Artykuł metodologiczny

Analogowa technika makroskopowa do badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych gazach i cieczach

DOI:

10.3791/56632

⸱

4 grudnia 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of North Carolina at Charlotte

W tym artykule

Podsumowanie

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

Eksperymentalnie dostępna analogowa metoda badania molekularnych procesów hydrodynamicznych w gęstych płynach jest prezentowana. Technika ta wykorzystuje obrazowanie prędkości cząstek wibrujących pryzm zboża o wysokiej restytucji i umożliwia bezpośrednią, makroskopową obserwację procesów dynamicznych, o których wiadomo i przewiduje się, że zachodzą w silnie oddziałujących gazach i cieczach o dużej gęstości.

Streszczenie

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

Opisana jest analogowa, makroskopowa metoda badania procesów hydrodynamicznych w skali molekularnej w gęstych gazach i cieczach. Technika ta wykorzystuje standardową diagnostykę dynamiki płynów, prędkość obrazowania cząstek (PIV), do pomiaru: i) prędkości pojedynczych cząstek (ziaren), istniejących w krótkich skalach czasowych zderzeń ziaren, ii) prędkości układów cząstek, zarówno w krótkich skalach czasu zderzenia, jak i długich, ciągłych przepływów, iii) kolektywnych modów hydrodynamicznych, o których wiadomo, że istnieją w gęstych płynach molekularnych, oraz iv) funkcji autokorelacji prędkości w skali krótko- i długotrwałej, Ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia dynamiki w skali cząstek w silnie oddziałujących, gęstych układach płynów. Podstawowy system składa się z systemu obrazowania, źródła światła, czujników wibracyjnych, systemu wibracyjnego ze znanym medium oraz oprogramowania PIV i analitycznego. Przedstawiono wymagane pomiary eksperymentalne oraz zarys narzędzi teoretycznych potrzebnych przy stosowaniu techniki analogowej do badania procesów hydrodynamicznych w skali molekularnej. Proponowana technika stanowi stosunkowo prostą alternatywę dla metod rozpraszania wiązki fotonicznej i neutronów tradycyjnie stosowanych w molekularnych badaniach hydrodynamicznych.

Wprowadzenie

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

Hydrodynamika molekularna bada dynamikę i mechanikę statystyczną pojedynczych cząsteczek i zbiorów molekuł w płynach. Wśród wielu technik eksperymentalnych opracowanych do badania molekularnych układów hydrodynamicznych1,2, rozpraszanie światła1,2,3, molekularne symulacje dynamiczne4,5,6,7 oraz, w mniejszym stopniu, Najczęściej używane są nieelastyczne rozpraszanie neutronów8. Niestety, dwie ostatnie techniki wiążą się ze znacznymi ograniczeniami. Symulacje dynamiki molekularnej (MD), na przykład: i) są ograniczone do małych przestrzennych i czasowych figure-introduction-1 domen zawierających stosunkowo niewiele cząsteczek figure-introduction-2, ii) wymagają użycia przybliżonych potencjałów międzycząsteczkowych, iii) zazwyczaj wprowadzają okresowe warunki brzegowe, nieważne w warunkach nierównowagowego przepływu masowego, oraz iv) nie mogą obecnie odpowiedzieć na podstawowe pytanie Pytanie o to, w jaki sposób na dynamikę w skali molekularnej, obejmującą pojedyncze cząsteczki lub zbiory cząsteczek, wpływa masowy, nierównowagowy przepływ płynów. Główne ograniczenie związane z rozpraszaniem neutronów wiąże się z trudnością w dostępie do ograniczonej liczby dostępnych źródeł wiązki neutronów.

Aby zapewnić kontekst dla analogowej techniki eksperymentalnej przedstawionej w tym artykule, zwracamy uwagę na techniki rozpraszania światła stosowane do prostych płynów o gęstym gazie i stanie ciekłym. W typowym eksperymencie rozpraszania światła spolaryzowana wiązka światła laserowego jest kierowana na małą objętość badawczą zawierającą nieruchomą próbkę płynu. Światło rozproszone od cząsteczek w próbce jest następnie wykrywane pod pewnym stałym kątem w stosunku do padającej wiązki. W zależności od interesującego nas reżimu dynamiki molekularnej, detekcja i analiza rozproszonego sygnału świetlnego obejmuje metody filtrowania światła lub wykrywania mieszania światła. Jak opisali Berne i Pecora1, techniki filtrowania, które badają dynamikę molekularną stanu płynu w skalach czasowych krótszych niż figure-introduction-3 s, wprowadzają interferometr po rozproszeniu lub siatkę dyfrakcyjną i umożliwiają skanowanie gęstości widmowej rozproszonego światła. Techniki mieszania optycznego, stosowane do dynamiki w niskiej skali czasu, figure-introduction-4 s, z kolei, zawierają autokorelator lub analizator widma po rozproszeniu, w którym zawartość widmowa rozproszonego sygnału jest wyodrębniana z mierzonego natężenia światła rozproszonego.

