Een analoge macroscopische techniek voor de studie van moleculaire hydrodynamische processen in dichte gassen en vloeistoffen

Samenvatting

Een experimenteel toegankelijk analoge methode voor de studie van moleculaire hydrodynamische processen in dichte vloeistoffen wordt gepresenteerd. De techniek maakt gebruik van particle image velocimetry universele, hoge-restitutie graan palen en kunt direct, macroscopische observatie van dynamische processen bekend en voorspelde bestaan in sterk interactie, hoge dichtheid gassen en vloeistoffen.

Samenvatting

Een analoog, macroscopische methode voor het bestuderen van de moleculaire schaal hydrodynamische processen in dichte gassen en vloeistoffen wordt beschreven. De techniek geldt een standaard vloeistof dynamische diagnostische, particle image velocimetry (PIV), om te meten: i) snelheden van individuele deeltjes (korrels), extant korte, graan-botsing tijdschalen, ii) snelheden van systemen van deeltjes, op zowel korte botsing-tijd- en lange, continuüm-stroom-tijd-schalen, iii) collectieve hydrodynamische modi bekend te bestaan in de dichte moleculaire vloeistoffen, en iv) korte - en lange-tijd-schaal snelheid autocorrelatie functies, centraal voor het begrip van de dynamiek van het deeltje-schaal in sterk interactie, dichte vloeistof systemen. Basic system bestaat uit een imaging systeem, lichtbron, vibrationele sensoren, vibrationele systeem met een bekende media, en PIV en analyse software. Vereiste experimentele metingen en een overzicht van de theoretische instrumenten die nodig zijn bij het gebruik van de analoge techniek om moleculaire schaal hydrodynamische processen te bestuderen worden gemarkeerd. De voorgestelde techniek biedt een relatief eenvoudig alternatief voor fotonische en neutron lichtbundel verstrooiing methoden traditioneel gebruikt in moleculaire hydrodynamische studies.

Inleiding

Moleculaire hydrodynamica bestudeert de dynamiek en de statistische mechanica van individuele moleculen en collecties van moleculen binnen vloeistoffen. Onder de vele experimentele technieken ontwikkeld voor de studie van moleculaire hydrodynamische systemen^1,2, lichtverstrooiing^1,2,3, moleculaire dynamische simulaties^{4, 5,6,7} en, in mindere mate, inelastisch neutron scattering⁸ zijn meestal gebruikt. Helaas koppelen aanzienlijke beperkingen aan de laatste twee technieken. Simulaties van de moleculaire dynamica (MD), bijvoorbeeld: i) zijn beperkt tot kleine ruimtelijke en temporele domeinen met relatief weinig moleculen , ii) vereist gebruik van benaderende Inter deeltje potentiëlen, iii) meestal voeren periodieke randvoorwaarden, ongeldige onder niet-evenwichts bulk stromingscondities, en iv) kunnen niet, op dit moment, antwoord op de fundamentele vraag van hoe moleculaire schaal dynamiek, waarbij afzonderlijke moleculen of collecties van moleculen, ondervinden en (echt) paar terug naar, bulk, niet-evenwichts vloeistofstromen. De belangrijkste beperking neutron scattering gekoppeld is gebonden aan de moeilijkheidsgraad van de toegang tot een beperkt aantal lichtbundel neutronenbronnen beschikbaar.

We benadrukken om context voor de analoge experimentele techniek gepresenteerd in dit artikel, lichtverstrooiing technieken toegepast op eenvoudige dichte-gas en vloeistof statuswaarden vloeistoffen. In een typische lichtverstrooiing experiment, is een gepolariseerd licht laserstraal gericht op een kleine ondervraging volume met een stationaire vloeistof monster. Lichtverstrooiing van moleculen in het monster wordt vervolgens ontdekt op sommige vaste hoek ten opzichte van de invallende lichtbundel. Afhankelijk van de moleculaire dynamische regime van belang bevat detectie- en analysemethoden voor de verstrooide licht signaal licht filteren of licht mengen detectiemethoden. Zoals uiteengezet door Berne en Pecora¹, filtertechnieken, korter is dan die vloeibare staat moleculaire dynamica sonde op tijd schalen s, voeren een interferometer na verstrooiing of diffractie raspen, en kunt scannen van de spectrale dichtheid van het verstrooide licht. Optische technieken, gebruikt voor de dynamiek van de slow-tijd-schaal, mengen s, daarentegen, nemen een post scattering autocorrelator of spectrum analyzer, waarin de spectrale inhoud van de verspreide signaal wordt geëxtraheerd uit het gemeten verstrooid licht intensiteit.

