Name: 조밀한 가스 및 액체 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 아날로그 거시적인 기술 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-04T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 3 s
Description: 배우세요 진동하는 곡물 더미를 사용하여 고밀도 유체에서 분자 수준 유체역학 과정을 연구하는 입자 영상 유속 측정법입니다. 이 기술은 복잡한 분자 역학을 직접 관찰하여 상호작용하는 입자 계의 통계역학 이해를 돕습니다.

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이 작품은 사무실 해군 연구소 (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik 및 Keanini]에서 지원 하 고 샬 롯의 모터 스포츠 연구 실험실 연마 미디어 Rosler 기증에서 북캐롤라이나의 대학에서 수행.

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저자는 공개 없다.

거시적인 아날로그로 진동이 곡 식 더미를 사용 하 여 분자 유체 프로세스를 조사, 순서는 experimentalist 해야 합니다, 한 반면에, 및 4 개의 기본적인 측정을 사용 하 여 학습과 다른 평형의 몇 가지 기본 요소를 마스터 하 고 비 평형 통계는 기계 실험 측정에 먼저 초점을 맞추고, 이러한 포함: i) 단일 입자 속도 자기 상관 함수, ii) 시간-평균/긴-시간-스케일 표면 입자 속도 측정의 측정을 통해 개별 곡물 역학의 측정 필드, iii) 측정 곡물 미디어 효과적인 점도, 및 iv) 미디어 그릇, 빈과 미디어 가득의 진동 스펙트럼의 측정.
단일 입자 속도 상관 함수 측정
단일 입자 속도 상관 함수의 측정을 통해 개별 입자, 분자 미 시스템에서 또는 현재 방법에 진동이 곡물의 임의의 역학 공부는 <img alt="Equation 38" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq38.jpg"> </i...

