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

Het algemene doel van het volgende experiment is om de impactdynamiek van niet-Newtoniaanse druppels van vloeibare metalen en dichte granulaire suspensies te bestuderen met behulp van een snelle beeldvormingstechniek. Dit wordt bereikt door een installatie met een hogesnelheidscamera op te stellen om de instantane dynamiek te visualiseren wanneer druppels een oppervlak raken. Voer als tweede stap een reeks impactexperimenten met vloeibare metalen uit om informatie te verkrijgen over hoe de door oxidatie geïnduceerde oppervlakteelasticiteit de spreidingsstraal beïnvloedt.

Voer vervolgens impactexperimenten uit met dichte suspensies om hun splash-onset en spreidingsdynamiek te onderzoeken. De resultaten laten zien dat verschillende vloeistofparameters, zoals de effectieve oppervlaktespanning, viscositeit, impactsnelheid en de diameter van de gesuspendeerde deeltjes, gezamenlijk de impactdynamiek van niet-Newtoniaanse druppels bepalen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van dichte suspensies, zoals wanneer het gedrag van een systeem kan worden beschreven aan de hand van de globale eigenschappen of wanneer individuele deeltjes in overweging moeten worden gebracht.

Hoewel deze meting inzicht kan bieden in de impactdynamiek van complexe vloeistoffen, kan deze ook worden toegepast op de observatie van andere processen met een snelle dynamiek, zoals de vorming van breuktoestanden, het vast worden van vloeistofdruppels bij het afscheuren en de snelle beweging van deeltjes in korrelsystemen. Begin met het voorbereiden van de beeldvormingsopstelling. Een onderdeel hiervan is een verticale rail die geschikt is om een houder voor een spuitenpomp te ondersteunen, waardoor de spuitenpomp naar verschillende hoogtes kan worden verplaatst om de vrije valhoogte van de testvloeistof aan te passen.

Naast het spoor bevindt zich een frame dat een schone glasplaat ondersteunt, die dient als horizontaal impactvlak. Zorg ervoor dat het oppervlak van de plaat horizontaal is uitgevlakt. Positioneer een schuine reflecterende spiegel onder het glasoppervlak om de impact van de druppel van onderaf te kunnen visualiseren.

Bevestig vervolgens ondoorzichtig wit papier boven de glasplaat om het licht te reflecteren, ter ondersteuning van de observatie van onderaf om de impact van vloeibaar metaal in beeld te brengen. Plaats een transparante papieren diffuser tegenover de kijkrichting om de beeldvorming van de zijaanzicht te ondersteunen. Plaats vervolgens een lichtbron in het gebied achter de diffuser.

Schakel de lichtbronnen in om het inslaggebied gelijkmatig te verlichten. Stel nu een camera met een geschikte lens op een statief waterpas in, zodat het oppervlak kan worden gefotografeerd. Verbind de camera met een computer voor aansturing en weergave.

Begin de monstervoorbereiding met gallium-indium-utic dat in een afgesloten container bij kamertemperatuur is bewaard. Gebruik een pipet om drie milliliters uit de container te halen. Neem een acrylplaat en extrudeer het gallium-indium-UTA hierop. Wacht 30 minuten tot het monster volledig in de lucht is geoxideerd.

Een dunne laag geoxideerde huid zal het sampleoppervlak volledig bedekken. Neem de juiste voorzorgsmaatregelen voor het werken met zoutzuur en bereid een zuurbad van 200 milliliter voor in een TER-vat. De concentratie van het bad is een experimentele parameter.

Plaats de sample in het zuurbad. Gebruik een TER om de sample 10 minuten lang te scheren bij 60 omwentelingen per seconde. Zodra het zure voorwassen is voltooid, verwijdert u het bad uit de ReMeter.

Gebruik een plastic spuit van twee milliliter met een stalen naaldpunt van één tot twee millimeter om 1,5 milliliter gallium-indium-actic als monsterextract uit het bad te onttrekken. Het monster is nu gereed voor gebruik en experimenten. Monteer de spuit op de spuitpomp voor de monstervoorbereiding van dichte suspensies.

De experimenten beginnen met een commerciële spuit waarvan het uiteinde is afgesneden om deze als cilindrische buis te gebruiken voor het dispenseren van de suspensie. Om de spuit te vullen, wordt eerst een bak met water gepakt. Plaats het uiteinde van de spuit in het water en trek de zuiger naar achteren om de spuit te vullen, waarbijse wordt gecontroleerd of er geen luchtbellen aanwezig zijn.

Houd vervolgens de spuit vast met de open zijde naar boven. Vul de spuit met sferische zirconiumdioxide- of glaskralen totdat deze vol is, waarbij het water kan uitlopen. Gebruik een scheermesje om overtollige aan elkaar gehechte partikels aan de bovenzijde te verwijderen, zodat dit uiteinde vlak blijft.