In het algemeen laser sondes, op zijn minst die welke actief zijn in het zichtbare bereik van het spectrum golflengten veel langer dan de karakteristieke afstand tussen vloeistof statuswaarden moleculen hebben. Onder deze omstandigheden de sonde bundel wekt vijf collectieve, slow-tijd-schaal, lange-golf-length hydrodynamische modi^2,9,10 (langzaam ten opzichte van de frequentie karakteristiek botsing): twee viscously gedempt, contra teeltmateriaal geluidsgolven, twee afgekoppeld, puur diffusive vorticiteit modi en de modus van een enkele diffusive thermische (entropie). De sound modi zijn enthousiast in de (lengterichting) van de invallende lichtbundel, terwijl de vortical modi zijn enthousiast in de dwarsrichting.

Gelet op puur experimentele technieken, twee fundamentele vragen, liggend in het hart van het evenwicht en niet-evenwichts statistische mechanica van moleculaire, verstrooiing blijven vloeistof statuswaarden systemen, buiten licht en het neutron scattering metingen:
1) strikte argumenten^9,11 tonen aan dat de willekeurige, dynamiek van de botsing - en sub-collision-tijd-schaal van individuele moleculen van de vloeistof-staat, onder voorbehoud van de klassieke Newtoniaanse dynamica of quantumdynamica, kan worden herzien in het vorm van gegeneraliseerde Langevin vergelijkingen (GLE). GLE, bestaan op hun beurt uit een centrale theoretische hulpmiddel bij de studie van de niet-evenwichts statistische mechanica van moleculen in dichte gassen en vloeistoffen. Helaas, omdat de dynamiek van afzonderlijke (niet-macromolecular) moleculen kunnen niet worden opgelost door beide verstrooiing techniek, er is momenteel geen directe manier, buiten MD simulaties, voor het testen van de geldigheid van de GLE.
2) een fundamentele hypothese liggen in het hart van macroscopische continuüm vloeistofdynamica, poneert evenals microscale moleculaire hydrodynamica, dat op lengte - en tijdschalen groot ten opzichte van moleculaire diameters en botsing tijden, maar klein ten opzichte van het continuüm lengte - en tijdschalen, heerst lokale Thermodynamisch evenwicht (LTE). In continuüm stroom en warmte overdracht modellen, zoals de Navier-Stokes (NS) vergelijkingen, de LTE veronderstelling is vereist⁹ om paar intrinsiek niet-evenwichts, continuüm-schaal flow en energie vervoer voorzieningen — zoals viskeuze schuifspanningen en thermische geleiding — strikt evenwicht thermodynamische eigenschappen, zoals temperatuur en interne energiemarkt. Ook, terwijl de impuls en energie vervoer microscale zijn intrinsiek niet-evenwichts processen, als gevolg van de verschijning van gekoppelde, microscale massa, impuls en energie stromen, modellen van deze processen microscale veronderstellen dat de stromingen kleine verstoringen van LTE⁹vertegenwoordigen. Nogmaals, tot de beste van onze kennis, zijn er geen directe experimentele tests van de LTE veronderstelling. In het bijzonder lijkt dat geen moleculaire hydrodynamische verstrooiing experimenten zijn geprobeerd binnen dichte, bewegende, niet-evenwichts vloeibare stromen.

In dit artikel duidelijk naar voren komt een analoge experimentele techniek waarin de macroscopische, één deeltje en collectieve deeltje dynamiek van universele graan stapels, gemeten met behulp van standaard Particle Imaging Velocimetry (PIV), kunnen worden gebruikt om niet indirect voorspellen, interpreteren en single - en multi - molecule hydrodynamica in dichte gassen en vloeistoffen blootstellen. De fysieke en theoretische elementen waarmee de voorgestelde techniek zijn vermeld in een recent document gepubliceerd door onze fractie¹². Experimenteel, de macroscopische systeem moet vertonen: (i) een aanhoudende neiging tot local, situering statistische mechanisch evenwicht en (ii) de kleine, lineaire vertrek vanaf evenwicht dat (zwak) niet-evenwichts schommelingen nabootsen waargenomen moleculaire hydrodynamische systemen. Theoretisch: (i) klassieke microscale modellen beschrijven van het evenwicht en zwak-niet-evenwichts statistische mechanica van dichte, interagerende N-particle systemen moeten worden omgewerkt in situering vorm, en (ii) de resulterende situering modellen moeten betrouwbaar voorspellen van de dynamiek van de enkel - en meervoudige-deeltje, van korte, deeltje-botsing-tijd-schalen op lange, continuüm-stroom-tijd-schalen.