Generalnie, sondy laserowe, przynajmniej te działające w widzialnym zakresie widma, mają długości fal znacznie dłuższe niż charakterystyczne odstępy między cząsteczkami w stanie ciekłym. W tych okolicznościach wiązka sondy wzbudza pięć kolektywnych, powolnych w skali czasu i długich fal hydrodynamicznych2,9,10 (powolny w stosunku do charakterystycznej częstotliwości zderzeń): dwie lepko tłumione, przeciwcho rozchodzące się fale dźwiękowe, dwie niesprzężone, czysto dyfuzyjne tryby wirowości i pojedynczy dyfuzyjny tryb termiczny (entropii). Mody dźwięku są wzbudzane w kierunku (wzdłużnym) padającej wiązki, podczas gdy mody wirowe są wzbudzane w kierunku poprzecznym.

Biorąc pod uwagę czysto eksperymentalne techniki rozpraszania, dwa fundamentalne pytania, leżące u podstaw równowagi i nierównowagi statystycznej mechaniki molekularnych układów w stanie ciekłym, pozostają poza pomiarami rozpraszania światła i neutronów:
1) Rygorystyczne argumenty9,11 pokazują, że losowa, zderzeniowa i podzderzeniowa dynamika w skali czasowej poszczególnych cząsteczek w stanie ciekłym, podlegających klasycznej dynamice Newtona lub dynamice kwantowej, może być przekształcona w postaci uogólnionych równań Langevina (GLE). Z kolei GLE stanowią centralne narzędzie teoretyczne w badaniach nad nierównowagową mechaniką statystyczną cząsteczek w gęstych gazach i cieczach. Niestety, ponieważ dynamika pojedynczych (niemakromolekularnych) cząsteczek nie może być rozwiązana za pomocą żadnej z technik rozpraszania, obecnie nie ma bezpośredniego sposobu, poza symulacjami MD, aby przetestować poprawność GLE.
2) Podstawowa hipoteza leżąca u podstaw makroskopowej dynamiki płynów kontinuum, a także hydrodynamiki molekularnej w mikroskali, zakłada, że w skalach długości i czasu dużych w stosunku do średnic molekularnych i czasów zderzeń, ale małych w stosunku do długości kontinuum i czasu, przeważa lokalna równowaga termodynamiczna (LTE). W modelach przepływu ciągłego i wymiany ciepła, takich jak równania Naviera-Stokesa (NS), wymagane jest założenie LTE9 w celu sprzężenia wewnętrznie nierównowagowych cech przepływu i transportu energii w skali kontinuum — takich jak lepkie naprężenia ścinające i przewodzenie ciepła — ze ściśle równowagowymi właściwościami termodynamicznymi, takimi jak temperatura i energia wewnętrzna. Podobnie, podczas gdy pęd i transport energii w mikroskali są z natury procesami nierównowagowymi, odzwierciedlającymi pojawienie się sprzężonych, mikroskalowych prądów masy, pędu i energii, modele tych procesów w mikroskali zakładają, że prądy reprezentują małe perturbacje z LTE9. Ponownie, zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, nie przeprowadzono bezpośrednich testów eksperymentalnych założenia LTE. W szczególności wydaje się, że nie próbowano eksperymentów z molekularnym rozpraszaniem hydrodynamicznym w gęstych, poruszających się, nierównowagowych przepływach płynów.

W tym artykule opisujemy analogową technikę eksperymentalną, w której makroskopowa, pojedyncza i zbiorowa dynamika cząstek wibrujących pryzm ziarna, mierzona za pomocą standardowej prędkościomierzy obrazowania cząstek (PIV), może być wykorzystana do pośredniego przewidywania, interpretacji i ekspozycji hydrodynamiki pojedynczych i wielocząsteczkowych w gęstych gazach i cieczach. Fizyczne i teoretyczne elementy, które umożliwiają proponowaną technikę, zostały przedstawione w niedawnym artykule opublikowanym przez naszą grupę12. Doświadczalnie układ makroskopowy musi wykazywać: (i) trwałą tendencję do lokalnej, makroskalowej statystycznej równowagi mechanicznej oraz (ii) małe, liniowe odchylenia od równowagi, które naśladują (słabe) nierównowagowe fluktuacje obserwowane w molekularnych układach hydrodynamicznych. Teoretycznie: (i) klasyczne modele mikroskalowe opisujące równowagę i słabo nierównowagową mechanikę statystyczną gęstych, oddziałujących ze sobą układów N-cząstek muszą zostać przekształcone w formę makroskali, oraz (ii) uzyskane modele makroskalowe muszą wiarygodnie przewidywać dynamikę pojedynczych i wielu cząstek, od krótkich skal czasowych zderzeń cząstek do długich skal czasowych ciągłego przepływu.

