Density] を選択します。表示されるダイアログボックスに、プローブ領域のズームビューが表示されます。[設定]タブをクリックし、プローブサイズ領域の変更を開始します。

目的は、プローブ領域に少なくとも 3 つの粒子を一貫して存在させることです。後で使用するために、プローブ領域のサイズをメモしておいてください。「分析」に戻り、「適応相関」手法を選択します。

[OK] をクリックします。尋問エリアタブに移動し、それをクリックします。そこで、3つ以上の粒子を識別できる、以前に決定されたインテロゲーション領域を選択します。「適応相関」ダイアログ・ボックスで「OK」をクリックして、分析を実行します。

解析が進むにつれて、最初のいくつかの速度フィールドを視覚的に検査します。これは、メディアのグレースケール画像にベクトル場をオーバーレイした例です。この場合、ベクトルの長さと方向は一貫していないか、適切ではないように見えます。

ベクターマップが生成されるときに視覚的に検査して、結果が現実的であることを確認します。結果が満足のいくものでない場合は、プロセスを停止し、インテロゲーション領域などのユーザー定義の入力を変更してから、解析を再開します。これは、満足のいくベクトル場の例です。

再び、グレースケール画像に重ねて表示します。解析が完了すると、セット内の画像ペアごとに視野にまたがるベクトル場が作成されます。粒子画像速度測定データにより、システム内の点での速度分布をマクスウェルボルツマン分布に適合させることができます。

画像は実験で使用した粒子のものです。赤いバーは1センチメートルを表しています。青色のデータは、測定された水平方向の特異な粒子速度の正規化されたヒストグラムを表しています。

多くの粒子タイプのデータは、散逸のないハミルトニアンダイナミクス、速度に依存しない粒子間ポテンシャルエネルギー、およびポテンシャルに依存しない運動エネルギーと一致しています。さらに、それらは局所的な巨視的な力学的平衡の証拠を提供します。単一粒子の速度自己相関関数は、粒子衝突の特性数の関数であり、速度測定データからも抽出できます。

単粒のダイナミクスは、分子液体や高密度ガスで予測されるダイナミクスを定性的に模倣しています。これらのスペクトルは、同時コンテナ加速度測定における粒子画像速度測定から決定されます。穀物の山の容器システムの共鳴音波は空の容器の共鳴の音響モードと一致します。

局所的な特異な流体速度のスペクトルにおける音響モードは、実験の限界のために明らかではありません。この手法は、分子の予測不可能な液体状態のダイナミクスから予測可能で観察可能な流体の流れがどのように現れるかなど、液体の分子流体力学における重要な質問に答えるのに役立ちます。一度マスターすれば、この手順の実験部分は1時間未満で完了することができます。

PIVの処理とデータ分析には、データ処理システムに応じて、1時間から数日かかる場合があります。振動した粒子系での観察を分子流体力学に結びつけるためには、平衡統計力学と非平衡統計力学の要素を学習する必要があることを認識することが重要です。この開発に続いて、この手法は、振動駆動の穀物の流れの流体力学シミュレーションを実験的に検証するために使用され、非平衡統計力学によって予測されたものに対する粒子流体の粘度を測定するための試験も行われています。

このビデオを見た後、最初にPIVシステムを設定して振動粒子システムを測定する方法と、次にこれらの測定値を使用して分子流体力学システムを調査する方法について、ある程度理解できるはずです。