Hier presenteren we een gedetailleerde experimenteel protocol, alsmede representatieve resultaten verkregen door de nieuwe techniek. In tegenstelling tot MD simulaties en licht en het neutron scattering methoden, de nieuwe techniek maakt het mogelijk, voor het eerst gedetailleerde studie van moleculaire hydrodynamische processen binnen stroomt, sterk niet-evenwichts, dichte gassen en vloeistoffen.

Protocol

1. bereiding van trillingen systeem

1. Opzetten van de trillingen systeem zoals weergegeven in Figuur 1. Dit systeem bestaat uit een ringvormige polyurethaan bowl (met een buitendiameter van 600 mm), gekoppeld aan een single-speed (1740 rpm), onevenwichtige motor, waar de laatste trillingen van het proces genereert. Dit is gekoppeld aan een verzwaarde voet en gescheiden door een groep van acht springs (de kom en verzwaarde voet worden gekocht als één stuk gemonteerd). De kom-vergadering hechten aan haar stand en veilig met twee haken van de meegeleverde rubberen. Peristaltische pomp plaatsen op een tafel in de buurt van de kom en voeg pomp uitlaat slang voor kuip smering inlaat punt.
   1. Een drieassige versnellingsmeter hechten aan de binnenste straal van de ringvormige kom aan opgenomen kom trillingen onder lage amplitude voorwaarden en draad van de versnellingsmeter om een sensor signaal conditioner. Plaats de conditioner signaal op een tafel uit de buurt van de trillingen systeem. De versnellingsmeter/signaal conditioner combinatie wordt gecontroleerd door overname hardware/software van gegevens op een standaard computer geïnstalleerd.
2. Bereiden gekozen media door wassen in water en waardoor te drogen. Verschillende soorten media zijn gebruikt tijdens verschillende experimenten. Voor dit papier, gebruikt u een keramische polijsten media recht gesneden driehoek (10 x 10 mm x 10 mm driehoek gezien vanaf de voorzijde en 10 mm dik).
   1. Het bepalen van de dichtheid verpakking door eerst een lege plastic zak op de schaal van een lab te brengen en de schaal tarreren media. De plastic zak te vullen met de gekozen media (niet te overschrijden 18.927 L (5 gal) en het gewicht van de media (g of kg). Voor dit type van media en huidige experimentele instellen was het gewicht 22.68 kg (50 lb).
      1. Plaats de emmer in een grote wastafel, of buiten het gebouw uit de buurt van andere apparatuur. Vul de emmer (hiervoor instellen, een emmer 18.927 L (5 gal) werd gebruikt) met water tot de maatstreep aan volledige en langzaam lager de plastic zak vol media in de emmer. Zodra de zak van media volledig is ondergedompeld, langzaam verhogen de zak uit het water te voorkomen spatten en plaats de zak buiten beschouwing. Gebruik een 1000 mL studeerde aan de cilinder te vullen van de emmer tot zijn oorspronkelijke volledige maatstreep, opname van de totale hoeveelheid water toegevoegd. Deze hoeveelheid water toegevoegd zal worden waar is het volume van de media verpakking (voor deze set, 13,750 mL water is toegevoegd terug naar de emmer) materiaal. De hoeveelheid water die toegevoegd zal worden afhankelijk van het type media dat wordt gebruikt.
      2. Berekenen van de media verpakking dichtheid door de volgende vergelijking:
         