Tutaj prezentujemy szczegółowy protokół eksperymentalny, jak również reprezentatywne wyniki uzyskane za pomocą nowej techniki. W przeciwieństwie do symulacji MD oraz metod rozpraszania światła i neutronów, nowa technika pozwala po raz pierwszy na szczegółowe badanie molekularnych procesów hydrodynamicznych w płynących, silnie niezrównoważonych, gęstych gazach i cieczach.

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

Protokół

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

1. Przygotowanie systemu wibracyjnego

  1. Ustaw system wibracyjny, jak pokazano na Rysunek 1. System ten składa się z pierścieniowej misy poliuretanowej (o średnicy zewnętrznej 600 mm), przymocowanej do jednobiegowego (1740 obr./min), niewyważonego silnika, w którym ten ostatni generuje drgania procesowe. Jest on przymocowany do obciążonej podstawy i oddzielony grupą ośmiu sprężyn (miska i obciążona podstawa są kupowane zmontowane jako jeden element). Przymocuj zespół miski do stojaka i zabezpiecz dwoma dostarczonymi gumowymi haczykami. Umieść pompę perystaltyczną na stole w pobliżu miski i podłącz wąż wylotowy pompy do punktu wlotowego smarowania misy.
    1. Podłącz trójosiowy akcelerometr do wewnętrznego promienia pierścieniowej miski, aby zarejestrować wibracje misy w warunkach niskiej amplitudy i podłączyć akcelerometr do kondycjonera sygnału czujnika. Umieść kondycjoner sygnału na stole z dala od układu wibracyjnego. Kombinacja akcelerometru i kondycjonera sygnału jest kontrolowana przez sprzęt/oprogramowanie do akwizycji danych zainstalowane na standardowym komputerze.
  2. Przygotuj wybrane media, myjąc je w wodzie i pozostawiając do wyschnięcia. Podczas różnych eksperymentów wykorzystano kilka rodzajów pożywek. Do tego papieru należy użyć ceramicznego ściernika polerskiego o prostym cięciu trójkątnym (trójkąt 10 mm x 10 mm x 10 mm patrząc od przodu i grubość 10 mm).
    1. Określ gęstość upakowania pożywki, umieszczając najpierw pusty plastikowy worek na wadze laboratoryjnej i tarując wagę. Napełnij plastikowy worek wybranym nośnikiem (nie może przekraczać 18.927 l (5 galonów) i zapisz wagę nośnika (g lub kg). Dla tego typu mediów i obecnej konfiguracji eksperymentalnej waga wynosiła 22,68 kg (50 funtów).
      1. Umieść wiadro w dużym zlewie lub na zewnątrz budynku, z dala od innych urządzeń. Napełnij wiadro (w tej konfiguracji użyto wiadra o pojemności 18,927 l (5 galonów)) wodą do pełnego znaku i powoli opuść plastikowy worek pełen mediów do wiadra. Gdy worek z nośnikiem zostanie całkowicie zanurzony, powoli podnieś worek z wody, aby uniknąć rozpryskiwania i odłóż worek na bok. Użyj butli z podziałką o pojemności 1000 ml, aby napełnić wiadro do pierwotnego pełnego znaku, rejestrując całkowitą ilość dodanej wody. Ta ilość dodanej wody będzie figure-protocol-1 gdzie figure-protocol-2 to objętość materiału w nośniku (w tym przypadku 13 750 ml wody zostało dodane z powrotem do wiadra). Ilość dodanej wody będzie zależała od rodzaju użytych mediów.
      2. Obliczyć gęstość upakowania podłoża za pomocą następującego równania:
        figure-protocol-3
        gdzie figure-protocol-4 to gęstość upakowania nośnika, a figure-protocol-5 jest masą nośnika (dla tego nośnika gęstość została obliczona na 1649 figure-protocol-6).
    2. Aktywuj układ wibracyjny, podłączając go do gniazdka elektrycznego (ten model ma dwie opcje, 1) podłącz do ściany lub 2) uruchom z timerem przymocowanym do podstawy). Aktywuj oprogramowanie do akwizycji danych na komputerze, naciskając strzałkę "Start" w programie napisanym przez użytkownika i zbieraj dane przez 1 minutę. Dane dotyczące przyspieszenia będą zarówno wyświetlane do natychmiastowego przeglądu (zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości) i automatycznie przechowywane w pliku .csv w celu potencjalnego przetwarzania końcowego. Odłącz urządzenie od gniazdka elektrycznego, aby wyłączyć układ wibracyjny.
    3. Dodaj pożywkę do miski wibracyjnej.
    4. Przygotować związek składający się z 3880 ml wody i 120 ml roztworu masy wykończeniowej (FC) (3% objętości). Ustaw pompę perystaltyczną na 1,9 l/h (obróć pokrętło prędkości na 27, aby osiągnąć to natężenie przepływu), ale nie inicjuj przepływu. Zapewni to, że roztwór nie zostanie ponownie wprowadzony do obiegu, ale będzie wystarczający do utrzymania mokrych nośników. (To rozwiązanie jest powszechnie stosowanym roztworem do wykańczania wibracyjnego). Roztwór działa jak środek smarny i zapewnia, że media nie sklejają się ani nie zużywają podczas zabiegu.
    5. Aktywuj układ wibracyjny, podłączając go do gniazdka elektrycznego. Zbierz dane z akcelerometru zgodnie z opisem w kroku 1.2.2. Odłącz urządzenie od gniazdka elektrycznego, aby wyłączyć układ wibracyjny.

