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

Jerry Dahlberg; Peter T. Tkacik; Brigid Mullany; Eric Fleischhauer; Hossein Shahinian; Farzad Azimi; Jayesh Navare; Spencer Owen; Tucker Bisel; Tony Martin; Jodie Sholar; Russell G. Keanini

doi:10.3791/56632

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

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

7.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56632

⸱

4 grudnia 2017

Jerry Dahlberg¹ , Peter T. Tkacik¹ , Brigid Mullany¹ , Eric Fleischhauer¹ , Hossein Shahinian¹ , Farzad Azimi¹ , Jayesh Navare¹ , Spencer Owen¹ , Tucker Bisel¹ , Tony Martin¹ , Jodie Sholar¹ , Russell G. Keanini¹

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

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

Hydrodynamika molekularna bada dynamikę i mechanikę statystyczną pojedynczych cząsteczek oraz skupisk cząsteczek w cieczach. Wśród wielu technik eksperymentalnych opracowanych do badania hydrodynamicznych układów molekularnych¹^,², rozpraszanie światła¹^,²^,³, symulacje dynamiki molekularnej⁴^,⁵^,⁶^,⁷ a w mniejszym stopniu nieelastyczne rozpraszanie neutronów⁸ były najczęściej stosowane. Niestety, dwie ostatnie techniki wiążą się ze znacznymi ograniczeniami. Symulacje dynamiki molekularnej (MD), na przykład: i) ograniczają się do niewielkich zakresów przestrzennych i czasowych Notacja skali czasowej (~10^-9 do ~10^-6 s) w równaniach naukowych. domeny zawierające stosunkowo niewielką liczbę cząsteczek Równanie obrazujące szacowanie zakresu N, wzór z zapisem naukowym, N~10³ do ~10⁵. , ii) wymagają zastosowania przybliżonych potencjałów międzycząsteczkowych, iii) zazwyczaj wprowadzają okresowe warunki brzegowe, które są nieprawidłowe w warunkach nieustalonego przepływu objętościowego, oraz iv) nie potrafią obecnie odpowiedzieć na fundamentalne pytanie o to, w jaki sposób dynamika w skali molekularnej, obejmująca pojedyncze cząsteczki lub ich zbiorowości, jest wpływana przez objętościowy, nieustalony przepływ płynu i w jaki sposób sprzęga się z nim zwrotnie. Głównym ograniczeniem związanym z rozpraszaniem neutronów jest trudność w uzyskaniu dostępu do ograniczonej liczby dostępnych źródeł wiązek neutronowych.

Aby zapewnić kontekst dla analogowej techniki eksperymentalnej przedstawionej w niniejszym artykule, omówiono techniki rozpraszania światła stosowane w przypadku prostych gęstych gazów oraz płynów w stanie ciekłym. W typowym eksperymencie z rozpraszania światła spolaryzowana wiązka światła laserowego jest kierowana do niewielkiej objętości badania zawierającej stacjonarną próbkę płynu. Światło rozproszone przez cząsteczki wewnątrz próbki jest następnie detektowane pod określonym kątem w stosunku do wiązki padającej. W zależności od analizowanego reżimu dynamiki molekularnej, detekcja i analiza sygnału światła rozproszonego obejmuje zastosowanie metod filtrowania lub mieszania światła. Zgodnie z opisem Berne'a i Pecory¹, techniki filtrowania, które badają dynamikę molekularną w stanie ciekłym w skalach czasowych krótszych niż Wzór spektroskopii półprzezroczystej τ < ~10^-6 na schemacie eksperymentu naukowego. wprowadź interferometr lub siatkę dyfrakcyjną za obszarem rozpraszania, a następnie przeprowadź skanowanie gęstości widmowej rozproszonego światła. Techniki mieszania optycznego, stosowane w przypadku dynamiki w wolnych skalach czasowych, Diagram równowagi statycznej, symbol ΣFx=0, koncepcja równowagi mechanicznej, słowa kluczowe do celów edukacyjnych Z kolei inne urządzenia zawierają autokorelator lub analizator widma umieszczony za układem rozpraszania, w którym zawartość widmowa sygnału rozproszonego jest wyodrębniana z mierzonej intensywności światła rozproszonego.