         waar is de dichtheid van de verpakking van de media en = de massa van de media (voor deze media, de dichtheid wordt berekend als 1649 ).
   2. De trillingen systeem activeren door de stekker in het stopcontact (dit model twee opties heeft: 1) sluit aan op de muur of 2) uitgevoerd met timer gehecht aan te staan). Activeren van de software van de overname van de gegevens op de computer door te drukken op de "Start" pijl op de gebruiker programma geschreven en het verzamelen van gegevens voor 1 minuut. Versnelling gegevens worden zowel weergegeven voor onmiddellijke herziening (in zowel de tijdsdomein en frequentiedomein) en automatisch opgeslagen naar een CSV-bestand voor potentiële nabewerking. Ontkoppel het apparaat uit het stopcontact als u wilt deactiveren de trillingen systeem.
   3. Media toevoegen aan de triltrommel.
   4. Bereiden samengesteld, bestaande uit 3880 mL water en 120 mL afwerking samengestelde (FC) (3 volumeprocenten) oplossing. Peristaltische pomp ingesteld op 1.9 L/h (roteren snelheidswijzerplaat tot en met 27 te bereiken dit debiet), maar geen stroom doen starten. Dit zal ervoor zorgen dat de oplossing is niet warmtebehandelingsproces, maar voldoende is om de media nat houden. (Deze oplossing is een veelgebruikte vibratory finishing oplossing). De oplossing fungeert als een smerende agent en zorgt ervoor dat de media niet plakken aan elkaar of verslijten tijdens de procedure.
   5. De trillingen systeem activeren door de stekker in het stopcontact. Verzamelen van gegevens, versnellingsmeter zoals vermeld in stap 1.2.2. Ontkoppel het apparaat uit het stopcontact als u wilt deactiveren de trillingen systeem.

2. high Speed Imaging

Opmerking: Voor graan snelheid veldmetingen, verkregen door een gedeelte van het oppervlak van de stromende graan stapel, het imaginggebied, imaging komt overeen met het beeldveld (FOV) bepaald in stap 2.2.4 hieronder. Meting van de tijd-verschillende, afzonderlijke graan snelheden (aan de oppervlakte van de stapel) kunnen worden verkregen door te kiezen voor een kleine, vaste deelgebied, binnen waar, zoals hieronder, is over de volgorde van de geprojecteerde oppervlak van een individuele graan.