2. Obrazowanie z dużą szybkością

UWAGA: Dla pomiarów pola prędkości ziarna, uzyskanych przez obrazowanie części powierzchni przepływającego stosu ziarna, obszar obrazowania, figure-protocol-7 odpowiada polu widzenia (FOV) określonemu w kroku 2.2.4 poniżej. Pomiar zmiennych w czasie, indywidualnych prędkości ziarna (na powierzchni stosu) można uzyskać, wybierając mały, stały podobszar, figure-protocol-8, w obrębie figure-protocol-9 gdzie, jak opisano poniżej, figure-protocol-10 jest rzędu rzutowanego obszaru pojedynczego ziarna.

  1. Skonfiguruj szybką kamerę (kamera ma rozdzielczość 1504 x 1128 do 1,000 klatek na sekundę (fps)), aby rejestrować obrazy, umieszczając ją na statywie lub budując sztywną ramę z obiektywem prostopadłym do otwartej powierzchni układu wibracyjnego (gdy misa wibruje), jak pokazano na Rysunek 1. Ta sztywna rama jest oddzielona od systemu wibracyjnego i zapewnia, że drgania z systemu nie wpływają na obrazowanie.
    1. Podłącz odpowiednią soczewkę do żądanego obszaru integracji powierzchni i rozdzielczości. Do obecnej konfiguracji należy użyć obiektywu zmiennoogniskowego 18 - 250 mm o proporcjach obiektywu 1:3,6 - 6,3. Podłącz zasilacz i antenę GPS do kamery. Podłącz kamerę do komputera za pomocą CAT5. Ustaw aparat tak, aby koniec obiektywu znajdował się około 550 mm nad powierzchnią nośnika.
      UWAGA: Umieszczenie aparatu zbyt blisko nośnika spowoduje zwiększenie efektów krawędzi, a umieszczenie aparatu zbyt daleko spowoduje, że obrazy będą zbyt ciemne do przetworzenia. Przy określonej odległości błędy wynikające z efektów krawędzi i ogólnej krzywizny badanego obszaru wynoszą <2%.
    2. Zdejmij pokrywę obiektywu i uruchom oprogramowanie aparatu. Po uruchomieniu kliknij przycisk "Kamery", a następnie kliknij OK. Po wypełnieniu listy kamer wybierz kamerę z listy i kliknij przycisk Otwórz.
    3. W oprogramowaniu kamery na komputerze, w zakładce "Na żywo", kliknij przycisk "Na żywo" (niebieska strzałka), aby view pole widzenia kamery. Włącz źródło światła, aby oświetlić obszar, który ma być sfotografowany. Może to być dowolne jasne światło, o ile równomiernie oświetla obszar testowy. Rysunek 1 pokazuje konfigurację kamery i światła w odniesieniu do systemu wibracyjnego.
    4. Aby określić przysłonę, spójrz na ekran komputera z transmisją na żywo z aparatu i ustaw przysłonę na minimalne ustawienie (maksymalna jasność). Jeśli wartość przysłony jest ustawiona na niską, rezultatem jest płytka głębia ostrości. Jeśli wartość przysłony jest ustawiona na wysoką, ekran jest zbyt ciemny. W tym eksperymencie wartość przysłony została ustawiona na 3,6.
    5. Dostosuj ogniskową obiektywu, aby zapewnić żądane pole widzenia (w tym przypadku 210 mm x 160 mm). W tym eksperymencie ustaw ogniskową na 180 mm, gdy aparat jest ustawiony 550 mm nad powierzchnią nośnika. Rysunek 2a pokazuje pole widzenia przez kamerę.
    6. Cyfrowe powiększenie do 500-krotnego powiększenia za pomocą oprogramowania aparatu. Wyreguluj pierścień ostrości na obiektywie, aby uzyskać najlepszą ostrość optyczną. Przywróć zoom cyfrowy do 100% (widok normalny).
    7. W Ustawieniach akwizycji na komputerze kliknij "Szybkość [Hz]" i ustaw na 500 klatek na sekundę .
      UWAGA: Aby rozwiązać problem dynamiki skali czasowej zderzenia ziarna, figure-protocol-11, musi być co najmniej o rząd wielkości większa od wymuszonej częstotliwości drgań, figure-protocol-12 (Tutaj, figure-protocol-13 Hz)
    8. Przed wykonaniem zdjęć należy umieścić liniaturę w polu widzenia; zapewnia to skalę długości do późniejszego przetwarzania danych obrazu. W obszarze Ustawienia pobierania w oprogramowaniu aparatu wybierz zakładkę "Nagrywanie" w sekcji "Na żywo". Ustaw "Tryb nagrywania" na "Okrągły" i ustaw klatki na 1. Kliknij czerwone kółko w zakładce "Na żywo", aby nagrać pojedynczy obraz, jak pokazano w Rysunek 2b.
    9. Zapisz pozyskany obraz jako plik TIFF w dogodnej lokalizacji katalogu plików (np. na zewnętrznym dysku twardym), klikając "Plik", a następnie kliknij "Zapisz nabytki". Pojawi się okno dialogowe z wieloma opcjami. Obok opcji Typ pliku w oknie dialogowym wybierz pozycję .tiff z menu rozwijanego.
      1. Wybierz zakładkę "Opcje pobierania" u dołu okna dialogowego i kliknij "Przeglądaj". W górnej części okna dialogowego dodaj nazwę folderu dla testu. W oknie dialogowym "Przeglądaj" wyszukaj i wybierz żądaną lokalizację (np. zewnętrzny dysk twardy) oraz odpowiedni folder. Po wybraniu folderu kliknij "OK", a następnie "Zapisz". Pojawi się okno menedżera pobierania. Rozpocznie się przesyłanie pliku i zostanie on zapisany w lokalizacji pliku określonej w podfolderze 001. Po przesłaniu obrazu na ekranie pojawi się okno stanu "Gotowe".
      2. Usuń obraz z aparatu, klikając czerwony przycisk usuwania.
        UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać.