Zazwyczaj sondy laserowe, a przynajmniej te pracujące w widzialnym zakresie widma, mają długości fal znacznie większe niż charakterystyczne odstępy między cząsteczkami w stanie ciekłym. W tych okolicznościach wiązka sondy wzbudza pięć kolektywnych, długofalowych modów hydrodynamicznych o powolnej skali czasowej²^,⁹^,¹⁰ (wolnych w stosunku do charakterystycznej częstotliwości kolizji): dwie tłumione lepkośnie, przeciwbieżne fale dźwiękowe, dwa niesprzężone, czysto dyfuzyjne mody wirowe oraz pojedynczy dyfuzyjny mod termiczny (entropijny). Mody dźwiękowe są wzbudzane w kierunku (podłużnym) padającej wiązki, natomiast mody wirowe są wzbudzane w kierunku poprzecznym.

Biorąc pod uwagę wyłącznie eksperymentalne techniki rozpraszania, dwa fundamentalne pytania, leżące u podstaw statystycznej mechaniki równowagowej i nierównowagowej systemów molekularnych w stanie ciekłym, pozostają poza zakresem pomiarów rozpraszania światła i neutronów:
1) Rygorystyczne argumenty⁹^,¹ wykazują, że losowa dynamika poszczególnych cząsteczek w stanie ciekłym w skali czasu kolizji i subkolizji, podlegająca dynamice klasycznej newtonowskiej lub kwantowej, może zostać sformułowana w postaci uogólnionych równań Langevina (GLE). GLE stanowią z kolei centralne narzędzie teoretyczne w badaniu nierównowagowej mechaniki statystycznej cząsteczek w gęstych gazach i cieczach. Niestety, ponieważ dynamika pojedynczych (niemakromolekularnych) cząsteczek nie może zostać rozdzielona przez żadną z technik rozpraszania, obecnie nie istnieje bezpośredni sposób, poza symulacjami MD, aby sprawdzić poprawność GLE.
2) Fundamentalna hipoteza leżąca u podstaw makroskopowej dynamiki płynów w ujęciu kontinuum, jak i mikro-hydrodynamiki molekularnej, zakłada, że w skalach długości i czasu dużych w stosunku do średnic cząsteczek i czasów kolizji, ale małych w stosunku do skal długości i czasu kontinuum, dominuje lokalna równowaga termodynamiczna (LTE). W modelach przepływu kontinuum i wymiany ciepła, takich jak równania Naviera-Stokesa (NS), założenie LTE jest wymagane⁹ w celu powiązania immanentnie nierównowagowych cech przepływu i transportu energii w skali kontinuum — takich jak lepkie naprężenia ścinające i przewodnictwo cieplne — ze ściśle równowagowymi właściwościami termodynamicznymi, takimi jak temperatura i energia wewnętrzna. Podobnie, choć transport pędu i energii w mikroskali są procesami immanentnie nierównowagowymi, odzwierciedlającymi pojawienie się sprzężonych prądów masy, pędu i energii w mikroskali, modele tych procesów zakładają, że prądy te reprezentują niewielkie perturbacje od LTE⁹. Ponownie, według naszej najlepszej wiedzy, nie przeprowadzono bezpośrednich testów eksperymentalnych założenia LTE. W szczególności wydaje się, że nie podjęto prób przeprowadzenia eksperymentów rozpraszania hydrodynamicznego molekularnego w gęstych, ruchomych, nierównowagowych przepływach płynów.

W niniejszej pracy przedstawiamy analogową technikę eksperymentalną, w której makroskopowa dynamika pojedynczych cząstek oraz dynamika kolektywna wibrujących pryzm ziarna, mierzona za pomocą standardowej obrazowej welocymetrii cząstek (PIV), może być wykorzystana do pośredniego przewidywania, interpretowania i ujawniania hydrodynamiki pojedynczych i wielu cząsteczek w gęstych gazach i cieczach. Fizyczne i teoretyczne elementy umożliwiające zastosowanie proponowanej techniki zostały opisane w niedawnej pracy opublikowanej przez nasz zespół¹². Pod względem eksperymentalnym system makroskopowy musi wykazywać: (i) trwałą tendencję do lokalnej, makroskalowej równowagi statystyczno-mechanicznej oraz (ii) niewielkie, liniowe odchylenia od stanu równowagi, które naśladują (słabe) fluktuacje nierównowagowe obserwowane w molekularnych systemach hydrodynamicznych. Pod względem teoretycznym: (i) klasyczne modele w mikroskali opisujące równowagową i słabo nierównowagową mechanikę statystyczną gęstych, oddziałujących systemów N-cząsteczkowych muszą zostać przekształcone w formę makroskalową, a (ii) wynikające z tego modele makroskalowe muszą wiarygodnie przewidywać dynamikę pojedynczych i wielu cząstek, od krótkich skal czasowych kolizji cząstek po długie skale czasowe przepływu kontinuum.