1. Instellen van een high speed camera (de camera heeft 1504 x 1128 resolutie tot 1.000 frames per seconde (fps)) om beelden te vangen door het plaatsen op een statief of een stijf frame met de lens loodrecht op de open oppervlakte van de trillingen systeem bouwen, (wanneer de bowl vibra is ting) zoals te zien in Figuur 1. Deze stijf frame staat los van de vibrationele systeem en zorgt ervoor dat de trillingen van het systeem geen afbreuk doen aan de beeldvorming.
   1. Geschikte lens voor de gewenste oppervlakte integratie gebied en resolutie koppel. Voor de huidige structuur, door een 18-250 mm-zoomlens met en een verhouding van de lens van 1:3.6 - 6.3 te gebruiken.  Voeding en GPS antenne te koppelen aan de camera.  Sluit de camera aan computer met behulp van een Cat5-kabel.  Plaats de camera zodat het einde van de lens ongeveer 550 mm boven het oppervlak van de media is.
      Opmerking: De camera te plaatsen te dicht bij de media zal leiden tot verhoogde randeffecten en plaatsen van de camera ver zal leiden tot de beelden te donker om te verwerken. Op de opgegeven afstand, fouten ten gevolge van randeffecten en de totale kromming van het testgebied is < 2%.
   2. Verwijder lensdop en start van de camerasoftware. Wanneer het is begonnen, klik op "Camera's" knop, en klik vervolgens op OK. Wanneer camera lijst wordt gevuld, de camera selecteren in de lijst en klik op openen.
   3. In de software van de camera op de computer, onder "Live" tab, klik op "Live" (blauwe pijl) om te bekijken van de camera FOV. Inschakelen van de lichtbron voor het verlichten van de regio naar zijn beeld. Dit kan een fel licht, zolang zij de testgebied gelijkmatig verlicht. Figuur 1 toont de camera en licht configuratie met betrekking tot de trillingen systeem.
   4. Om te bepalen de f-stop, kijk naar het computerscherm met de live stream van de camera en pas de f-stop op de minimale instelling (maximale helderheid). Als de f-stop is ingesteld op laag, het resultaat is een ondiepe scherptediepte. Als de f-stop is ingesteld op hoog, is het scherm te donker. Voor dit experiment, was de f-stop instellen naar 3.6.
   5. Aanpassen brandpuntsafstand op de lens te voorzien van de gewenste FOV (210 mm x 160 mm voor dit geval). Voor dit experiment, vastgesteldop de focale lengte 180 mm met de camera ingesteld 550 mm boven het oppervlak van de media. Figuur 2a toont de FOV via de camera.
   6. Digitaal inzoomen naar 500 X vergroting met behulp van de software van de camera. De focusring op de lens voor beste optische focus aanpassen. Digitale zoom terug naar 100% (normale weergave).
   7. Onder de overname-instellingen van de computer, klikt u op "Rate [Hz]" en stel op 500 frames per seconde.
      Opmerking: Met het oog op het oplossen van de dynamiek van de graan-botsing-tijd-schaal, , moet ten minste een orde van grootte groter is dan de opgelegde vibratie frequentie, (hier Hz)
   8. Voorafgaand aan de opnamen, plaatst u een gelinieerde schaal in het gezichtsveld; Dit biedt een lengte-schaal voor verwerking van de gegevens van de latere afbeelding. Selecteer onder de overname-instellingen van camerasoftware, "Record" tabblad onder "Live". "Opname modus" op "Circulaire" en Set Frames op 1 ingesteld. Klik op de rode cirkel onder de tab "Live" opnemen een enkel beeld zoals te zien in Figuur 2b.
   9. De verworven afbeelding opslaan als een TIFF-bestand op een handige bestand directory-locatie (bijvoorbeeld een externe harde schijf) door te klikken op "Bestand" en klik op "Opslaan acquisities". Er verschijnt een dialoogvenster met meerdere opties. Selecteer naast bestandstype in het dialoogvenster, .tiff uit de drop-down menu.
      1. Selecteer "Download opties" tab onder aan het dialoogvenster en klik op "Bladeren". Bovenaan in het dialoogvenster toevoegen de naam van de map voor de test. Zoek in het dialoogvenster "Browse" en kies gewenste locatie (bijvoorbeeld een externe harde schijf) en de juiste map. Zodra de map is geselecteerd, klik op "OK" vervolgens "Opslaan". Het downloaden manager venster zal verschijnen. Het bestand zal beginnen om te dragen en worden opgeslagen op de bestandslocatie opgegeven in de submap 001. Zodra het beeld heeft overgedragen, zal een statusvak "Gereed" op het scherm verschijnen.
      2. Afbeelding uit de camera verwijderen door te klikken op de knop Rode verwijderen.
         Opmerking: Het protocol kan hier worden gepauzeerd.

3. verzamelen van gegevens

Opmerking: Als het protocol is onderbroken, zal de camera moet opnieuw worden gestart. Volg stap 3.1. Als het protocol niet is onderbroken, gaat u naar stap 3.1.2.

