조밀한 가스 및 액체 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 아날로그 거시적인 기술

이 절차의 전반적인 목표는 진동된 곡물 더미에서 단일 및 집단 입자 역학을 측정하는 아날로그 기술을 사용하여 액체의 분자 규모 유체역학 과정을 연구하는 것입니다. 이 기술의 주요 장점은 복잡한 분자 규모 역학을 직접 관찰하기 위해 실험적으로 접근 가능한 역 마이크로쉘을 제공한다는 것입니다. 이 기술은 상호 작용하는 입자 시스템의 통계 역학과 밀접하게 결합되어 있기 때문에 이 분야의 근본적인 질문에 대한 실험적 조사의 문을 엽니다.

이 기술은 또한 우리가 조사하고 있는 진동하는 곡물 더미와 같은 상호 작용하는 거시적 입자 시스템의 통계 역학을 연구하는 데 적용할 수 있습니다. 일반적으로 이 기술을 사용하는 개인은 실험을 설계할 때 실험 관찰을 해석하는 데 필요한 평형 및 비평형 통계 역학의 요소를 배우는 데 어려움을 겪을 것입니다. 이 기술의 시각적 시연은 일반적으로 미크론 규모 입자의 움직임을 측정하는 데 사용되는 입자 이미징 속도 측정을 센티미터 규모 입자의 움직임으로 확장하기 때문에 매우 중요합니다.

이 실험은 이 진동 시스템을 사용합니다. 진동을 생성하기 위해 단일 속도 불균형 모터에 부착된 환형 폴리우레탄 보울로 구성됩니다. 이것들은 가중 된 받침대에 부착되고 스프링 그룹으로 분리됩니다.

고무 고리를 사용하여 그릇 어셈블리를 스탠드에 부착합니다. 그릇 안에 삼축 가속도계를 부착합니다. 이것은 진동 시스템에서 떨어진 테이블의 센서 신호에 연결됩니다.

다음으로, 실험을 위해 선택한 미디어로 작업합니다. 이 경우 측면 길이가 같은 세라믹 연마 매체 직선 절단 삼각형을 사용하십시오. 진동 용기에 미디어를 추가합니다.그릇 근처에 미디어가 적실 수 있도록 물과 마감 복합 용액을 준비합니다.

또한 진동 용기의 유체를 이동시키기 위해 연동 펌프를 설정합니다. 펌프에서 그릇 상단까지 플라스틱 튜브를 실행합니다. 펌프 속도를 설정하되 흐름을 시작하지 마십시오.

이미징을 위해 고속 카메라를 설정하십시오. 원하는 surface integration 및 resolution에 적합한 lens를 선택하십시오. 진동 시스템과 격리된 구조물에서 카메라를 지지합니다.

카메라를 장착할 때 길이는 미디어의 열린 표면에 수직이어야 하며 그 위로는 550mm여야 합니다. 그런 다음 카메라를 전원 공급 장치, GPS 안테나 및 컴퓨터에 연결합니다. 컴퓨터에서 카메라 소프트웨어를 시작하고 카메라를 선택합니다.

View 카메라의 시야 view 소프트웨어를 사용하여 라이브로. 설정에서 밝은 빛을 사용하여 테스트 영역을 비춥니다. 선택한 시야는 균일하게 조명되어야 합니다.

그런 다음 카메라 소프트웨어를 사용하여 디지털 방식으로 500배 확대합니다. 카메라에서 렌즈 초점 링을 조정합니다. 목표는 데이터 수집을 위한 최상의 광학 초점을 달성하는 것입니다.

그런 다음 디지털 줌을 배율 없음으로 되돌립니다. 카메라 획득 속도를 설정하여 계속합니다. 이미지를 촬영하기 전에 시야에 괘선 눈금을 배치하십시오.

카메라를 사용하여 단일 이미지를 녹화합니다. 카메라에서 이미지를 삭제하기 전에 이미지를 TIFF 파일로 저장합니다. 카메라가 준비되면 진동 보울을 시작할 준비를 합니다.

용기에서 150ml의 마감 복합 용액을 가져옵니다. 150ml를 진동 용기에 넣고 용액을 고르게 펴서 미디어의 초기 젖음을 제공합니다. 다음으로, 큰 화합물 용기를 연동 펌프 근처의 바닥에 놓습니다.

펌프를 활성화하기 전에 펌프에서 용기로 호스를 연결하십시오. 이 시점에서 진동 보울을 시작하고 최소 1분 동안 기다립니다. 흐름이 안정적인 상태이면 카메라를 트리거하여 선택한 런타임에 대한 시야각에서 동작을 기록합니다.

이렇게 녹화된 프레임은 비디오로 만들어졌습니다. 데이터가 수집되면 진동 시스템을 중지합니다. 그런 다음 연동 펌프를 중지하십시오.

처리를 위해 획득한 이미지를 컴퓨터에 TIFF 파일로 저장하고 그레이스케일로 변환합니다. 그런 다음 속도 측정 소프트웨어 환경의 입자 이미지에서 작업을 시작합니다. 파일로 이동하여 거기에서 가져오기로 이동한 다음 이미지 가져오기로 이동합니다.

Import Wizard(가져오기 마법사) 대화 상자에서 Single Frame(단일 프레임)을 선택한 다음 Add Images(이미지 추가)를 선택합니다. 이제 캘리브레이션 이미지를 선택하여 가져올 이미지에 추가합니다. 이미지 추가를 다시 클릭한 다음 모든 데이터 이미지를 강조 표시하여 가져올 이미지를 선택합니다.