Keer de spuit om en monteer deze op het pompoppervlak. De spanning voorkomt dat de partikels eruit vallen. Neem voordat u video's opneemt maatregelen om de beeldvormings- en verlichtingssystemen af te stellen en de ruimtelijke resolutie te kalibreren.

Start eerst de spuitpomp om de vloeistof met een snelheid van 20 milliliters per uur uit te stoten. Wacht tot de vloeistof, een dichte suspensie, loskomt van de spuit en valt om een testimpact op het glazen oppervlak te maken. Zodra de impact heeft plaatsgevonden, schakelt u de spuitpomp uit.

Pas vervolgens de positie en oriëntatie van de camera aan tot de splat op de monitor zichtbaar is. Stel daarna de reproductieverhouding van het beeld in op één-op-één en pas de werkafstand aan zodat het beeld zich in het brandvlak bevindt, waarbij de camera is ingesteld op een framerate van meer dan 6.000 frames per seconde. Varieer de diafragmaopening, belichtingstijd en belichtingshoek om een beeld van de beste kwaliteit te verkrijgen.

Zodra de camera-instellingen zijn bepaald, plaatst u een liniaal in het gezichtsveld op de monitor. Gebruik de liniaal om de ruimtelijke resolutie te berekenen door het aantal pixels te tellen dat in één centimeter past. Zorg ervoor dat er geen verschil in resolutie is tussen de horizontale en verticale richtingen.

Nadat het beeldvormingssysteem is gekalibreerd, wordt de spuitpomp opnieuw gestart op 20 milliliters per uur. Bereid tegelijkertijd de software voor de camerabesturing voor om het impactproces te monitoren voordat de gegevens worden geregistreerd. Oefen met het nauwkeurig observeren van de vorming van de druppel, zodat de camera handmatig kan worden geactiveerd op het moment dat de druppel loslaat van de spuitmond.

Nadat de gegevens zijn geregistreerd, wordt de video bewerkt tot het gedeelte waarin de impact plaatsvindt en wordt deze opgeslagen als een beeldreeks voor analyse. De snelle beeldvormingstechniek is gebruikt om de impact van gallium-indium-legeringen met verschillende oxiden te bestuderen. De sterkte van de huid werd bepaald door het zuur.

De voorafgaande wasbehandeling die hier wordt getoond, bestaat uit beelden waarop de verspreiding te zien is van drie verschillende preparaten bij impact op een glazen oppervlak. Elke druppel viel vanaf dezelfde spuitmondhoogte en raakte het oppervlak met een snelheid van ongeveer één meter per seconde. De initiële drupeldiameter was 6,25 millimeter zonder voorafgaande wasbehandeling.

Een oxidelaag voorkomt dat de vloeistof de oppervlakte-energie verlaagt, wat resulteert in een niet-sferische vorm tijdens de valfase; het wassen van de monsters en het gebruik van zuur verminderen de oxidatie en verzwakken het effect van de huid. Bij voldoende hoge zuurconcentraties wordt er geen verschil waargenomen tussen gallium, indium en gewone vloeistoffen.

De gegevens maken een demonstratie mogelijk van de overgang van het capillaire regime naar het viskeuze regime. De gegevens vallen samen tot één enkele curve wanneer de ratio van de initiële tot de uiteindelijke straal pm gedeeld door het vijfdemachtwortel van het Reynolds-getal wordt uitgezet tegen de ratio van een effectief Weber-getal en het Reynolds-getal tot de macht vier vijfde; het begin van het spatten in een dichte suspensie is bestudeerd in het regime waarin viskeuze dissipatie verwaarloosbaar is in vergelijking met inertie-effecten. Dit is het fasendiagram van het spatten voor verschillende deeltjesdichtheden en radii, waarvan het product op de horizontale as is weergegeven.

De verticale as is het partikel-Webergetal zoals gedefinieerd in het manuscript. De rode cirkels geven aan dat er altijd een spatting werd waargenomen. De inzet toont een typisch beeld van een spatting.

Blauwe stippen komen overeen met geen spettering gevonden. De tweede inzet is een voorbeeld van een afbeelding zonder spettering. Gevallen waarin zowel een spettering als geen spettering zijn gevonden, worden aangegeven met groene vierkanten.

Het experiment is voor elk punt 10 keer herhaald. De resultaten zijn consistent met een kritiek Weber-getal van ongeveer 14 plus of minus twee. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te oefenen met het maken van de monsters en de pakkingsfractie regelmatig te bepalen, zodat u er zeker van bent dat u de monsters consistent kunt vervaardigen.

Dit zal ervoor zorgen dat uw experimentele resultaten reproduceerbaar zijn na de ontwikkeling ervan. Deze techniek heeft de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in het veld van complexe vloeistoffen om de impactdynamiek van uiteenlopende vloeistofsystemen te onderzoeken.