1. Start camerasoftware en inschakelen van de verlichting zoals aangegeven in stap 2.
   1. Met de software van de camera geactiveerd, Controleer lichtomstandigheden en live zoals beschreven in stap 2.2.2 uitvoeren. om de juiste focus.
   2. Kies een totale bewerkingstijd van experimentele,
      Opmerking: Twee concurrerende eisen moet worden voldaan: i) moet lang genoeg zijn dat statistisch stationaire graan stromingscondities instellenin, en ii) mag niet zo lang over het produceren van grote hoeveelheden overbodige gegevens. De tijdschaal waarop stationaire voorwaarden weergegeven moet worden bepaald door trial and error. Verschillende methoden, van verschillende strengheid, kunnen worden gebruikt. For example, i) ervoor te zorgen dat de tijd gemiddeld graan snelheid op een vast punt, of op meerdere vaste punten, een nominaal vaste omvang of magnitude bereikt, of ii) zorgen dat, naast de stationaire middelen, afwijkingen van de overeenkomstige ook op zich nominaal vaste nemen magnitude. Voor dit experiment, was de gegevens verzameld voor 10.12 s, overeenkomt met de overname van 5060 frames. Stabiele condities in de stroom van graan zoals in na ongeveer 1 s.
2. Activeer de triltrommel.
   1. Verspreiden van 150 mL afwerking/smeerolie compound (stap 1.2.4) gelijkmatig rond de kom te bieden eerste bevochtiging van de media; en plaats dan kruik met resterende samengestelde op de vloer met een slang aan de peristaltische pomp gekoppeld. Activeer de slangenpomp (zoals ingesteld in stap 1.2.4) door de schakeloptie flipping uit "off" naar "rechtsom".
   2. Triltrommel inschakelen door aan te sluiten op een stopcontact en wacht minimaal een minuut om ervoor te zorgen zelfs bevochtiging en stabiele vloeiende bewegingen in de media (gestage vloeiende bewegingen treedt op als de stroom van de vloeistof uit de slangenpomp die in de kom ongeveer gelijk aan de stroom van vocht aftappen van de afvoer van de kom.
3. Het vastleggen van Video en verzamelen gegevens.
   1. Zodra vloeistof bereikt gestage beweging (stap 3.2.2), de camera activeren door te klikken op het rode record pictogram op het computerscherm en klik vervolgens op de rode trigger vinkje aan record beelden voor de gekozen tijd duur, . De camera registreert beelden voor de opgegeven en die beelden opslaan in het interne geheugen. Figuur 2a is een voorbeeld van een enkele afbeelding uit een set van 5060 beelden genomen.
   2. Zodra de gegevens worden verzameld, vibrerende systeem afsluiten door de stekker uit het stopcontact en deactiveren van de peristaltische pomp door het omkeren van de overgang van "met de klok mee" op "off".
      Opmerking: Het protocol kan hier worden gepauzeerd.