W niniejszym opracowaniu przedstawiamy szczegółowy protokół eksperymentalny oraz reprezentatywne wyniki uzyskane za pomocą nowej techniki. W przeciwieństwie do symulacji MD oraz metod rozpraszania światła i neutronów, nowa technika umożliwia po raz pierwszy szczegółowe badanie procesów hydrodynamicznych na poziomie molekularnym w przepływających, silnie nierównowagowych, gęstych gazach i cieczach.

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

Protokół

1. Przygotowanie systemu wibracyjnego

Konfiguracja systemu wibracyjnego zgodnie z przedstawionym schematem w Rycina 1System ten składa się z pierścieniowej misy poliuretanowej (o średnicy zewnętrznej 60 mm), przymocowanej do jednobiegowego (1740 obr./min) silnika niewyważonego, który generuje wibracje procesowe. Jest on zamocowany do obciążonej podstawy i oddzielony grupą ośmiu sprężyn (misa i obciążona podstawa są dostarczane jako jeden zmontowany element). Przymocuj zespół misy do statywu i zabezpiecz za pomocą dwóch dołączonych gumowych haczyków. Umieść pompę perystaltyczną na stole obok misy i podłącz wąż wylotowy pompy do punktu wlotowego smarowania misy.
1. Przymocuj trójosiowy akcelerometr do wewnętrznego promienia pierścieniowej misy w celu rejestracji wibracji misy w warunkach niskiej amplitudy, a następnie podłącz akcelerometr do kondycjonera sygnału czujnika. Umieść kondycjoner sygnału na stole w odległości od układu wibracyjnego. Zestaw składający się z akcelerometru i kondycjonera sygnału jest sterowany przez sprzęt i oprogramowanie do akwizycji danych zainstalowane na standardowym komputerze.
Przygotować wybrane media polerujące, myjąc je w wodzie i pozostawiając do wyschnięcia. W różnych eksperymentach wykorzystano kilka rodzajów mediów. W niniejszej pracy należy użyć ceramicznego medium polerującego w kształcie trójkąta o prostym cięciu (trójkąt o wymiarach 10 mm x 10 mm x 10 mm widziany z przodu i grubości 10 mm).
1. Wyznacz gęstość upakowania medium, kładąc najpierw pusty plastikowy worek na wadze laboratoryjnej i tarując ją. Wypełnij plastikowy worek wybranym medium (nie przekraczając objętości 18,927 l (5 gal)) i zapisz masę medium (g lub kg). Dla tego rodzaju medium oraz aktualnej konfiguracji eksperymentalnej masa wynosiła 2,68 kg (50 lb).
  1. Umieść wiadro w dużym zlewie lub na zewnątrz budynku, z dala od innego sprzętu. Napełnij wiadro (w tej konfiguracji użyto wiadra o pojemności 18,927 l [5 gal]) wodą do linii maksymalnego napełnienia, a następnie powoli zanurz w nim plastikowy worek wypełniony podłożem. Po całkowitym zanurzeniu worka z podłożem powoli wyjmij go z wody, aby uniknąć rozbryzgów, i odstaw na bok. Za pomocą cylindra miernego o pojemności 10 ml doppełnij wiadro do pierwotnej linii maksymalnego napełnienia, zapisując całkowitą ilość dolanej wody. Ilość tej dolanej wody będzie gdzie jest objętość wypełnienia materiału złoża (w tej konfiguracji do wiadra dolano 13 750 ml wody). Ilość dodanej wody będzie zależna od rodzaju zastosowanego złoża.
  2. Oblicz gęstość upakowania medium za pomocą następującego równania:
    
    Gdzie czy gęstość upakowania medium i jest masa pożywki (dla tej pożywki obliczono gęstość na poziomie 1649 $Wzór na gęstość, $kg/m^3$, symbol w równaniach naukowych dla obliczeń masy jednostkowej objętości.$ ).
2. Uruchom system wibracyjny, podłączając go do gniazda elektrycznego (ten model oferuje dwie opcje: 1) podłączenie do sieci ściennej lub 2) uruchomienie za pomocą czasownika przymocowanego do statywu). Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych na komputerze, naciskając strzałkę „Start” w napisanym przez użytkownika programie, i zbieraj dane przez 1 minutę. Dane dotyczące przyspieszenia będą wyświetlane do natychmiastowego przeglądu (zarówno w dziedzinie czasu, jak i w dziedzinie częstotliwości) oraz automatycznie zapisywane w pliku .csv do ewentualnego późniejszego przetwarzania. Odłącz urządzenie od gniazda elektrycznego, aby wyłączyć system wibracyjny.
3. Dodać medium do misy wibracyjnej.
4. Przygotuj mieszaninę składającą się z 380 ml wody i 120 ml roztworu środka wykańczającego (FC) (3% obj.). Ustaw pompę perystaltyczną na 1,9 l/h (obróć pokrętło prędkości do wartości 27, aby uzyskać taki przepływ), lecz nie uruchamiaj przepływu. Zapewni to, że roztwór nie będzie recyrkulowany, a jednocześnie będzie go wystarczająco dużo, aby utrzymać media w stanie wilgotnym. (Roztwór ten jest powszechnie stosowanym środkiem do wykańczania wibracyjnego). Roztwór pełni funkcję środka smarnego i zapobiega sklejaniu się lub ścieraniu mediów podczas procedury.
5. Uruchomić system wibracyjny, podłączając go do gniazda elektrycznego. Zebrać dane z akcelerometru zgodnie z opisem w kroku 1.2.2. Odłączyć urządzenie od gniazda elektrycznego, aby wyłączyć system wibracyjny.

