Artykuł metodologiczny

Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

DOI:

10.3791/51249

⸱

5 marca 2014

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Wpływ kropli płynów nienewtonowskich jest złożonym procesem, ponieważ różne parametry fizyczne wpływają na dynamikę w bardzo krótkim czasie (mniej niż jedna dziesiąta milisekundy). Wprowadzono technikę szybkiego obrazowania w celu scharakteryzowania zachowań zderzeniowych różnych płynów nienewtonowskich.

Streszczenie

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

W dziedzinie mechaniki płynów, wiele procesów dynamicznych nie tylko zachodzi w bardzo krótkim odstępie czasu, ale także wymaga wysokiej rozdzielczości przestrzennej do szczegółowej obserwacji, scenariusze, które utrudniają obserwację za pomocą konwencjonalnych systemów obrazowania. Jednym z nich jest uderzenie cieczy w krople, które zwykle następuje w ciągu jednej dziesiątej milisekundy. Aby sprostać temu wyzwaniu, wprowadzono technikę szybkiego obrazowania, która łączy szybką kamerę (zdolną do wykonywania do miliona klatek na sekundę) z obiektywem makro o dużej odległości roboczej, aby obniżyć rozdzielczość przestrzenną obrazu do 10 μm/piksel. Technika obrazowania umożliwia precyzyjny pomiar istotnych wielkości dynamicznych płynów, takich jak pole przepływu, odległość rozlewania i prędkość rozpryskiwania, na podstawie analizy zarejestrowanego wideo. Aby zademonstrować możliwości tego systemu wizualizacji, scharakteryzowano dynamikę zderzeń, gdy krople płynów nienewtonowskich uderzają o płaską, twardą powierzchnię. Rozważane są dwie sytuacje: w przypadku utlenionych kropelek ciekłego metalu skupiamy się na rozprowadzaniu, a w przypadku gęsto upakowanych zawiesin określamy początek rozpryskiwania. Mówiąc bardziej ogólnie, wprowadzone tutaj połączenie wysokiej rozdzielczości obrazowania czasowego i przestrzennego oferuje korzyści w badaniu szybkiej dynamiki w szerokim zakresie zjawisk w mikroskali.

Wprowadzenie

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

Uderzenie kropli w twardą powierzchnię jest kluczowym procesem w wielu zastosowaniach, takich jak produkcja elektroniki1, powlekanie natryskowe2 i produkcja addytywna przy użyciu druku atramentowego3,4, gdzie pożądana jest precyzyjna kontrola rozprzestrzeniania się i rozpryskiwania kropli. Jednak bezpośrednia obserwacja wpływu upadku jest technicznie trudna z dwóch powodów. Po pierwsze, jest to skomplikowany proces dynamiczny, który zachodzi w skali czasowej zbyt krótkiej (~100 μs), aby można go było łatwo zobrazować za pomocą konwencjonalnych systemów obrazowania, takich jak mikroskopy optyczne i lustrzanki cyfrowe. Fotografowanie z lampą błyskową może oczywiście robić zdjęcia znacznie szybciej, ale nie pozwala na ciągłe nagrywanie, co jest wymagane do szczegółowej analizy ewolucji w czasie. Po drugie, skala długości wywołana niestabilnością uderzenia może wynosić nawet 10 μm5. Dlatego, aby ilościowo zbadać proces zderzenia, często pożądany jest system, który łączy ultraszybkie obrazowanie z rozsądnie wysoką rozdzielczością przestrzenną. Wobec braku takiego systemu, wczesne prace nad uderzeniami kropel koncentrowały się głównie na globalnej deformacji geometrycznej po uderzeniu6-8, ale nie były w stanie zebrać informacji na temat wczesnych procesów nierównowagowych związanych z uderzeniem, takich jak początek rozprysków. Ostatnie postępy w szybkim filmowaniu płynówCMOS 9,12 spowodowały, że liczba klatek na sekundę wzrosła do miliona kl./s, a czasy naświetlania spadły poniżej 1 μs. Co więcej, nowo opracowane techniki obrazowania CCD mogą zwiększyć liczbę klatek na sekundę znacznie powyżej miliona kl./sw godzinach 9-12. Z drugiej strony rozdzielczość przestrzenną można zwiększyć do rzędu 1 μm/piksel za pomocą soczewek powiększających12. W związku z tym możliwe stało się zbadanie w niespotykanych dotąd szczegółach wpływu szerokiego zakresu parametrów fizycznych na różne etapy uderzenia kropli oraz systematyczne porównywanie doświadczenia i teorii5,13-16. Na przykład stwierdzono, że przejście rozpryskowe w płynach newtonowskich jest wyznaczone przez ciśnienie atmosfery5, podczas gdy reologia wewnętrzna decyduje o dynamice rozprzestrzeniania się płynów o granicy plastyczności17.