4. Video procesgegevens met PIV

1. De high speed camera afbeeldingen voorbereiden voor PIV verwerking.
   1. De verworven afbeeldingen opslaan als TIFF-bestanden na de procedures die worden beschreven in stap 2.1.9. (In het huidige systeem, 5060 afbeeldingsframes verzamelde meer dan 10.12 s neemt meer dan een uur over te dragen). Zodra de afbeeldingen zijn overgezet, wordt een vak 'Gereed' status weergegeven op het scherm. De bestanden worden opgeslagen in dezelfde map als de kalibratie-bestand in een submap geïdentificeerd als 002. Beelden uit de camera verwijderen.
   2. Zet de kleurenafbeeldingen in grijswaardenafbeeldingen om verwerking door de PIV-software. Upload de beelden naar de software van de analyse van de gegevens met behulp van een "imread()"-functie. Zet een kopie van de beelden met behulp van de functie van "rgb2gray()" en opslaan/schrijf deze nieuwe beelden in een nieuwe map met behulp van de functie van "imwrite()".
      Opmerking: Deze functie van procesgegevens/analyse is beschikbaar voor meerdere soorten software van de analyse van de gegevens en is geschreven als een compleet programma door de onderzoeker. Figuur 2 c is een voorbeeld van een ingezoomde afbeelding nadat het is omgezet in grijswaarden en is verwerkt door PIV.
2. PIV-software gebruiken voor het berekenen van snelheid velden.
   1. Gebruik de wizard Importeren om het aantal grijswaardenafbeeldingen als één Frameafbeeldingen importeren met de PIV Softwareomgeving. Beginnen de invoer door te klikken op "Bestand" en selecteer "Import" en "Afbeeldingen importeren".  Het dialoogvenster Afbeelding importeren wizard verschijnt.  Kies "Single Frame" importoptie in het menu en klik op 'Voeg afbeeldingen toe' knop.  Selecteer kalibratie-afbeelding en klik op "Open", die wordt de afbeelding toegevoegd aan de lijst van het dialoogvenster "Beelden om te importeren".  Wanneer u afbeeldingen importeert, de kalibratie-afbeelding (stap 2.1.9) eerst toevoegen zodat het de bovenste afbeelding in de lijst importeren.  Klikt u nogmaals op "Voeg afbeeldingen toe" knop en alle gegevens afbeeldingen markeren en klik op "Openen" om het toevoegen van hen aan het dialoogvenster "Beelden om te importeren".  Zodra alle gewenste afbeeldingen zijn geselecteerd, klikt u op "Volgende". Ingang van de camera-instellingen gebruikt, frame rate en pixel pitch opnemen in de dialoogvensters. Klik op "Volgende" en "Finish" om te voltooien van het importproces.
   2. Scheiden van het beeld van de kalibratie van de afbeelding instellen en invoer lengte schaal parameters in de PIV-software.
      1. Als de lijst van de inhoud nog niet wordt weergegeven, klik met de rechtermuisknop de set van de geïmporteerde afbeelding en selecteer "Inhoud weergeven" aan de linkerzijde van het scherm in de gegevensstructuur van de basis. Ervan uitgaande dat de kalibratie-beeld was het eerste geïmporteerde image, klik met de rechtermuisknop de tweede afbeelding in de lijst en selecteer "Split Ensemble from Here". Slepen en neerzetten van de zojuist gemaakte afbeelding instellen (met alleen de kalibratie afbeelding) naar de locatie aan de linkerkant van het scherm met het label "Nieuwe kalibratie".
      2. Klik met de rechtermuisknop de set van nieuw geplaatste kalibratie afbeelding en selecteer "Maatregel schaalfactor". Wanneer de kalibratie-afbeelding op het scherm verschijnt, positiemarkeringen de "A" en "B" op de in-beeld liniaal (of ander object van grootte kent als heerser werd niet gebruikt) en de inbreng van de afstand tussen de markeringen in het tekstvak "Absolute afstand". Klik op "OK" in het dialoogvenster "Maatregel schaalfactor", die zal de kalibratie-instelling opslaan en sluit het dialoogvenster en het beeld van de kalibratie.
   3. Een set van afbeelding paren maken door te selecteren op de set van de geïmporteerde afbeelding en klik op "Analyseren". Selecteer daarna "Dubbel Frame maken" uit de lijst met beschikbare analysemethoden. Kies '(1-2, 2-3, 3-4... (N-1) dubbele beelden) "optie stijl.
      1. Open van elke afbeelding in de set van de afbeelding (met uitzondering van kalibratie afbeelding) en klik met de rechtermuisknop op de afbeelding en selecteer "Deeltje dichtheid". Een dialoogvenster vak weergegeven: erkend deeltjes zal verschijnen op het scherm. Op zal uiterlijk vertoon een ingezoomd met het oog op het gebied van een sonde. Klik op het tabblad instellingen in dit dialoogvenster en wijzig "Gebied van de grootte van de sonde" totdat een minimum van 3 deeltjes zijn consequent gezien op het gebied van de sonde.  Deze sonde oppervlakte zullen de ondervraging oppervlakte ingegeven in stap 4.2.5.
   4. De opdracht "Analyseren" op de geselecteerde afbeelding instellen om te kiezen van PIV verwerking algoritme en bijbehorende parameters. Selecteer de methode van de "Adaptive correlatie" en definiëren van het gebied van pixels die worden gebruikt voor het definiëren van een vector in de ruimte in stap 4.2.5. (Dit proces verdeelt afbeeldingen in een raster van n × n pixel "Ondervraging gebieden")
   5. Stel de ondervraging gebied grootte door het lokaliseren van het tabblad "Ondervraging gebieden" en een van de formaten beschikbaar ondervraging gebied tussen het minimum van 8 pixels en het maximum van 256 pixels te selecteren (voor deze methode, 32 x 32 pixels werd gebruikt). Voer de waarde bepaald in stap 4.2.3.1.
      1. Toevoegen om te verhogen van de dichtheid van vectoren gemaakt, ondervraging gebied "Overlappen" percentage door te kiezen voor de overlapping van 0%, 25%, 50% of 75% van de drop-down menu.
   6. Analyses leiden tot gemeten graan snelheid gebied door te kiezen voor "OK" in het dialoogvenster "Adaptive correlatie" uit te voeren. Het systeem zal beginnen analyse.  Terwijl het systeem de gegevens verwerkt, verschijnen de eerste vector-kaart op het scherm. Inspecteer de eerste verschillende velden van de snelheid om te bepalen als zij bevredigend door geschatte snelheid en richting zoals te zien in Figuur 2 cweergegeven. Als het veld snelheid niet realistisch, annuleren de analyse-sessie, herhaal stap 4.2.4 en analyse-instellingen wijzigen. (Wanneer de analyse is voltooid, een vectoring veld, verspreid over de FOV, zal worden gemaakt voor elk paar van de afbeelding in de set (stap 4.2.3)). Figuur 2 c toont een voorbeeld bevredigend vectorveld tijdens de analyseproces dat geweest op een afbeelding met grijstinten bedekt is.
      Opmerking: Voor elke n × n ondervraging pixelgebied vergelijkt de PIV-software het patroon van de heldere vlekken sub-grain-schaal binnen het gebied van de ondervraging tegen de bijbehorende patronen die zijn vastgelegd in de volgende afbeelding. Uit deze vergelijking, bepaalt de PIV-software een gebied-gemiddeld verplaatsing vector, , en tot slot door het verdelen van door het tijdsinterval tussen de frames, , de gemiddelde snelheid, waar verwijst naar ondervraging gebied . In de huidige experimenten, elk verhoor gebied bestond uit n x n = 32 x 32 pixels; het totale aantal ondervraging gebieden controledoeleinden elke 210 x 160 mm FOV was dus 47 x 35, overeenkomt met 1504 x 1128 pixels.