3. Zbieranie danych

UWAGA: Jeśli protokół został wstrzymany, kamera będzie musiała zostać zrestartowana. Wykonaj krok 3.1. Jeśli protokół nie został wstrzymany, przejdź do kroku 3.1.2.

  1. Uruchom oprogramowanie aparatu i włącz oświetlenie zgodnie z opisem w kroku 2.
    1. Po włączeniu oprogramowania aparatu sprawdź warunki oświetleniowe i uruchom na żywo zgodnie z opisem w kroku 2.2.2, aby zapewnić prawidłową ostrość.
    2. Wybierz całkowity czas trwania eksperymentu, figure-protocol-14
      UWAGA: Muszą być spełnione dwa konkurencyjne wymagania: i) figure-protocol-15 musi być na tyle długie, aby zaistniały statystycznie stacjonarne warunki przepływu ziarna, oraz ii) figure-protocol-16 nie powinny być tak długie, aby generować duże ilości zbędnych danych. Skala czasowa, w której pojawiają się warunki stacjonarne, musi być określona metodą prób i błędów. Można stosować różne metody, o różnym rygorze. Na przykład, i) upewnij się, że średnia w czasie prędkość ziarna w ustalonym punkcie lub w wielu stałych punktach osiąga nominalnie stałą wielkość lub wielkości, lub ii) upewnij się, że oprócz średnich stacjonarnych odpowiednie wariancje przyjmują również nominalnie ustalone wielkości. Na potrzeby tego eksperymentu zbierano dane przez 10,12 s, co odpowiada akwizycji 5060 klatek. Stałe warunki w przepływie ziarna pojawiają się po około 1 s.
  2. Aktywuj misę wibracyjną.
    1. Rozprowadzić 150 ml środka wykańczającego/smarującego (krok 1.2.4) równomiernie wokół miski, aby zapewnić wstępne zwilżenie podłoża; a następnie umieścić dzbanek z pozostałą mieszanką na podłodze za pomocą węża podłączonego do pompy perystaltycznej. Aktywuj pompę perystaltyczną (zgodnie z ustawieniami w kroku 1.2.4), przestawiając przełącznik z pozycji "wyłączony" na "zgodnie z ruchem wskazówek zegara".
    2. Włącz misę wibracyjną, podłączając ją do gniazdka elektrycznego i odczekaj co najmniej jedną minutę, aby zapewnić równomierne zwilżanie i równomierny ruch płynu w mediach (stały ruch płynu występuje, gdy przepływ płynu wpływającego do miski z pompy perystaltycznej jest w przybliżeniu równy przepływowi płynu spływającego z odpływu misy.
  3. Przechwytywanie wideo i gromadzenie danych.
    1. Gdy płyn osiągnie stały ruch (krok 3.2.2), uruchom kamerę, klikając czerwoną ikonę nagrywania na ekranie komputera, a następnie kliknij czerwony znacznik wyboru, aby nagrywać obrazy przez wybrany czas, figure-protocol-17. Aparat zarejestruje obrazy dla określonego figure-protocol-18 i zapisze te obrazy w pamięci wewnętrznej. Rysunek 2a to przykład pojedynczego obrazu z zestawu 5060 wykonanych obrazów.
    2. Po zebraniu danych wyłącz system wibracyjny, odłączając go od gniazdka elektrycznego i wyłącz pompę perystaltyczną, przestaw przełącznik z "zgodnie z ruchem wskazówek zegara" na "wyłączony".
      UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać.

