방법 논문

비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술

DOI:

10.3791/51249

⸱

2014년 3월 5일

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, The University of Chicago, 2James Franck Institute, The University of Chicago, 3Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Yale University

이 논문에서

요약

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다른 물리적 매개 변수를 매우 짧은 시간 (밀리 초 미만의 제 10 호)에 역학에 영향을 미치는 때문에 비 뉴톤 유체의 낙하 충격은 복잡한 과정이다. 빠른 이미징 기술은 다른 비 뉴턴 유체의 영향 행동을 특성화하기 위해 도입된다.

초록

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유체 역학의 분야에서, 많은 동적 프로세스는 매우 짧은 시간 간격 동안 발생할뿐만 아니라, 상세한 관찰 높은 공간 해상도, 종래의 촬상 시스템으로 관찰하는 것이 어려운 상황을 만들 필요 아닙니다. 이들 중 하나는 통상의 10 밀리 초 이내에 일어나는 액체의 낙하 충격이다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 고속 이미징 기술은 위 / 아래 10 ㎛으로 화상의 공간 해상도를 가지고 긴 작동 거리를 갖는 매크로 렌즈로 고속 카메라 (초당 백만 프레임 능력)을 결합한 도입된다 픽셀. 이미징 기술은 녹화 된 비디오의 분석으로부터, 같은 유동장, 확산 거리와 튀는 속도와 같은 관련 유체 다이내믹 수량의 정확한 측정을 가능하게한다. 이 시각화 시스템의 기능을 설명하기 위해, 비 뉴톤 유체의 물방울을 평면 딱딱한 표면에 충돌 충격 역학 characte입니다음 공인. 두 가지 상황이 고려되어 산화 된 액체 금속 방울에 우리는 확산 문제에 집중하고, 조밀하게 현탁액을 위해 우리는 튀는의 개시를 결정합니다. 일반적으로, 여기에서 소개 높은 공간적 이미지 해상도의 조합은 마이크로 현상의 넓은 범위에 걸쳐 빠른 역학을 공부 이점을 제공합니다.

서론

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고체 표면에 영향을 드롭 드롭의 정밀한 제어가 확산 튀는를 원하는 3,4 인쇄 잉크젯을 사용하여 전자 제조 1, 스프레이 코팅 2 및 첨가제 제조와 관련된 많은 응용 프로그램의 핵심 과정이다. 그러나, 낙하 충격의 직접적인 관찰은 두 가지 이유에 대한 기술적 도전이다. 첫째, 시간 척도 내에서 광 현미경 및 DSLR 카메라와 같은 기존의 영상 시스템에 의해 쉽게 이미지화하기에​​ 너무 짧은 (~ 100 마이크로 초)를 발생하는 복잡한 역동적 인 과정이다. 플래시 촬영을 훨씬 더 빨리 물론 이미지의 수 있지만, 시간의 진화에 대한 자세한 분석을 위해 필요에 따라, 연속 촬영을 허용하지 않습니다. 둘째, 충격 불안정성에 의해 유도 된 길이 치수는 10 ㎛ 5만큼 작을 수있다. 따라서 정량적 영향 프로세스에게 합리적으로 높은 공간 해상도와 함께 초고속 영상을 결합하는 시스템을 연구하는 것은 종종원하는. 이러한 시스템에 미치는 영향 6-8 이후 글로벌 기하학적 인 변형에 주로 초점을 맞추고 있지만, 이러한 튀는의 발병 같이 이른 시간에 대한 정보, 영향과 관련된 비평 프로세스를 수집 할 수 없습니다 물방울의 영향에 대한 초기 작업의 부재. 유체 9,12의 CMOS 고속 비디오 그래....

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프로토콜

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1. 빠른 영상 설정 (그림 1 참조)