Tutaj wprowadzono prostą, ale potężną technikę szybkiego obrazowania, która została zastosowana do badania dynamiki uderzeń dwóch rodzajów płynów nienewtonowskich: ciekłych metali i gęsto upakowanych zawiesin. Pod wpływem powietrza zasadniczo wszystkie ciekłe metale (z wyjątkiem rtęci) spontanicznie rozwijają na swojej powierzchni tlenkową powłokę. Stwierdzono, że pod względem mechanicznym skóra zmienia efektywne napięcie powierzchniowe i zdolność zwilżania metali18. W poprzednim artykule15 kilku autorów badało ilościowo proces rozprzestrzeniania się i było w stanie wyjaśnić, w jaki sposób efekt naskórka wpływa na dynamikę uderzenia, zwłaszcza skalowanie maksymalnego promienia rozprzestrzeniania się z parametrami uderzenia. Ponieważ ciekły metal ma wysoki współczynnik odbicia powierzchniowego, podczas obrazowania wymagana jest staranna regulacja oświetlenia. Zawiesiny składają się z małych cząstek w cieczy. Nawet w przypadku prostych cieczy newtonowskich dodanie cząstek powoduje zachowanie nienewtonowskie, które staje się szczególnie widoczne w gęstych zawiesinach, tj. przy dużym udziale objętościowym zawieszonych cząstek. W szczególności początek rozpryskiwania, gdy kropla zawiesiny uderza w gładką, twardą powierzchnię, był badany w poprzedniej pracy16. Zarówno interakcje ciecz-cząstka, jak i międzycząsteczkowe mogą znacznie zmienić zachowanie rozpryskiwania w stosunku do tego, czego można by się spodziewać po prostych cieczach. Aby śledzić cząstki o wielkości zaledwie 80 μm w tych eksperymentach, potrzebna jest wysoka rozdzielczość przestrzenna.

Kombinacja różnych wymagań technicznych, takich jak wysoka rozdzielczość czasowa i przestrzenna, oraz możliwość obserwacji oddziaływań zarówno z boku, jak i od dołu, może być spełniona dzięki opisanemu tutaj zestawowi obrazowania. Postępując zgodnie ze standardowym protokołem, opisanym poniżej, dynamika uderzenia może być badana w kontrolowany sposób, jak pokazano wyraźnie dla zachowania rozprzestrzeniania się i rozpryskiwania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Szybka konfiguracja obrazowania (patrz rysunek 1)

  1. Zacznij od ustawienia pionowego toru, wzdłuż którego można swobodnie przesuwać pojemnik wypełniony badanym płynem, aby dostosować prędkość uderzenia. Płyn opuszcza dno pojemnika przez dyszę, a następnie wchodzi w swobodny spadek. W przypadku tej pracy wysokość spadania zmieniała się w zakresie od 1 do 200 cm, aby uzyskać prędkość uderzenia V0 = (0,4-6,3)±0,15 m/sek.
  2. Zbuduj i zamontuj ramę, aby utrzymać poziomą płaszczyznę uderzenia, zwykle szklaną płytę, pod którą umieszczone jest nachylone lustro odblaskowe w celu wizualizacji uderzenia kropli od dołu.
  3. Umieść czystą i gładką szklaną płytkę na uchwycie. Upewnij się, że płyta jest wypoziomowana w poziomie.
  4. Zamontuj pompę strzykawkową na torze pionowym.
  5. W przypadku uderzenia ciekłym metalem umieść przezroczysty papierowy dyfuzor za dyszą, aby uzyskać obrazowanie z boku. W tym samym czasie przymocuj biały nieprzezroczysty papier nad pompą strzykawkową, aby wytworzyć odbicie dla dołu view(patrz Rysunek 1). Następnie zlokalizuj źródło światła za dyszą.
  6. Aby uzyskać gęste uderzenie zawieszenia, nie jest potrzebny dyfuzor. Zamiast tego wystarczy umieścić źródło światła przed płaszczyzną obrazowania.
  7. Wybierz obiektyw makro o odpowiedniej ogniskowej dla żądanego powiększenia i optycznej odległości roboczej. Następnie podłącz obiektyw do aparatu.
  8. Zamontuj aparat na statywie i dostosuj wysokość aparatu do perspektywy obrazowania (z boku lub z dołu).