4. Przetwarzanie danych wideo za pomocą PIV

  1. Przygotuj obrazy z kamer o dużej szybkości do przetwarzania PIV.
    1. Zapisz uzyskane obrazy jako pliki TIFF, postępując zgodnie z procedurami opisanymi w kroku 2.1.9. (W obecnym systemie przesłanie 5060 klatek obrazu zebranych w ciągu 10,12 s zajmuje ponad godzinę). Po przesłaniu obrazów na ekranie pojawi się okno stanu "Gotowe". Pliki zostaną zapisane w tym samym katalogu, co plik kalibracji, w podfolderze oznaczonym jako 002. Usuń obrazy z aparatu.
    2. Przekonwertuj kolorowe obrazy na obrazy w skali szarości, aby umożliwić przetwarzanie przez oprogramowanie PIV. Prześlij obrazy do oprogramowania do analizy danych za pomocą funkcji "imread()". Przekonwertuj kopię obrazów za pomocą funkcji "rgb2gray()" i zapisz/zapisz te nowe obrazy w nowym folderze za pomocą funkcji "imwrite().
      UWAGA: Ta funkcja procesu/analizy danych jest dostępna dla wielu typów oprogramowania do analizy danych i jest napisana przez badacza jako kompletny program. Rysunek 2c to przykład powiększonego obrazu po jego przekonwertowaniu na skalę szarości i przetworzeniu przez PIV.
  2. Użyj oprogramowania PIV do obliczenia pól prędkości.
    1. Użyj kreatora importu, aby zaimportować zestaw obrazów w skali szarości jako obrazy z pojedynczą klatką do środowiska oprogramowania PIV. Rozpocznij import, klikając "Plik", a następnie wybierz "Importuj" i "Importuj obrazy". Pojawi się okno dialogowe kreatora importu obrazów. Wybierz z menu opcję importu "Pojedyncza klatka" i kliknij przycisk "Dodaj obrazy". Wybierz obraz kalibracyjny i kliknij "Otwórz", , który dodaje obraz do okna dialogowego "Obrazy do zaimportowania". Podczas importowania obrazów najpierw dodaj obraz kalibracyjny (krok 2.1.9), aby był to górny obraz na liście importu. Kliknij ponownie przycisk "Dodaj obrazy" i zaznacz wszystkie obrazy danych, a następnie kliknij "Otwórz", aby dodać je do okna dialogowego "Obrazy do zaimportowania". Kliknij "Dalej" po osiągnięciu wszystkich żądanych Obrazy są wybrane. Wprowadź używane ustawienia kamery, uwzględnij liczbę klatek na sekundę i rozstaw pikseli w oknach dialogowych. Kliknij "Dalej" i "Zakończ", aby zakończyć proces importowania.
    2. Oddziel obraz kalibracyjny od zestawu obrazów i wprowadź parametry skali długości do oprogramowania PIV.
      1. Jeśli lista zawartości nie jest jeszcze wyświetlona, kliknij prawym przyciskiem myszy zaimportowany zestaw obrazów i wybierz opcję "Pokaż listę zawartości" po lewej stronie ekranu w drzewie bazy danych. Zakładając, że obraz kalibracyjny był pierwszym zaimportowanym obrazem, kliknij prawym przyciskiem myszy drugi obraz na liście i wybierz "Podziel zespół stąd". Przeciągnij i upuść nowo utworzony zestaw obrazów (zawierający tylko obraz kalibracyjny) do miejsca po lewej stronie ekranu oznaczonego "Nowa kalibracja".
      2. Kliknij prawym przyciskiem myszy nowo umieszczony zestaw obrazów kalibracyjnych i wybierz "Zmierz współczynnik skali". Gdy na ekranie pojawi się obraz kalibracji, umieść znaczniki "A" i "B" na linijce w obrazie (lub innym obiekcie o znanym rozmiarze, jeśli linijka nie została użyta) i wprowadź odległość między znacznikami w polu tekstowym "Odległość bezwzględna". Kliknij "OK" w oknie dialogowym "Zmierz współczynnik skali", co spowoduje zapisanie ustawienia kalibracji i zamknięcie okna dialogowego oraz obrazu kalibracji.
    3. Utwórz zestaw par obrazów, wybierając zaimportowany zestaw obrazów i kliknij "Analizuj". Następnie z listy dostępnych metod analizy wybierz "Make Double Frame". Wybierz opcję stylu "(1-2, 2-3, 3-4,...(N-1) podwójne obrazy)".
      1. Otwórz dowolny obraz w zestawie obrazów (z wyjątkiem obrazu kalibracyjnego), kliknij obraz prawym przyciskiem myszy i wybierz "Gęstość cząstek". Na ekranie pojawi się okno dialogowe pokazujące rozpoznane cząstki. Pokaże powiększony widok obszaru sondy. Kliknij kartę ustawień w tym oknie dialogowym i zmieniaj "Obszar rozmiaru sondy", aż co najmniej 3 cząstki będą stale widoczne w obszarze sondy. Ten rozmiar obszaru sondy będzie rozmiarem obszaru przesłuchania wprowadzonym w kroku 4.2.5.
    4. Użyj polecenia "Analizuj" na wybranym zestawie obrazów, aby wybrać algorytm przetwarzania PIV i powiązane parametry. Wybierz metodę "Korelacja adaptacyjna" i zdefiniuj obszar pikseli, który zostanie użyty do zdefiniowania wektora w przestrzeni w kroku 4.2.5. (Ten proces dzieli obrazy na siatkę n × n pikseli "Obszary przesłuchań")
    5. Ustaw rozmiar obszaru przesłuchań, znajdując zakładkę "Obszary przesłuchań" i wybierając dowolny z dostępnych rozmiarów obszaru przesłuchań od minimum 8 pikseli do maksimum 256 pikseli (w przypadku tej metody użyto 32 pikseli na 32 piksele). Wprowadź wartość określoną w kroku 4.2.3.1.
      1. Aby zwiększyć gęstość tworzonych wektorów, dodaj procent "Nakładania się" obszaru przesłuchań, wybierając z menu rozwijanego opcję nakładania 0%, 25%, 50% lub 75%.
    6. Wykonaj analizę prowadzącą do zmierzonego pola prędkości ziarna, wybierając "OK" w oknie dialogowym "Korelacja adaptacyjna". System rozpocznie analizę. Gdy system przetworzy dane, na ekranie pojawi się pierwsza mapa wektorowa. Sprawdź kilka pierwszych pól prędkości, aby określić, czy wydają się one zadowalające na podstawie szacowanej prędkości i kierunku, jak pokazano na Rysunek 2c. Jeśli pole prędkości nie wydaje się realistyczne, anuluj sesję analizy, powtórz krok 4.2.4 i zmień ustawienia analizy. (Po zakończeniu analizy dla każdej pary obrazów w zestawie zostanie utworzone pole wektorowania obejmujące pole widzenia (krok 4.2.3)). Rysunek 2c pokazuje przykładowe zadowalające pole wektorowe podczas procesu analizy, które zostało nałożone na obraz w skali szarości.
      UWAGA: Dla każdego obszaru przesłuchania o × n pikselach oprogramowanie PIV porównuje wzór jasnych punktów w skali subziarnistej w obszarze przesłuchania z odpowiadającymi im wzorcami uchwyconymi na następnym obrazie. Na podstawie tego porównania oprogramowanie PIV wyznacza uśredniony powierzchniowo wektor przemieszczenia, figure-protocol-19, a na koniec, dzieląc figure-protocol-20 przez przyrost czasu między klatkami, figure-protocol-21, średnia prędkość powierzchniowa, figure-protocol-22 gdzie figure-protocol-23 odnosi się do obszaru przesłuchań figure-protocol-24. W obecnych eksperymentach każdy obszar przesłuchań składał się z n x n = 32 x 32 pikseli ; całkowita liczba obszarów przesłuchań dzielących każde pole widzenia 210 mm x 160 mm wynosiła zatem 47 x 35, co odpowiada 1504 x 1128 pikseli.