  1. 공부 될 유체로 채워진 용기를 자유롭게 충돌 속도를 조절하도록 이동 될 수있는 따라 수직 트랙을 설정함으로써 시작한다. 유체는 노즐을 통해 용기의 바닥 잎 후 낙차 들어간다. 이 일을 위해 하강 높이 0.15 m / 초 ± 충격 속도 V에게 = (0.4-6.3) 0을주고 ​​1~2백센티미터 변화시켰다.
  2. 생성하고 경사 반사 미러가 아래로부터 낙하 충격을 시각화하기 위해 배치되고있는 수평 충격 평면 전형적 유리판을 유지하는 장착 프레임.
  3. 홀더에 깨끗하고 매끄러운 유리 접시를 놓습니다. 판을 수평으로 수평되어 있는지 확인합니다.
  4. 수직 트랙에 주사기 펌프를 장착합니다.
  5. 액체 금속에 미치는 영향에 대해, 사이드 뷰 이미징을위한 노즐 뒤에 투명 용지 확산을 배치합니다. 동시에, 생성하는 주사기 펌프 상기 백색 불투명 종이를 붙이고보기 바닥 (그림 1 참조)에 대한 반사. 그리고, 노즐 뒤에 광원을 찾아.
  6. 조밀 한 서스펜션에 미치는 영향의 경우, 확산이 필요하지 않습니다. 대신에, 단지 촬상면의 앞에 광원을 배치.
  7. 원하는 배율 광학 작동 거리에 대한 적절한 초점 거리와 매크로 렌즈를 선택합....

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결과

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고속 이미징 기법.도 확산 및 다양한 충격 시나리오 스플래쉬를 정량화하는데 사용될 수있다 4 (a), 예를 들어, 다른 산화물 피부 강도 액체에서 eGain 전형적인 충격 이미지 시퀀스를 나타낸다. 같은 노즐에서 동일한 떨어지는 높이에서 eGain를 배출함으로써, 재현 충격 속도 V 0와 물방울 = ± 0.12 m / 초 및 반경 R 0 = 6.25 ± 0.10 mm는 1.02 생성되었습니다. 왼쪽 열은 산에 prewashed하지 공기 산화에서 eGain 하락의 영향을 보여줍니다. 유체 노즐로부터 분리 될 때 방울의 상단부에서 긴 꼬리를 형성한다. 통상의 액체는 다르게, 산화 피부 자유롭게 표면 에너지 차분한로부터 유체를 방지하므로이 비구면 형상을 하강 단계에서 그대로 유지된다. 충격이 발생하면, 얇은 액체 금속 시트 (얇은 판)는 부드러운 기판을 따라 빠른 속도로 확장합니다. 산에서 샘플을 세척하면 황소를 감소IDE 및 피부 .......

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토론

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몇 가지 단계가 빠른 영상의 적절한 실행을 위해 중요하다. 우선, 카메라와 렌즈를 적절하게 설정하고 교정해야합니다. 특히, 높은 공간 해상도를 얻기 위하여, 렌즈의 재생 비율은 1:1 내지 부근에 유지되어야한다. 이 조밀 한 현탁액의 시각화를 위해 특히 중요합니다. 또한, 개구의 크기가주의 깊게 촬상을 위해 선택 될 필요가있다. 예를 들어, 일반적으로 측면에서 관찰 필드의 더 깊이, 따라서 작은 구멍의 크기가 필요합니다. 영상의 밝기를 유지하기 위해, 하나는 노출 시간을 증가시키고, 따라서 프레임 레이트 (~ 6,000 fps)를 줄일 필요가있다. 대조적으로, 하단 뷰는 하나의 평면에 초점 카메라가 필요합니다. 결과적으로,보다 높은 시간 해상도 (~ 10,000 fps)를 얻을 수있다.

둘째, 적절한 조명 설정은 상품의 날카로운 경계를 얻기위한 핵심 요소입니다. 모든 샘플은 확대 나 프론 하나 붙였다되었으므로t는, 광원은 화상면에 수직으로 정렬 될 필요가있다. 조명 각도가 기.......

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공개 사항

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저자가 공개하는 게 없다.

감사의 글

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실험 샘플을 준비에 대한 도움말은 많은 유용한 토론과 Qiti 구오에 대한 웬디 장, 루크 루버스, 마크 미 스킨과 미셸 부장님 감사합니다. 이 작품은 그랜트 번호 DMR-0820054 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 MRSEC 프로그램에 의해 지원되었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
갈륨-인듐 공융시그마 알드리치495425-25G
염산 시그마 Aldrich320331-2.5L
산화 지르코늄Glen Mills Inc.7200
팬텀 V12 및 V7 고속 Ccamera비전 연구N/A
105mm 마이크로 니콘니콘N/A
12V/200W 광원DedolightN/A
주사기 펌프Razel모델 R9-9E

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chiechi, R. C., Weiss, E. A., Dickey, M. D., Whitsides, G. M. Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers. Angew. Chem. Int. Ed. 47, 142 (2008).
  2. Fukumoto, M., Huang, Y.

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재인쇄 및 허가

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