2. Obrazowanie wysokich prędkości

UWAGA: W przypadku pomiarów pola prędkości ziaren, uzyskanych poprzez obrazowanie fragmentu powierzchni przepływającej pryzmy ziaren, obszar obrazowania, Schemat równowagi statycznej z wzorami ΣFx=0, MA=0; metoda analizy wektorów sił. odpowiada polu widzenia (FOV) określonemu w kroku 2.2.4 poniżej. Pomiar zmieniających się w czasie prędkości poszczególnych ziaren (na powierzchni pryzmy) można uzyskać, wybierając niewielki, stały podobszar, symbol δA₁, reprezentujący zmianę zmiennej, istotny w równaniach matematycznych lub naukowych. w obrębie $Wzór na równowagę statyczną $A_l$ w tekście naukowym, analiza równania, koncepcja edukacyjna.$ gdzie, jak szczegółowo opisano poniżej, symbol δA₁ reprezentujący zmianę zmiennej, istotny w równaniach matematycznych lub naukowych. jest rzędu pola rzutu pojedynczego ziarna.

Skonfiguruj kamerę wysokich prędkości (kamera posiada rozdzielczość 1504 x 128 przy prędkości do 10 klatek na sekundę (fps)) w celu rejestracji obrazów, umieszczając ją na statywie lub budując sztywną ramę z obiektywem ustawionym prostopadle do otwartej powierzchni układu wibracyjnego (podczas wibracji misy), jak pokazano w Rycina 1Ta sztywna rama jest oddzielona od układu wibracyjnego i zapewnia, że drgania systemu nie wpływają na obrazowanie.
1. Zamocuj odpowiedni obiektyw dla pożądanego obszaru integracji powierzchni i rozdzielczości. W aktualnej konfiguracji należy użyć obiektywu typu zoom 18–250 mm o światłosiłności 1:3,6–6,3. Podłącz zasilacz oraz antenę GPS do kamery. Podłącz kamerę do komputera za pomocą kabla CAT5. Ustaw kamerę tak, aby koniec obiektywu znajdował się około 50 mm nad powierzchnią podłoża.
  UWAGA: Umieszczenie kamery zbyt blisko podłoża spowoduje nasilenie efektów krawędziowych, natomiast umieszczenie jej zbyt daleko sprawi, że obrazy będą zbyt ciemne do obróbki. W określonej odległości błędy wynikające z efektów krawędziowych oraz ogólnego zakrzywienia obszaru badawczego są <2%.
2. Zdejmij osłonę obiektywu i uruchom oprogramowanie kamery. Po jego uruchomieniu kliknij przycisk „Cameras”, a następnie kliknij OK. Gdy pojawi się lista kamer, wybierz odpowiednią kamerę z listy i kliknij open.
3. W oprogramowaniu kamery na komputerze, w zakładce „Live”, kliknij przycisk „Live” (niebieska strzałka), aby wyświetlić pole widzenia (FOV) kamery. Włącz źródło światła, aby oświetlić obrazowany obszar. Może to być dowolne jasne światło, pod warunkiem, że równomiernie oświetli ono obszar badawczy. Rycina 1 przedstawia konfigurację kamery i oświetlenia w odniesieniu do układu wibracyjnego.
4. Aby określić wartość przysłony, należy obserwować ekran komputera z transmisją na żywo z kamery i ustawić przysłonę na minimalną wartość (maksymalna jasność). Niska wartość przysłony skutkuje małą głębią ostrości. Zbyt wysoka wartość przysłony powoduje, że obraz na ekranie jest zbyt ciemny. W niniejszym doświadczeniu wartość przysłony ustawiono na 3,6.
5. Dostosuj ogniskową obiektywu, aby uzyskać pożądane pole widzenia (FOV) (w tym przypadku 210 mm x 160 mm). W tym doświadczeniu ustaw ogniskową na 180 mm, umieszczając kamerę 50 mm nad powierzchnią medium. Rycina 2a pokazuje pole widzenia (FOV) przez kamerę.
6. Użyj oprogramowania kamery, aby cyfrowo powiększyć obraz do 500X. Przesuń pierścień ostrości na obiektywie, aby uzyskać optymalną ostrość optyczną. Przywróć cyfrowe powiększenie do 10% (widok normalny).
7. W ustawieniach akwizycji (Acquisition Settings) na komputerze kliknij „Rate [Hz]” i ustaw wartość na 50 klatek na sekundę.
  UWAGA: Aby rozdzielić dynamikę w skali czasu kolizji ziaren, musi być co najmniej o rząd wielkości większa od narzuconej częstotliwości drgań, (Tutaj, $Równanie ogniskowej $f_o=29,3$ na schemacie optycznym dla obliczeń soczewkowych i badania refrakcji światła.$ Hz)
8. Przed wykonaniem zdjęć należy umieścić w polu widzenia skalówkę; zapewni ona skalę długości do późniejszego przetwarzania danych obrazowych. W ustawieniach akwizycji (Acquisition Settings) w oprogramowaniu kamery, w zakładce „Live”, wybierz kartę „Record”. Ustaw tryb nagrywania (Record Mode) na „Circular” i ustaw liczbę klatek (Frames) na 1. Kliknij czerwone koło w zakładce „Live”, aby zarejestrować 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 „File”, a następnie „Save Acquisitions”. Pojawi się okno dialogowe z wieloma opcjami. W oknie dialogowym, obok typu pliku, wybierz z menu rozwijanego rozszerzenie .tiff.
  1. Wybierz kartę „Opcje pobierania” (Download Options) na dole okna dialogowego i kliknij „Przeglądaj” (Browse). W górnej części okna dialogowego wpisz nazwę folderu dla testu. W oknie „Przeglądaj” wyszukaj i wybierz pożądaną lokalizację (np. zewnętrzny dysk twardy) oraz odpowiedni folder. Po wybraniu folderu kliknij „OK”, a następnie „Zapisz” (Save). Pojawi się okno menedżera pobierania. Plik zostanie przesłany i zapisany w określonej lokalizacji w podfolderze 001. Po zakończeniu przesyłania obrazu na ekranie pojawi się okno statusu „Gotowe” (Done).
  2. Usuń obraz z kamery, klikając czerwony przycisk usuwania.
    UWAGA: W tym miejscu można przerwać procedurę.