5. Przetwarzanie danych wibracyjnych

UWAGA: Krok 5 może być wykonany jednocześnie z Krokiem 4, jeśli używane są różne systemy komputerowe lub oprogramowanie analityczne.

  1. Otwórz oprogramowanie do analizy danych i za pomocą funkcji "load()" wprowadź dane z akcelerometru, które zostały uzyskane, gdy misa wibracyjna była pusta (krok 1.2.2). Wykonaj szybką transformację fourierową danych za pomocą funkcji "fft()". Utwórz rysunek danych za pomocą funkcji "wykres". Powtórz z danymi, które zostały uzyskane, gdy misa wibracyjna miała obecne podłoże (krok 1.2.5).
    UWAGA: Ta funkcja procesu/analizy danych jest dostępna dla wielu typów oprogramowania do analizy danych i jest napisana przez badacza jako kompletny program.
    1. Aby badać molekularne procesy hydrodynamiczne, na ogół wymagany jest szereg operacji przetwarzania danych. Zapoznaj się z poniższymi sekcjami Reprezentatywne wyniki i Dyskusja, aby zapoznać się z zarysem głównych procedur przetwarzania; patrz Keanini, et al. (2017)12, aby dowiedzieć się, jak można wykorzystać zmierzone dane PIV do ekstrakcji dynamicznych informacji o molekularnych układach hydrodynamicznych.