유체역학 분자 역학과 개별 분자의 통계 역학과 유체 내 분자의 연구. 많은 실험 기법 중 분자 유체 시스템1,2, 산란1,2,3, 분자 동적 시뮬레이션4, 공부에 대 한 개발 5,,67 그리고, 낮은 정도로 탄성이 중성자 산란8 가장 일반적으로 사용 되었습니다. 불행히도, 중요 한 제한 후자의 두 가지 방법에 연결합니다. 예를 들면 분자 역동성 (MD) 시뮬레이션: i)는 작은 공간 및 시간 제한 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq1.jpg"> 상대적으로 적은 분자를 포함 하는 도메인 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq2.jpg"> </img>, ii) 사용 해야 대략적인 간 입자 잠재력의 iii) 일반적으로 정기적인 소개 경계 조건, 비 평형 대량 흐름 조건, 및 4에서 잘못 된) 현재, 수 없습니다, 어떻게 분자 규모 역학, 단일 분자 또는 분자의 컬렉션의 근본적인 질문에 대답, 영향을 받는, 그리고 부부 다시, 대량, 비 평형 유체 흐름. 중성자 산란과 관련 된 주요 제한 액세스 중성자 빔 소스 사용할 수 있는 제한 된 수의 어려움에 묶여 있습니다.
이 문서에서 제공 하는 아날로그 실험 기법에 대 한 컨텍스트를 제공, 우리는 간단한 조밀한 가스와 액체 상태의 유체에 적용 되는 산란 기술을 강조 표시 합니다. 전형적인 산란 실험에서 편광된 레이저 광선 정지 액체 샘플을 포함 하는 작은 심문 볼륨에 지시 된다. 샘플 내에서 분자에서 흩어져 빛 다음 일부 고정 각도로 입사 빔을 기준으로 검색 됩니다. 관심의 분자 동적 정권 따라 탐지 및 흩어져 빛 신호 분석은 라이트 필터링 또는 빛 감지 방법을 혼합을 통합 합니다. 필터링 기술, 보다 짧은 조정 시간에 액체 상태 분자 역학 조사는 베른 및 Pecora1설명 된 대로 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq3.jpg"> s, 후 비 산 간섭계 또는 회절 격자를 소개 하 고 스펙트럼 밀도의 가능 흩어져 빛. 느린 시간 스케일 역학에 대 한 사용 기술의 혼합 광 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq4.jpg"> s, 대조적으로, 통합, 흩어져 신호의 스펙트럼 콘텐츠 측정된 흩어져 빛에서 추출 되는 포스트 scattering autocorrelator 또는 스펙트럼 분석기 강도입니다.
일반적으로, 레이저 프로브, 적어도 그는 스펙트럼의 보이는 범위에서 액체 상태 분자의 특성 간격 보다 훨씬 긴 파장을가지고. 이러한 상황에서 조사 빔 흥분 5 집단, 느린 시간 단위, 긴 파장 유체역학 모드2,,910 (느린 특성 충돌 주파수 기준): 두 viscously 감쇠, 카운터 전파 하는 음파, 두 uncoupled, 순전히 방산 전단 모드 및 단일 방산 열 (엔트로피) 모드. 가로 방향으로 회전력 모드는 흥분 하는 동안 사운드 모드는 입사 빔 (세로) 방향으로 기쁘게 생각 합니다.
순수 실험 기법, 마음의 평형 및 비 평형 통계 역학, 분자의 거짓말 두 가지 근본적인 질문을 비 산 고려 액체 상태 시스템, 빛 및 중성자 산란 측정 넘어 유지 됩니다. 고전 뉴턴 역학 또는 양자 역학, 개별 액체 상태 분자의 무작위, 충돌 및 하위-collision-시간-스케일 역학에서 개 주 될 수 있다 1) 엄격한 인수9,11 쇼는 일반화 된 Langevin 방정식 (GLE)의 형태입니다. GLE, 차례 차례로, 조밀한 가스 및 액체 분자의 비 평형 통계 역학의 연구에 중앙 이론적 도구를 구성 됩니다. 불행히도, 개별 (비 고분자) 분자의 역학 중 분산 기술에 의해 해결 될 수 없는, 거기 이므로 현재 직접적인 방법, MD 시뮬레이션 넘어 GLE의 유효성을 테스트 하려면. 2) 기본적인 가설 거시적인 연속체 유체 역학의 중심부에서 거짓말, 또한 미 분자 유체역학, posits 그에 길이 및 시간-눈금 분자 직경 및 충돌, 하지만 작은 연속체에 상대적으로 큰 길이 시간의 척도, 현지 열역학 평형 (LTE) 통용 한다. 연속 흐름 및 열 전송 모델에서 Navier-스톡 스 (NS) 방정식 같은 LTE 가정은 필요한9 본질적으로 비 평형, 연속체 규모 흐름 및 에너지 전송 기능을 결합 하기 위하여-같은 점성 전단 응력 및 열 전도-엄격 하 게 평형 열역학 속성, 온도 내부 에너지 등. 마찬가지로, 미 추진력과 에너지 전송 됩니다 본질적으로 비 평형 과정, 결합된, 눈금 질량의 모양을 반영 하는 동안 이러한 미 프로세스의 기세, 및 에너지 전류, 모델 가정 하는 전류 LTE9에서 작은 물결을 나타냅니다. 다시, 우리의 지식의 최선을 LTE 가정의 직접 실험 테스트가 되었습니다. 특히, 그것은 아무 분자 유체역학 산란 실험 밀도, 이동, 비 평형 액체 흐름 내에서 시도 되어 나타납니다.
이 문서에서 우리는 거시적인, 단일 입자와 입자 집단 역학 표준 입자 이미징 Velocimetry (PIV)를 사용 하 여 측정 진동 곡 식 더미의 수 예측에 사용할 직접 하지, 아날로그 실험 기술 개요 해석 하 고 조밀한 가스 및 액체에서 단일 및 다중 molecule 유체역학을 노출. 제안 된 기법을 사용 하는 실제 및 이론적인 요소12우리의 그룹 의해 간행 된 최근 종이에서 진술 된다. 실험적으로, 거시적인 시스템을 전시 한다: (i)는 지속적인된 지역, macroscale 통계 기계적 균형, 및 (ii) 작은 선형에서 출발 균형을 모방 (약한) 비 평형 변동 경향을 관찰 분자 유체 시스템입니다. 이론적으로: 평형과 밀도의 약하게 비 평형 통계 역학을 설명 하는 (i) 클래식 미 모델, 상호 작용 N 입자 시스템 해야 될 개 주 macroscale 형태로, 그리고 (ii) 결과 macroscale 모델 해야 안정적으로 짧은, 입자 충돌-시간-눈금, 연속 흐름-시간 눈금에에서 단일 및 다중 입자 역학을 예측 했다.
여기, 우리는 자세한 실험 프로토콜 뿐만 아니라 새로운 기술에 의해 얻은 대표적인 결과 제시. 달리 MD 시뮬레이션 및 빛과 중성자 산란 방법, 새로운 기술, 수 처음으로 흐르는, 강력 하 게 비 평형, 조밀한 가스와 액체 내 분자 유체 프로세스의 상세한 연구.