3. Gromadzenie danych

UWAGA: Jeśli protokół został wstrzymany, konieczne będzie ponowne uruchomienie kamery. Należy wykonać krok 3.1. Jeśli protokół nie został wstrzymany, należy przejść do kroku 3.1.2.

Uruchom oprogramowanie kamery i włącz oświetlenie zgodnie z instrukcjami określonymi w kroku 2.
1. Po uruchomieniu oprogramowania kamery należy sprawdzić warunki oświetlenia i przeprowadzić podgląd na żywo, zgodnie ze szczegółami opisanymi w kroku 2.2.2, aby zapewnić prawidłowe ustawienie ostrości.
2. Wybierz całkowity czas trwania przebiegu eksperymentu,
  UWAGA: Należy spełnić dwa przeciwstawne wymagania: i) musi być wystarczająco długi, aby ustaliły się statystycznie stacjonarne warunki przepływu ziaren, oraz ii) nie powinna być na tyle długa, aby generować duże ilości zbędnych danych. Skala czasowa, w której pojawiają się warunki stacjonarne, musi zostać określona metodą prób i błędów. Można zastosować różne metody o różnym stopniu rygorystyczności. Na przykład: i) upewnić się, że średnia czasowa prędkość ziaren w jednym lub kilku stałych punktach osiąga nominalnie stałą wartość lub wartości, lub ii) upewnić się, że oprócz stacjonarnych wartości średnich, odpowiadające im wariancje również przyjmują nominalnie stałe wartości. W tym eksperymencie dane zbierano przez 10,12 s, co odpowiadało akwizycji 5060 klatek. Warunki ustalone w przepływie ziaren wystąpiły po około 1 s.
Uruchom miskę wibracyjną.
1. Równomiernie rozprowadź 150 mL związku wykańczającego/smarującego (Krok 1.2.4) wokół misy, aby zapewnić wstępne zwilżenie mediów; następnie postaw naczynie z pozostałym związkiem na podłodze, podłączając do niego wąż prowadzący do pompy perystaltycznej. Uruchom pompę perystaltyczną (zgodnie z ustawieniami z Kroku 1.2.4), przełączając przełącznik z pozycji „off” na „clockwise”.
2. Włącz misę wibracyjną, podłączając ją do gniazda elektrycznego, i odczekaj minimum jedną minutę, aby zapewnić równomierne zwilżanie i stabilny przepływ cieczy przez wypełnienie (stabilny przepływ cieczy występuje, gdy strumień cieczy wpływającej do misy z pompy perystaltycznej jest w przybliżeniu równy strumieniowi cieczy odpływającej przez odpływ misy).
Nagrywanie wideo i gromadzenie danych.
1. Gdy płyn osiągnie stateczny przepływ (krok 3.2.2), uruchom kamerę, klikając czerwoną ikonę nagrywania na ekranie komputera, a następnie kliknij czerwony znacznik wyzwalacza, aby zarejestrować obrazy przez wybrany czas trwania. Kamera będzie rejestrować obrazy przez określony i zapisz te obrazy w pamięci wewnętrznej urządzenia. Rycina 2a jest przykładem pojedynczego obrazu z zestawu 5060 wykonanych zdjęć.
2. Po zebraniu danych wyłącz system wibracyjny, wyciągając wtyczkę z gniazdka elektrycznego, oraz wyłącz pompę perystaltyczną, przestawiając przełącznik z pozycji „clockwise” (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) na „off” (wyłączony).
  UWAGA: W tym miejscu procedurę można przerwać.

