Methodenartikel

Snelle beeldvormende techniek om te studeren Drop Impact Dynamiek van niet-Newtoniaanse vloeistoffen

DOI:

10.3791/51249

⸱

5 maart 2014

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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Drop impact van niet-Newtoniaanse vloeistoffen is een complex proces aangezien verschillende fysische parameters beïnvloeden de dynamiek gedurende een zeer korte tijd (minder dan een tiende van een milliseconde). Een snelle beeldvormende techniek is geïntroduceerd om het effect gedrag van verschillende niet-Newtonse vloeistoffen karakteriseren.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Op het gebied van stromingsleer, vele dynamische processen niet alleen voordoen over een zeer korte tijdsinterval, maar vereisen ook een hoge ruimtelijke resolutie voor gedetailleerde observatie, scenario's die het een uitdaging om te observeren met conventionele beeldvormende systemen. Een daarvan is de druppel effect van vloeistoffen, die gewoonlijk gebeurt binnen een tiende van milliseconde. Om deze uitdaging aan te pakken, is een snelle beeldvormende techniek geïntroduceerd die een high-speed camera (in staat tot een miljoen frames per seconde) combineert met een macrolens met lange werkafstand voor de ruimtelijke resolutie van het beeld omlaag tot 10 micrometer te brengen / pixel. De beeldvormende techniek maakt nauwkeurige meting van relevante fluïdum dynamische grootheden, zoals het stromingsveld, de strooibreedte en spatten snelheid van de analyse van de opgenomen video. Om de mogelijkheden van deze visualisatie systeem te demonstreren, de impact dynamiek als druppels van niet-Newtoniaanse vloeistoffen botsen op een vlakke harde ondergrond zijn het kenmerkgoedkeuring gegeven. Twee situaties worden beschouwd: voor geoxideerd vloeibaar metaal druppels richten we ons op de verspreiding gedrag, en voor de dicht op elkaar gepakte schorsingen wordt de aanvang van de spatten. Meer in het algemeen, de combinatie van een hoge temporele en ruimtelijke resolutie imaging hier geïntroduceerd biedt voordelen voor het bestuderen van snelle dynamiek in een breed scala van microschaal verschijnselen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Drop effect op een vast oppervlak is een sleutelproces bij vele toepassingen waarbij elektronische fabricage 1, spray coating 2 en additieve productie met inkjet 3,4, waarbij een nauwkeurige controle van drop verspreiding en spatten gewenst. Echter, directe observatie van drop impact technisch uitdagend om twee redenen. Ten eerste is een ingewikkeld dynamisch proces dat plaatsvindt binnen een tijdsbestek te kort (~ 100 psec) gemakkelijk worden afgebeeld door conventionele beeldvormende systemen, zoals optische microscopen en spiegelreflexcamera's. Flitsfotografie blikje beeld De cursus van veel sneller, maar niet mogelijk voor continu opnemen, zoals vereist voor een gedetailleerde analyse van de evolutie in de tijd. Ten tweede kan de lengte-schaal veroorzaakt door botsing instabiliteiten zijn zo klein als 10 pm 5. Daarom, om kwantitatief onderzoek naar de invloed proces een systeem dat ultrasnelle beeldvorming combineert, samen met redelijk hoge ruimtelijke resolutie is vaakgewenst. Bij gebreke van een dergelijk systeem, vroege werk op druppel effect vooral gericht op de mondiale geometrische vervorming na botsing 6-8, maar was niet in staat om informatie over het vroege tijdstip, evenwichts processen die samenhangen met impact, verzamelen, zoals het ontstaan ​​van spatten. Recente ontwikkelingen in de CMOS hoge snelheid videografie van vloeistoffen 9,12 hebben de frame rate geschoven tot een miljoen fps en belichtingstijden beneden 1 msec. Bovendien kan nieuw ontwikkelde CCD beeldvorming van de frame rate te duwen ruim boven een miljoen fps 9-12. Ruimtelijke resolutie aan de andere kant, kan worden verhoogd tot de orde van 1 micrometer / pixel gebruik vergrootglazen 12. Als gevolg hiervan is het mogelijk geworden om te verkennen in ongekend detail de invloed van een breed scala van fysische parameters op verschillende stadia van drop impact en een systematische vergelijking experiment en theorie 5,13-16. Bijvoorbeeld, het klateren transitie in Newtoniaanse vloeistoffen was found door atmosferische druk 5 in te stellen, terwijl de intrinsieke reologie beslist de verspreiding dynamiek van de yield stress vloeistoffen 17.