2. Przygotowanie próbki

  1. Przygotowanie utlenionego ciekłego metalu
    1. Przechowywać galowo-indowy eutektyk (eGaIn) w szczelnie zamkniętym pojemniku. Ponieważ jego temperatura topnienia wynosi około 15 °C, eGaIn pozostaje w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej.
    2. Za pomocą pipety wyekstrahuj 3 ml eGaIn z pojemnika i wyciśnij go na akrylową płytkę. Odczekać 30 minut, aż próbka zostanie całkowicie utleniona w powietrzu. W konsekwencji cienka warstwa pomarszczonej, utlenionej skóry całkowicie pokrywa powierzchnię próbki.
    3. Użyj kwasu solnego (HCl; "UWAGA") o różnych stężeniach do wstępnego mycia próbki eGaIn i kontrolowania utleniania powierzchni. W szczególności należy ścinać próbkę, gdy znajduje się w kąpieli kwasowej, z szybkością ścinania 60 sekund-1 za pomocą reometru. Po 10 minutach ścinania poziom powierzchniowego utlenienia próbki osiąga równowagę, wyznaczoną przez stężenie HCl15,18.
    4. Po tym praniu wstępnym użyj plastikowej strzykawki ze stalową końcówką dyszy, aby usunąć eGaIn z kąpieli.
    5. Zamontuj strzykawkę na pompie strzykawkowej i przygotuj się do eksperymentu.
  2. Przygotowanie gęstych zawiesin
    1. Odciąć koniec dostępnej w handlu strzykawki (o promieniu 4,5 mm lub 2,3 mm) i użyć go jako cylindrycznej rurki do dozowania gęstej zawiesiny.
    2. Odciągnąć tłok i napełnić strzykawkę wodą aż do otwartego końca, upewniając się, że nie ma pęcherzyków powietrza.
    3. Do strzykawki włożyć kuliste kulki ZrO2 lub szklane. Wraz z sedymentacją cząstek woda wyleje się z dyszy. Napełnić strzykawkę cząstkami stałymi aż do otwartego końca. Zawieszenie zatnie się pod wpływem grawitacji.
    4. Użyj żyletki, aby usunąć dodatkowe zwilżone cząstki z góry, aby ten koniec był płaski.
    5. Odwróć dyszę i zamontuj ją na pompie strzykawkowej. Napięcie powierzchniowe zapobiegnie wypadaniu cząstek16.

3. Kalibracja

Przed zebraniem filmów należy ustawić parametry urządzenia do obrazowania i zakończyć wyrównywanie oświetlenia. Należy również skalibrować rozdzielczość przestrzenną.

  1. Uruchomić pompę strzykawkową z prędkością 20 ml/h, aby wypchnąć płyn (ciekły metal lub zawiesinę) z dyszy.
  2. Poczekaj, aż płyn oderwie się od strzykawki, utworzy kroplę i odpadnie, aby wykonać próbne uderzenie w szklane podłoże.
  3. Dostosuj pozycję kamery, w tym jej pozycję pionową i orientację obrazowania, aby znaleźć plamę na monitorze komputera, który łączy się z kamerą. Zmodyfikuj odległość roboczą, aby ustawić obraz tak, aby znajdował się w płaszczyźnie ogniskowej, gdy współczynnik odwzorowania obiektywu jest ustalony na 1:1.
  4. Zmieniaj rozmiar przysłony, czas naświetlania i kąt oświetlenia, aby uzyskać najlepszą jakość obrazu, gdy liczba klatek na sekundę jest wystarczająco wysoka (>6 000 kl./s). Rysunek 2(a) przedstawia typowe obrazy wykonane przez kamerę zarówno dla ciekłego eGaIn, jak i gęstej zawiesiny.
  5. Umieść linijkę w polu widzenia (patrz Rysunek 2(b)) i oblicz rozdzielczość przestrzenną, zliczając, ile pikseli mieści się w 1 cm. Upewnij się, że nie ma różnicy w rozdzielczości między kierunkiem poziomym i pionowym.
  6. Postępuj zgodnie z 3-etapowym procesem, aby zmierzyć frakcję upakowania gęstej kropli zawiesiny:
    1. Zmierz masę całego rozprysku zaraz po uderzeniu (np. pozwalając, aby kropla wpadła do miarki, którą można dokładnie zważyć).
    2. Następnie odparować cały rozpuszczalnik za pomocą grzałki i ponownie zważyć rozpryskiwanie, aby uzyskać masę cząstek.
    3. Oblicz objętość cząstek i cieczy, aby uzyskać frakcję uszczelnienia. Zazwyczaj ten ułamek objętościowy powinien wynosić około 60%.
  7. W zależności od kierunku obserwacji (od dołu lub z boku) ustaw kamerę w odpowiedni sposób. W szczególności umieść kamerę obok podłoża, aby uzyskać widok z boku lub na tym samym poziomie lustra odbijającego w celu obrazowania z dołu.