4. Przetwarzanie danych wideo za pomocą PIV

Przygotuj obrazy z kamery wysokich prędkości do przetwarzania PIV.
1. Zapisz pozyskane obrazy jako pliki TIFF zgodnie z procedurami opisanymi w kroku 2.1.9. (W obecnym systemie transfer 5060 klatek obrazu zebranych w ciągu 10,12 s trwa ponad godzinę). Po przesłaniu obrazów na ekranie pojawi się pole stanu „Done”. Pliki zostaną zapisane w tym samym katalogu co plik kalibracyjny, w podfolderze oznaczonym jako 02. Usuń obrazy z kamery.
2. Przekształć kolorowe obrazy w obrazy w skali szarości, aby umożliwić ich przetwarzanie przez oprogramowanie PIV. Prześlij obrazy do oprogramowania do analizy danych, korzystając z funkcji „imread()”. Przekształć kopię obrazów za pomocą funkcji „rgb2gray()”, a następnie zapisz te nowe obrazy w nowym folderze, korzystając z funkcji „imwrite()”.
  UWAGA: Ta funkcja procesu/analizy danych jest dostępna w wielu rodzajach oprogramowania do analizy danych i jest tworzona przez badacza jako kompletny program. Rysunek 2c jest przykładem powiększonego obrazu po konwersji na skalę szarości i przetworzeniu metodą PIV.
Użyj oprogramowania PIV do obliczenia pól prędkości.
1. Użyj kreatora importowania, aby zaimportować zestaw obrazów w skali szarości jako obrazy pojedynczych klatek do środowiska oprogramowania PIV. Rozpocznij import, klikając „File”, a następnie wybierz „Import” i „Import Images”. Pojawi się okno dialogowe kreatora importowania obrazów. Z menu wybierz opcję importu „Single Frame” i kliknij przycisk „Add Images”. Wybierz obraz kalibracyjny i kliknij „Open”, co doda obraz do listy w oknie dialogowym „Images to Import”. Podczas importowania obrazów w pierwszej kolejności dodaj obraz kalibracyjny (Krok 2.1.9), tak aby znajdował się on na górze listy importu. Ponownie kliknij przycisk „Add Images”, zaznacz wszystkie obrazy danych i kliknij „Open”, aby dodać je do okna dialogowego „Images to Import”. Gdy wszystkie żądane obrazy zostaną wybrane, kliknij „Next”. W odpowiednich polach dialogowych wprowadź parametry ustawień kamery, w tym częstotliwość klatek i rozmiar piksela (pixel pitch). Kliknij „Next”, a następnie „Finish”, aby zakończyć proces importu.
2. Oddziel obraz kalibracyjny od zestawu obrazów i wprowadź parametry skali długości do oprogramowania PIV.
  1. Jeśli lista zawartości nie jest jeszcze wyświetlana, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy zaimportowany zestaw obrazów i wybrać opcję „Show Contents List” po lewej stronie ekranu w drzewie bazy danych. Zakładając, że obraz kalibracyjny był pierwszym zaimportowanym obrazem, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy drugi obraz na liście i wybrać opcję „Split Ensemble from Here”. Następnie należy przeciągnąć i upuścić nowo utworzony zestaw obrazów (zawierający tylko obraz kalibracyjny) w miejsce po lewej stronie ekranu oznaczone jako „New Calibration”.
  2. Kliknij prawym przyciskiem myszy nowo umieszczony zestaw obrazów kalibracyjnych i wybierz opcję „Measure Scale Factor”. Gdy obraz kalibracyjny pojawi się na ekranie, umieść znaczniki „A” i „B” na wbudowanej w obraz linijce (lub na innym obiekcie o znanej wielkości, jeśli nie użyto linijki), a następnie wpisz odległość między znacznikami w polu tekstowym „Absolute Distance”. Kliknij „OK” w oknie dialogowym „Measure Scale Factor”, co spowoduje zapisanie ustawień kalibracji oraz zamknięcie okna dialogowego i obrazu kalibracyjnego.