Hier een eenvoudige maar krachtige snel beeldvormende techniek wordt geïntroduceerd en toegepast om de impact dynamiek van twee soorten niet-Newtoniaanse vloeistoffen bestuderen: vloeibare metalen en dicht op elkaar gepakt schorsingen. Bij blootstelling aan lucht, in hoofdzaak alle vloeibare metalen (behalve kwik) zal ontwikkelen spontaan een oxidehuid op het oppervlak. Mechanisch, wordt de huid gevonden effectieve oppervlaktespanning en bevochtigend vermogen van de metalen 18 wijzigen. In een eerdere paper 15, een aantal van de auteurs bestudeerden de verspreiding proces kwantitatief en waren in staat om uit te leggen hoe het skin-effect beïnvloedt de impact dynamiek, met name de schaal van de maximale verspreiding radius met impact parameters. Aangezien vloeibaar metaal heeft een hoge oppervlakte reflectie, is een zorgvuldige aanpassing van de verlichting nodig is in de beeldvorming. Schorsingen van eenre uit kleine deeltjes in een vloeistof. Zelfs voor eenvoudige Newtoniaanse vloeistoffen, de toevoeging van deeltjes leidt tot niet-Newtons gedrag dat wordt vooral uitgesproken dichte suspensies, dwz bij hoge volumefractie van zwevende deeltjes. Vooral, het begin van spatten wanneer een schorsing druppel raakt een glad, hard oppervlak werd onderzocht in het eerdere werk 16. Zowel vloeistof-deeltjes en interacties tussen de deeltjes kan het spatten gedrag aanzienlijk veranderen van wat kan worden verwacht van eenvoudige vloeistoffen. Deeltjes zo klein als 80 urn in deze experimenten een hoge ruimtelijke resolutie nodig volgen.

Een combinatie van verschillende technische eisen zoals hoge temporele en ruimtelijke resolutie, plus de mogelijkheid voor het observeren van de effecten, zowel van de zijkant en van onderen, kunnen allemaal tevreden zijn met de beeldvorming setup hier beschreven. Door het volgen van een standaard protocol, hierna beschreven, kan het effect dynamica invesden onderzocht, op een gecontroleerde manier, zoals expliciet getoond voor het verspreiden en opspattend gedrag.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Fast Imaging Setup (zie figuur 1)

  1. Stel eerst een verticale rail waarlangs een houder gevuld met het fluïdum te bestuderen vrij kan worden verplaatst naar de botssnelheid passen. De vloeistof verlaat de bodem van de houder door een mondstuk en gaat vervolgens vrije val. Voor dit werk werd de valhoogte varieerde 1-200 cm dat de botssnelheid V geeft 0 = (0,4-6,3) ± 0,15 m / sec.
  2. Bouwen en monteren een kader aan de horizontale gevolgen vliegtuig, meestal een glasplaat, waaronder een hellend reflecterende spiegel is gepositioneerd voor het visualiseren van de drop effect van de bodem vast te houden.
  3. Plaats een schone en gladde glazen plaat op de houder. Zorg ervoor dat de plaat wordt horizontaal genivelleerd.
  4. Monteer een injectiepomp op de verticale rail.
  5. Voor vloeibaar metaal effect, plaats een transparant papier diffuser achter het mondstuk voor zijaanzicht beeldvorming. Tegelijkertijd, voeg een witte opake papier boven de injectiepomp genererenreflectie voor bodem bekijken (zie figuur 1). Vervolgens zoekt u de lichtbron achter het mondstuk.
  6. Voor dichte suspensie effect, geen diffuser nodig. In plaats daarvan, plaatst de lichtbron in de voorkant van het beeldvlak.
  7. Selecteer de macro-objectief met een passende brandpuntsafstand voor gewenste vergroting en optische werkafstand. Sluit vervolgens de lens op de camera.
  8. Bevestig de camera op een statief en stel de hoogte van de camera volgens de beeldvorming perspectief (zij-of onderkant).