<table><tbody><tr><td>진동 연마 그릇</td><td>Raytech</td><td>AV-75</td><td></td></tr><tr><td>유량계</td><td>연동 펌프</td><td>913 Mity Flex</td><td></td></tr><tr><td>Scale</td><td>Pelouze</td><td>4040</td><td></td></tr><tr><td>삼축 가속도계</td><td>PCB Piezotronics</td><td>PCB 356B11</td><td>가속도계 센서 신호 컨디셔너</td></tr><tr><td>데이터 수집 컴퓨터</td><td>IBM</td><td>Thinkpad</td><td>높은 스피드 카메라</td></tr><tr><td>고속 카메라</td><td>Redlake</td><td>Motionxtra HG-XR</td><td></td></tr><tr><td>줌 렌즈</td><td>Tamron</td><td>모델 A18</td><td>18-250mm F/3.5-6.3&nbsp;</td></tr><tr><td>고강도 빛</td><td>ARRI</td><td>EB 400/575 D</td><td></td></tr><tr><td>데이터 처리 컴퓨터</td><td>Dell</td><td>Dell Precision Tower 7910</td><td></td></tr><tr><td>PIV 소프트웨어&nbsp;</td><td>Dantec Dynamics</td><td>Dynamic Studio 2013</td><td>버전 3.41.38</td></tr><tr><td>데이터 수집 하드웨어</td><td>National Instruments</td><td></td><td>SCXI SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter</td></tr><tr><td>데이터 수집 소프트웨어</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW 2012</td><td></td></tr><tr><td>데이터 처리 소프트웨어</td><td>MATHWORKS</td><td>MATLAB</td><td></td></tr><tr><td>Polishing Media</td><td>Rosler</td><td>RSG 10/10S</td><td>다중 매체 유형 사용(혼합, 구형, 삼각형)</td></tr><tr><td>연마 용액</td><td>Rosler</td><td>FC KFL(3%)</td><td>물이 있는 3% 비누 용액</td></tr><tr><td>괘선 스케일</td><td>스위스 정밀 기기</td><td>13-911-3</td><td></td></tr><tr><td>눈금 실린더</td><td>글로벌 과학</td><td>601082</td><td></td></tr></tbody></table>

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

An Analog Macroscopic Technique for Studying Molecular Hydrodynamic Processes in Dense Gases and Liquids

조밀한 가스 및 액체 분자 규모 유체 프로세스를 공부 하는 아날로그, 거시적인 방법 설명 되어 있습니다. 기술을 적용 한 표준 유체 동적 진단, 입자 이미지 velocimetry (PIV)을 측정: i) 개별 입자 (곡물), 짧은, 곡물-충돌에 현존의 속도 시간 눈금, 모두 짧은 입자의 시스템의 속도 ii) 충돌-시간-및 긴, 연속체-흐름-시간-비늘, iii) 조밀한 분자 액체, 및 iv에 존재 하기 위하여 알려진 집단 유체역학 모드) 짧은-및 긴-시간-규모 속도 상관 함수, 중앙 입자 규모의 역학을 이해 하 강하게 상호 작용, 밀도 유체 시스템입니다. 기본 시스템 이미징 시스템, 광원, 진동 센서, 진동 시스템 알려진 미디어, 그리고 PIV 및 분석 소프트웨어로 구성 되어 있습니다. 필요한 실험 측정 및 아날로그 기술을 사용 하 여 분자 규모 유체 프로세스를 공부 하는 데 필요한 이론적 도구에 대 한 개요는 강조 표시 됩니다. 광자를 비교적 간단한 대안을 제공 하는 제안 된 기술 그리고 중성자 빔 분자 유체역학 연구에 전통적으로 사용 되는 분산 방법.

대표 결과 제시, 우리를 참조 하십시오 그의 관찰과 예측으로 연속체 시간 단위 프로세스 시간의 척도에 <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq25.jpg"> 는 긴 눈금에 상대적인 특성 곡물 충돌 시간, <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq26.jpg"> <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq27.jpg"> 및 입자 시간 단위 관찰 하 고 시간의 척도에 예측으로 처리 <img alt="Equation 28" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq28.jpg"> </img>, 그는 순서의, 또는 보다 작은 <img alt="Equation 29" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq2...

조밀한 액체의 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 실험적으로 접근 가능한 아날로그 방식 제공 됩니다. 기술은 진동, 높은 회복 곡 식 더미의 입자 이미지 velocimetry를 사용 하 고 동적 프로세스 알려지고 강력 하 게 상호 작용, 높은 밀도 가스 및 액체에 예측의 직접적이 고 거시적인 관찰을 수 있습니다.

An analog, macroscopic method for studying molecular-scale hydrodynamic processes in dense gases and liquids is described. The technique applies a ...

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 사용하

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밀도가 높은 가스 및 액체에서 분자 유체역학 과정을 연구하기 위한 아날로그 거시적 기법

이 비디오에서 우리는 먼저 표면 탄성파 (SAW) 음향 역류 장치의 제조 및 운영 절차에 대해 설명합니다. 우리는 그 SAW 장치를 펌핑 내 성적 유동 가시화하고 복잡한 흐름의 정량 분석​​ 모두 허용 실험 설정을 보여줍니다.

표면 음향 파 중심의 어쿠스틱 역류 미세 유체의 제조, 운영 및 유동 가시화

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.

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동적 인터페이스의 공초점 현미경 시각화를 위한 마이크로텐시오미터

배우세요 진동하는 곡물 더미를 사용하여 고밀도 유체에서 분자 수준 유체역학 과정을 연구하는 입자 영상 유속 측정법입니다. 이 기술은 복잡한 분자 역학을 직접 관찰하여 상호작용하는 입자 계의 통계역학 이해를 돕습니다.

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

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