3. Utwórz zestaw par obrazów, wybierając zaimportowany zestaw obrazów, a następnie kliknij „Analyze”. Następnie z listy dostępnych metod analizy wybierz opcję „Make Double Frame”. Wybierz opcję stylu „(1-2, 2-3, 3-4,…(N-1) double images)”.
  1. Otwórz dowolny obraz z zestawu obrazów (z wyjątkiem obrazu kalibracyjnego), kliknij go prawym przyciskiem myszy i wybierz opcję „Particle Density”. Na ekranie pojawi się okno dialogowe z rozpoznanymi cząstkami, wyświetlające powiększony widok obszaru sondowania. Przejdź do karty ustawień w tym oknie i zmieniaj wartość „Probe Size Area” tak długo, aż w obszarze sondowania będzie stale widocznych co najmniej 3 cząstki. Ten rozmiar obszaru sondowania będzie rozmiarem obszaru badania wpisanym w kroku 4.2.5.
4. Użyj polecenia „Analyze” na wybranym zestawie obrazów, aby wybrać algorytm przetwarzania PIV oraz powiązane parametry. Wybierz metodę „Adaptive Correlation” i zdefiniuj obszar pikseli, który zostanie wykorzystany do określenia wektora w przestrzeni w kroku 4.2.5. (Proces ten dzieli obrazy na siatkę „obszarów interogacyjnych” o wymiarach n × n pikseli).
5. Ustaw rozmiar obszaru przesłuchania, przechodząc do karty „Interrogation Areas” i wybierając dowolny z dostępnych rozmiarów obszaru przesłuchania w zakresie od minimum 8 pikseli do maksimum 256 pikseli (w tej metodzie zastosowano rozmiar 32 na 32 piksele). Wprowadź wartość określoną w kroku 4.2.3.1.
  1. Aby zwiększyć gęstość tworzonych wektorów, należy ustawić wartość procentową parametru „Overlap” (pokrycie) obszaru przesłuchiwania, wybierając z menu rozwijanego wartość 0%, 25%, 50% lub 75%.
6. Przeprowadź analizę w celu uzyskania zmierzonego pola prędkości ziaren, wybierając „OK” w oknie dialogowym „Adaptive Correlation”. System rozpocznie analizę. W miarę przetwarzania danych przez system na ekranie pojawi się pierwsza mapa wektorowa. Sprawdź pierwsze kilka pól prędkości, aby ocenić, czy są one satysfakcjonujące pod względem szacowanej prędkości i kierunku, widocznych w Rysunek 2cJeśli pole prędkości wydaje się nierealistyczne, należy przerwać sesję analizy, powtórzyć krok 4.2.4 i zmienić ustawienia analizy. (Po zakończeniu analizy dla każdej pary obrazów w zestawie zostanie utworzone pole wektorowe obejmujące FOV (krok 4.2.3)). Rysunek 2c przedstawia przykład satysfakcjonującego pola wektorowego uzyskanego w procesie analizy, które zostało nałożone na obraz w skali szarości.
  UWAGA: W przypadku każdego obszaru przesłuchującego o rozmiarach n × n pikseli, oprogramowanie PIV porównuje wzorzec jasnych punktów w skali podziarna w obrębie obszaru przesłuchującego z odpowiadającymi mu wzorcami uchwyconymi na następnym obrazie. Na podstawie tego porównania oprogramowanie PIV wyznacza średni dla obszaru wektor przemieszczenia, i wreszcie poprzez podzielenie przez przyrost czasu między klatkami, , średnią prędkość powierzchniową, $Wzór na prędkość chwilową $v_i = \Delta r_i \Delta t^{-1}$, równanie fizyczne.$ gdzie odnosi się do obszaru odpytywania W obecnych eksperymentach każdy obszar odpytywania składał się z n x n = 32 x 32 pikseli; całkowita liczba obszarów odpytywania dzielących każde pole widzenia (FOV) o wymiarach 210 mm x 160 mm wynosiła zatem 47 x 35, co odpowiadało 1504 x 128 pikselom.