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

Wyniki

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

Prezentując reprezentatywne wyniki, odnosimy się do procesów w skali kontinuum time jako do tych obserwowanych i przewidywanych w skalach czasowych, figure-results-1, które są długie w stosunku do charakterystycznej skali czasu zderzenia ziaren, figure-results-2 figure-results-3 oraz procesy w skali czasowej cząstek, tak...

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

Dyskusja

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

Aby wykorzystać drgane stosy zboża jako makroskopowe analogi do badania molekularnych procesów hydrodynamicznych, eksperymentator musi z jednej strony nauczyć się i stosować cztery podstawowe pomiary, a z drugiej opanować kilka podstawowych elementów równowagowej i nierównowagowej mechaniki statystycznej. Skupiając się w pierwszej kolejności na pomiarach eksperymentalnych, obejmują one: i) pomiar dynamiki poszczególnych ziaren poprzez pomiar funkcji autokorelacji prędkości pojedynczej cząstki, ii) pomiar pól prędkości zi...

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

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

Ta praca była wspierana przez Biuro Badań Marynarki Wojennej (ONR N00014-15-1-0020)[Tkacik i Keanini] i wykonana na Uniwersytecie Północnej Karoliny w Charlotte's Motorsports Research Lab. Nośniki do polerowania zostały podarowane przez Röslera.

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Wibracyjna miska polerskaRaytechAV-75
PrzepływomierzPompy perystaltyczne913 Mity Flex
ScalePelouze4040
Trójosiowy akcelerometrPCB Piezotroniczna płytkaPCB 356B11Akcelerometr z czujnikiem Kondycjoner sygnału Akwizycja
danych KomputerIBMThinkpadUżywany z wysokim fotoradar
Kamera szybkoobrotowaRedlakeMotionxtra HG-XR
Obiektyw zmiennoogniskowyTamronModel A1818-250mm F/3.5-6.3 
Światło o wysokiej intensywnościARRIEB 400/575 D
Komputer przetwarzania danychDellDell Precision Tower 7910
PIV Oprogramowanie Dantec DynamicsDynamic Studio 2013wersja 3.41.38
Sprzęt do akwizycji danychNational InstrumentsSCXISCXI-1000 Obudowa z kartą SCXI 1100 i oprogramowaniem do akwizycji danych adaptera SCXI 1303
NationalInstrumentsLabVIEW 2012
Oprogramowanie do przetwarzania danychMATHWORKSMATLAB
Polerowanie MediaRöslerRSG 10/10SStosowane różne typy mediów (mieszane, sferyczne, trójkątne)
Roztwór do polerowaniaRöslerFC KFL (3%)3% roztwór mydła z wodą
Skala liniowaSwiss Precision Instruments13-911-3
Cylinder z podziałkąGlobal Scientific601082

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
  2. Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (1980).
  3. Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles. J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).
  4. Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
  5. Evans, D. J., Morriss, G. P. Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , ANU E Press. (2007).
  6. Levesque, D., Verlet, L. Computer "experiments" on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
  7. Levesque, D., Ashurst, W. T. Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles. Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).
  8. Lovesey, S. W. Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. Lovesey, S. W., Springer, T. , Springer-Verlag. (1977).
  9. Forster, D. Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , Perseus. (1990).
  10. Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
  11. Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
  12. Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658(2017).
  13. Kushick, J., Berne, B. J. Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids. J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).
  14. Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
  15. Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. G., Mullany, B. Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing. J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).
  16. Navare, J. Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , University of North Carolina at Charlotte. Charlotte, NC. MSME thesis (2017).
  17. Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421(2012).
  18. Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193(2016).
  19. Pathria, R. K., Beale, P. D. Statistical mechanics. , 3rd ed, Elsevier. (2011).
  20. Gibbs, J. W. Elementary principles in statistical mechanics. , University Press. (1902).
  21. Toda, M., Kubo, R., Saito, N. Statistical physics I. , 2nd ed, Springer-Verlag. (1992).
  22. Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
  23. Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , Springer. (1991).

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

Wielopunktowa welocymetria obrazu cz stekwibracyjny system ziarenhydrodynamika molekularnaautokorelacja pr dko cirozk ad Maxwella Boltzmannamody akustycznemechanika statystycznakamera wysokich pr dko cipompa perystaltycznaakcelerometr tr josiowy

Powiązane artykuły