5. procesgegevens vibrationele

Opmerking: Stap 5 kan worden gedaan tegelijkertijd met stap 4 als verschillende computersystemen of software van de analyse wordt gebruikt.

1. Open de software van de analyse van de gegevens en met behulp van de "load()"-functie te brengen in de versnellingsmeter gegevens die werd verkregen toen de triltrommel leeg (stap 1.2.2). Een snelle fourier transformatie van de gegevens met behulp van de functie van "fft()". Maak een figuur van de gegevens met behulp van de functie "plot". Herhaal met de gegevens die werd verkregen toen de triltrommel media aanwezig (stap 1.2.5).
   Opmerking: Deze functie van procesgegevens/analyse is beschikbaar voor meerdere soorten software van de analyse van de gegevens en is geschreven als een compleet programma door de onderzoeker.
   1. Om moleculaire hydrodynamische processen te bestuderen, zijn een aantal gegevensverwerkingen in het algemeen vereist. Zie de vertegenwoordiger resultaten en discussie secties hieronder voor overzichten van de belangrijkste verwerking procedures; Zie Keanini, et al.. (2017) ¹² voor meer informatie over hoe gemeten PIV data kan worden gebruikt om dynamische informatie op moleculaire hydrodynamische systemen te extraheren.

Resultaten

Representatieve resultaten te presenteren, verwijzen we naar continuüm-tijd-schaal processen als die waargenomen en voorspelde over termijnen, zijn lang ten opzichte van de karakteristieke graan botsing tijdschaal, en deeltje-tijd-schaal verwerkt als die waargenomen en ...

Discussie

Om te gebruiken universele graan stapels als macroscopische analogen voor het onderzoek naar moleculaire hydrodynamische processen, een Vejle moet, aan de ene kant leren en gebruiken van vier fundamentele metingen, en anderzijds, meester een paar basiselementen van evenwicht en niet-evenwichts statistische mechanica. Richt zich eerst op experimentele metingen, hierbij: i) meting van individuele graan dynamiek door meting van de snelheid van de single-deeltje autocorrelatiefunctie, ii) meting van de gemiddelde/lange-tijd-...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Vibratory Polishing Bowl	Raytech	AV-75
Flow Meter	Peristaltic Pumps	913 Mity Flex
Scale	Pelouze	4040
Triaxial Accelerometer	PCB Piezotronics	PCB 356B11	Accelerometer met sensor signaalversterker
Data Acquisition Computer	IBM	Thinkpad	Gebruikt met hogesnelheidscamera
High Speed Camera	Redlake	Motionxtra HG-XR
Zoom Lens	Tamron	Model A18	18-250mm F/3.5-6.3
High intensity Light	ARRI	EB 400/575 D
Data Processing Computer	Dell	Dell Precision Tower 7910
PIV Software	Dantec Dynamics	Dynamic Studio 2013	versie 3.41.38
Data Acquisition Hardware	National Instruments	SCXI	SCXI-1000 Chasis met SCXI 1100 Card en SCXI 1303 Adapter
Data Acquisition Software	National Instruments	LabVIEW 2012
Data Processing Software	MATHWORKS	MATLAB
Polishing Media	Rosler	RSG 10/10S	Meerdere mediatypen gebruikt (gemengd, sferisch, driehoekig)
Polishing Solution	Rosler	FC KFL (3%)	3% zeep oplossing met water
Ruled Scale	Swiss Precision Instruments	13-911-3
Graduated Cylinder	Global Scientific	601082