다음을 클릭하여 계속합니다. 다음 화면에서 프레임 속도와 픽셀 피치를 포함한 카메라 설정을 입력합니다. 이러한 항목이 입력되면 Next(다음)를 클릭한 다음 Finish(마침)를 클릭합니다.

이제 내용 목록으로 이동합니다. 보정 이미지가 먼저 와야 합니다. 두 번째 이미지를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 여기에서 Split Ensemble을 선택하여 두 개의 이미지 세트를 만듭니다.

캘리브레이션 이미지만 있는 이미지 세트를 가져와 New Calibration이라고 표시된 위치에 놓습니다. 그런 다음 보정 이미지 세트를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Scale Factor 측정을 선택합니다. 보정 이미지가 화면에 나타납니다.

이미지에서 A 마커를 끝 이미지 눈금자에 배치합니다. 그런 다음 B 마커를 눈금자의 다른 위치에 놓습니다. 절대 거리 텍스트 상자로 이동하여 눈금자에 따라 마커 사이의 거리를 입력합니다.

확인을 클릭하여 설정을 저장하고 계속합니다. 이제 보정 이미지 없이 가져온 이미지 세트를 선택합니다. 이동을 클릭하여 분석을 클릭합니다.

더블 프레임 만들기를 선택합니다. 그런 다음 스타일 옵션에서 이미지 쌍을 만들도록 선택합니다. 질의 영역을 정의하려면 보정되지 않은 이미지를 엽니다.

이미지를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Particle Density를 선택합니다. 나타나는 대화 상자에는 프로브 영역의 확대/축소 보기가 표시됩니다. 설정 탭을 클릭하고 프로브 크기 영역을 변경하기 시작합니다.

목표는 프로브 영역에 최소 3개의 입자가 일관되게 존재하도록 하는 것입니다. 나중에 사용할 수 있도록 프로브 영역 크기를 기록해 두십시오. 분석으로 돌아가서 적응형 상관 관계 방법을 선택합니다.

확인을 클릭합니다. 심문 영역 탭으로 이동하여 클릭하십시오. 거기에서 3개 이상의 입자를 식별할 수 있는 이전에 결정된 조사 영역을 선택합니다. 적응형 상관관계(Adaptive Correlation) 대화 상자에서 확인(OK)을 클릭하여 분석을 수행합니다.

해석이 진행됨에 따라 처음 몇 개의 속도 필드를 육안으로 검사합니다. 이것은 미디어의 그레이스케일 이미지에 오버레이된 벡터 필드의 예입니다. 이 경우 벡터 길이와 방향이 일관되거나 합리적이지 않은 것처럼 보입니다.

결과가 사실적인지 확인하기 위해 생성되는 벡터 맵을 육안으로 검사합니다. 결과가 만족스럽지 않으면 프로세스를 중지하고 질의 영역과 같은 사용자 정의 입력을 변경한 다음 해석을 다시 시작합니다. 이것은 만족스러운 벡터장의 예입니다.

다시 말하지만, 그레이스케일 이미지에 오버레이됩니다. 분석이 완료되면 세트의 각 이미지 쌍에 대해 시야각에 걸쳐 있는 벡터 필드가 생성됩니다. 입자 이미지 속도 측정 데이터를 사용하면 시스템 지점의 속도 분포를 Maxwell Boltzmann 분포에 맞출 수 있습니다.

이미지는 실험에 사용된 곡물입니다. 빨간색 막대는 1cm를 나타냅니다. 파란색으로 표시된 데이터는 측정된 수평 특이한 입자 속도의 정규화된 히스토그램을 나타냅니다.

많은 입자 유형에 대한 데이터는 소산이 없는 해밀토니안 역학, 속도 독립 입자 간 위치 에너지 및 위치 독립 운동 에너지와 일치합니다. 더 나아가, 그들은 국부적인 거시적 기계적 평형에 대한 증거를 제공합니다. 단일 입자에 대한 속도 자기 상관 함수는 입자 충돌의 특징적인 수의 함수이며, 속도 측정 데이터에서도 추출할 수 있습니다.

단일 입자 역학은 분자 액체 및 밀도가 높은 가스에서 예측된 것을 질적으로 모방합니다. 이러한 스펙트럼은 동시 용기 가속도 측정에서 입자 이미지 속도계에서 결정됩니다. 곡물 더미 컨테이너 시스템의 공명 음파는 빈 컨테이너의 공명 음향 모드와 일치합니다.

국소 특유의 유체 속도 스펙트럼에서 음향 모드는 실험의 한계로 인해 분명하지 않습니다. 이 방법은 분자의 예측할 수 없는 액체 상태 역학에서 예측 가능하고 관찰 가능한 유체 흐름이 어떻게 나타나는지와 같은 액체의 분자 유체역학의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 일단 숙달되면 이 절차의 실험 부분을 한 시간 이내에 완료할 수 있습니다.

PIV 처리 및 데이터 분석은 데이터 처리 시스템에 따라 한 시간에서 며칠까지 걸릴 수 있습니다. 진동 입자 시스템에서 관찰된 내용을 분자 유체역학에 연결하기 위해서는 평형 및 비평형 통계 역학 요소를 배워야 한다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 이러한 발전에 따라 이 기술은 진동 구동 입자 흐름의 유체 역학 시뮬레이션을 실험적으로 검증하고 비평형 통계 역학에 의해 예측된 것과 비교하여 입자 유체의 점도를 테스트하는 데 사용되었습니다.

이 비디오를 시청한 후에는 먼저 진동 입자 시스템을 측정하기 위해 PIV 시스템을 설정하는 방법과 두 번째로 이러한 측정을 사용하여 분자 유체역학 시스템을 조사하는 방법을 합리적으로 이해하게 될 것입니다.