4. Nagrywanie wideo i akwizycja danych

  1. Po kalibracji obrazowej należy ponownie uruchomić pompę strzykawkową. W tym samym czasie otwórz oprogramowanie sterujące kamerą, aby monitorować proces uderzenia.
  2. Ustaw numery klatek po wyzwoleniu na mniej więcej połowie długości filmu. Obserwuj uważnie, kiedy kropla zaczyna się formować i ręcznie uruchom kamerę w momencie, gdy kropla odczepi się od dyszy. Wykonaj kilka testów praktycznych przed zarejestrowaniem danych.
  3. Po zarejestrowaniu danych przytnij wideo do części zawierającej wpływ i zapisz filmy jako sekwencje obrazów do analizy.

5. Przetwarzanie końcowe i analiza obrazu

  1. Użyj metody wykrywania granic, aby zlokalizować ruchomy front cieczy eGaIn w miarę jej rozprzestrzeniania się, co odpowiada ostremu przejściu w średniej wartości piksela (patrz rysunki 3(a-b)).
  2. Zarówno na dolnych, jak i bocznych obrazach określ początek rozpryskiwania gęstej zawiesiny.
  3. Wykonaj algorytmy śledzenia cząstek, aby uzyskać ślady pojedynczych cząstek, które uciekły z rozprysku (patrz rysunek 3(c)). Następnie oblicz prędkość wyrzucania z takich trajektorii (rysunek 3(d)).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Technika szybkiego obrazowania może być wykorzystana do ilościowego określenia rozprzestrzeniania się i rozpryskiwania dla różnych scenariuszy zderzeń. Rysunek 4(a), na przykład, pokazuje typowe sekwencje obrazów zderzeniowych dla ciekłego eGaIn o różnej wytrzymałości powłoki tlenkowej. Wyrzucając eGaIn z tej samej dyszy i na tej samej wysokości spadania, wytworzono kropelki o powtarzalnej prędkości uderzenia V0 = 1,02±0,12 m/s i promieniu R0 = 6,25±0,10 mm. Lewa kolumna pokazuje wp...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Kilka kroków ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego wykonania szybkiego obrazowania. Po pierwsze, kamera i obiektyw muszą być odpowiednio skonfigurowane i skalibrowane. W szczególności, aby uzyskać wysoką rozdzielczość przestrzenną, współczynnik odwzorowania obiektywu musi być utrzymywany na poziomie zbliżonym do 1:1. Jest to szczególnie ważne w przypadku wizualizacji gęstych zawiesin. Ponadto rozmiar przysłony musi być starannie dobrany do obrazowania. Na przykład obserwacja z boku wymaga większej głębi ostrości, a więc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Podziękowania dla Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marca Miskina i Michelle Driscoll za wiele użytecznych dyskusji oraz Qiti Guo za pomoc w przygotowaniu próbek eksperymentalnych. Praca ta była wspierana przez program MRSEC Narodowej Fundacji Nauki w ramach grantu nr 1. DMR-0820054.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Galowo-indowy eutektykSigma Aldrich495425-25G
Kwas solny Sigma Aldrich320331-2.5L
Tlenek cyrkonuGlen Mills Inc.7200
Phantom V12 i V7 Fast CcameraVision ResearchN/A
105 mm Micro-NikonN/A
12 V / 200 W Źródło światłaDedolightN/A
Pompa strzykawkowaRazelMODEL R9-9E

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Kamera wysokich pr dko cirozdzielczo przestrzennamechanika p yn weksperymenty z uderzeniamipocz tek rozbryzgiwaniazachowanie rozprzestrzeniania sizawiesiny g ste

Powiązane artykuły