2. Monstervoorbereiding

  1. Bereiding van vloeibaar metaal geoxideerd
    1. Store Gallium-Indium Eutectic (eGain) in een gesloten container. Sinds de smelttemperatuur ongeveer 15 ° C, eGain blijft vloeibaar bij kamertemperatuur.
    2. Gebruik een pipet te extraheren 3 ml eGain uit de container en het extruderen op een acryl plaat. Wacht 30 min voor het monster volledig worden geoxideerd in lucht. Als ConsequeNVU, een dun laagje gerimpelde geoxideerde huid volledig bedekt het monster oppervlak.
    3. Gebruik zoutzuur (HCl, "PAS") van verschillende concentraties aan de eGain monster voorwas en de oxidatie regelen. Specifiek shear het monster, terwijl het in het zuurbad, 60 sec -1 afschuifsnelheid met een reometer. Na 10 min afschuiving, het niveau van oxidatie in het monster bereikt evenwicht, door de zoutzuurconcentratie 15,18 stellen.
    4. Na deze voorwas, gebruik dan een plastic spuit met een stalen nozzle tip om eGain uittreksel uit het bad.
    5. Bevestig de spuit op de spuit pomp en klaar zijn voor het experiment.
  2. Voorbereiding van dichte schorsingen
    1. Knip het einde van een commercieel injectiespuit (4,5 mm of 2,3 mm straal) en het als cilindrische buis voor het afgeven van de dichte suspensie.
    2. Trek de zuiger en vul de spuit met water tot aan het open einde, waardoor sure is er geen luchtbel meegevoerd.
    3. Zet bolvormige ZrO 2 of glazen kralen in de spuit. Met de sedimentatie van deeltjes, zal water morsen uit het mondstuk. Vul de spuit met deeltjes helemaal naar het open uiteinde. De schorsing zal vastlopen onder zwaartekracht.
    4. Gebruik een scheermesje om extra bevochtigd deeltjes uit de top verwijderen daartoe plat te houden.
    5. Flip over het mondstuk en bevestig deze aan de injectiepomp. Oppervlaktespanning wordt voorkomen dat de deeltjes uit kan vallen 16.

3. Ijking

Voor het verzamelen van video's, de parameters van het apparaat voor beeldbewerking te worden ingesteld en verlichting uitlijning moet worden ingevuld. Ook de ruimtelijke resolutie worden gekalibreerd.

  1. Start de spuitpomp met een snelheid van 20 ml / uur tot druk de vloeistof (vloeibare metaal of suspensie) van de spuitopening.
  2. Wacht tot de vloeistof los te maken van de spuit, vormen een druppel en val vanf om een ​​test impact te maken op het glazen substraat.
  3. Stel de camera positie, inclusief de verticale positie en imaging oriëntatie, de splat vinden in de computer monitor die verbinding maakt met de camera. Wijzig de werkafstand naar afbeelding regelen in het brandvlak bij de reproductie van de lens wordt vastgesteld op 1:1.
  4. Varieer het diafragma, belichtingstijd en verlichting hoek om de beste beeldkwaliteit te verkrijgen wanneer de frame rate is hoog genoeg is (> 6000 fps). Figuur 2 (a) toont de typische beelden die door de camera voor zowel vloeibare eGain en een dichte schorsing.
  5. Plaats een liniaal in het gezichtsveld (zie figuur 2 (b)) en bereken de ruimtelijke resolutie door te tellen hoeveel pixels sluiten in 1 cm. Zorg ervoor dat er geen verschil in resolutie tussen horizontale en verticale richting.
  6. Volg een 3-stap proces om de pakkingfractie van dichte schorsing druppel meten:
    1. Meet de massa van de entire splat direct na botsing (bijvoorbeeld door verhuur van de daling in een maatbeker die nauwkeurig kan worden afgewogen).
    2. Vervolgens verdampen alle oplosmiddel met een kachel en wegen van de splat opnieuw om het deeltje massa te bereiken.
    3. Bereken de hoeveelheid deeltjes en vloeistof naar de pakkingfractie krijgen. Gewoonlijk moet deze volumefractie ongeveer 60% bedragen.
  7. Volgens de observatie richting (onderkant of zijkant), plaatst u de camera op de juiste wijze. In het bijzonder zet de camera naast het substraat voor het zijaanzicht of op hetzelfde niveau van het reflecterende spiegel onderaan beeldvorming.

4. Video Recording and Data Acquisition

  1. Na beeldvorming kalibratie, start de injectiepomp. Tegelijkertijd openen de camera besturingssoftware om de impact te monitoren.
  2. Stel de post triggering framenummers bij ongeveer de helft van de lengte van de video. Let goed op wanneer de druppel begint te vormen en handmatig trigger de camera op het moment druppel los van het mondstuk. Voer een paar praktijk testen voor gegevensregistratie.
  3. Nadat de gegevens zijn opgenomen, trim van de video naar het gedeelte dat de impact en sla de video's als beeld sequenties voor analyse.

5. Beeld Post-processing en analyse

  1. Gebruik een grens detectiemethode om de bewegende voorste vloeistof eGain lokaliseren als het verspreidt, wat overeenkomt met een scherpe overgang van de gemiddelde pixelwaarde (zie figuren 3 (ab)).
  2. Van zowel onder-en zijkant beelden, bepalen de spatten ontstaan ​​van dichte schorsing.
  3. Voer particle-tracking-algoritmen sporen van afzonderlijke deeltjes die ontsnapt uit de splat (zie figuur 3 (c)) te verkrijgen. Vervolgens berekent het uitwerpen snelheid van dergelijke trajecten (figuur 3 (d)).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De snelle beeldvormende techniek kan worden gebruikt om te kwantificeren verspreiden en opspattend voor diverse scenario's het. Figuur 4 (a), bijvoorbeeld, toont typisch beeld gevolgen sequenties voor vloeibare eGain met verschillende oxidehuid sterkte. Door uitwerpen eGain van dezelfde mondstuk en op dezelfde valhoogte, druppeltjes met reproduceerbare botsingssnelheid V 0 = 1,02 ± 0,12 m / s en radius R 0 = 6,25 ± 0,10 mm werden geproduceerd. De linkerkolom toont de impact van...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verschillende stappen zijn van cruciaal belang voor een goede uitvoering van de snelle beeldvorming. Ten eerste camera en de lens moet goed ingesteld en gekalibreerd. In het bijzonder om hoge ruimtelijke resolutie te krijgen, de reproductie van de lens moet dicht bij 01:01 gehouden. Dit is vooral belangrijk voor de visualisatie van dichte suspensies. Ook het diafragma moet zorgvuldig worden gekozen beeldvorming. Bijvoorbeeld, observatie van de kant in het algemeen vereist een langere scherptediepte, dus kleiner diafragm...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dankzij Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin en Michelle Driscoll voor vele nuttige discussies en Qiti Guo voor hulp bij de voorbereiding van experimentele monsters. Dit werk werd ondersteund door MRSEC programma van de National Science Foundation onder Grant No DMR-0820054.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Gallium-Indium EutecticumSigma Aldrich495425-25G
Zoutzuur Sigma Aldrich320331-2.5L
ZirconiumoxideGlen Mills Inc.7200
Phantom V12 en V7 Fast CameraVision ResearchN/A
105 mm Micro-NikonNikonN/A
12 V / 200 W lichtbronDedolightN/A
SpuitpompRazelMODEL R9-9E

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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. Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface. J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).
  3. Seerden, K. A., Reis, N., Evans, J. R., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B. Ink-Jet Printing of Wax-Based Alumina Suspensions. J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514 (2004).
  4. Derby, B. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).
  5. Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop Splashing on a Dry Smooth Surface. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
  6. Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).
  7. Yarin, A. L. Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).
  8. Chandra, S., Avedisian, C. T. On the collision of a droplet with a solid surface. Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).
  9. Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).
  10. Thoraval, M. -J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. Drop impact entrapment of bubble rings. J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).
  11. Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. Micro-splashing by drop impacts. J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).
  12. Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubble. Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).
  13. Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. Thin film formation during splashing of viscous liquids. Phys. Rev. E. 82, (2010).
  14. Pregent, S., Adams, S., Butler, M. F., Waigh, T. A. The impact and deformation of a viscoelastic drop at the air-liquid interface. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166, 831 (2011).
  15. Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. Impact dynamics of oxidized liquid metal drops. Phys. Rev. E. 87, (2013).
  16. Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. Splashing onset in dense suspension droplets. Phys. Rev. Lett. 111, (2013).
  17. Luu, L., Forterre, Y. Drop impact of yield-stress fluids. J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).
  18. Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H., Brown, E. Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium. Phys. Fluids. 24, (2012).
  19. Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact. Phys. Rev. Lett. 103, (2009).
  20. Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).
  21. Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Phys. Rev. E. 78, (2008).
  22. Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Phys. Rev. Lett. 106, (2011).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

HogesnelheidscameraRuimtelijke ResolutieStromingsleerImpactexperimentenStart van SpattenVerspreidingsgedragDense Suspensies

Gerelateerde artikelen