5. Przetwarzanie danych wibracyjnych

UWAGA: Krok 5 można wykonać jednocześnie z krokiem 4, jeśli używane są różne systemy komputerowe lub oprogramowanie analityczne.

Otwórz oprogramowanie do analizy danych i za pomocą funkcji „load()” zaimportuj dane z akcelerometru pozyskane, gdy misa wibracyjna była pusta (Krok 1.2.2). Przeprowadź szybką transformację Fouriera (FFT) danych przy użyciu funkcji „fft()”. Utwórz wykres danych za pomocą funkcji „plot”. Powtórz procedurę dla danych pozyskanych w obecności mediów w misie wibracyjnej (Krok 1.2.5).
UWAGA: Ta funkcja procesu/analizy danych jest dostępna w wielu typach oprogramowania do analizy danych i jest opracowywana przez badacza w formie pełnego programu.
1. W celu zbadania procesów hydrodynamicznych na poziomie molekularnym zazwyczaj wymagany jest szereg operacji przetwarzania danych. Zarysy głównych procedur przetwarzania znajdują się w poniższych sekcjach Reprezentatywne Wyniki i Dyskusja; szczegóły dotyczące wykorzystania zmierzonych danych PIV do wyodrębnienia informacji dynamicznych o molekularnych systemach hydrodynamicznych znajdują się w pracy Keanini, et al. (2017)¹².

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

Wyniki

Przedstawiając reprezentatywne wyniki, odnosimy się do procesów na skali czasu ciągłego jako do tych obserwowanych i przewidywanych w skalach czasowych równanie lepkości dynamicznej, symbol τₗ, wzór fizyczny, analiza naukowa, zwięzła notacja , które są długie w porównaniu ze charakterystyczną skalą czasu zderzeń ziaren,

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

Dyskusja

Aby wykorzystać wibrujące stosy ziaren jako analogi makroskopowe do badania molekularnych procesów hydrodynamicznych, eksperymentator musi z jednej strony opanować i zastosować cztery podstawowe pomiary, a z drugiej – przyswoić kilka podstawowych elementów statystycznej mechaniki stanu równowagi i nierównowagi. Koncentrując się najpierw na pomiarach eksperymentalnych, obejmują one: i) pomiar dynamiki pojedynczych ziaren poprzez wyznaczenie funkcji autokorelacji prędkości pojedynczej cząstki, ii) pomiar uśrednionych w cza...

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

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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
Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Wibracyjna miska polerska	Raytech	AV-75
Przepływomierz	Pompy perystaltyczne	913 Mity Flex
Scale	Pelouze	4040
Trójosiowy akcelerometr	PCB Piezotroniczna płytka	PCB 356B11	Akcelerometr z czujnikiem Kondycjoner sygnału Akwizycja
danych Komputer	IBM	Thinkpad	Używany z wysokim fotoradar
Kamera szybkoobrotowa	Redlake	Motionxtra HG-XR
Obiektyw zmiennoogniskowy	Tamron	Model A18	18-250mm F/3.5-6.3
Światło o wysokiej intensywności	ARRI	EB 400/575 D
Komputer przetwarzania danych	Dell	Dell Precision Tower 7910
PIV Oprogramowanie	Dantec Dynamics	Dynamic Studio 2013	wersja 3.41.38
Sprzęt do akwizycji danych	National Instruments	SCXI	SCXI-1000 Obudowa z kartą SCXI 1100 i oprogramowaniem do akwizycji danych adaptera SCXI 1303
National	Instruments	LabVIEW 2012
Oprogramowanie do przetwarzania danych	MATHWORKS	MATLAB
Polerowanie Media	Rösler	RSG 10/10S	Stosowane różne typy mediów (mieszane, sferyczne, trójkątne)
Roztwór do polerowania	Rösler	FC KFL (3%)	3% roztwór mydła z wodą
Skala liniowa	Swiss Precision Instruments	13-911-3
Cylinder z podziałką	Global Scientific	601082

Bibliografia

Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (1980).
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).
Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
Evans, D. J., Morriss, G. P. Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , ANU E Press. (2007).
Levesque, D., Verlet, L. Computer "experiments" on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
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).
Lovesey, S. W. Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. Lovesey, S. W., Springer, T. , Springer-Verlag. (1977).
Forster, D. Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , Perseus. (1990).
Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658(2017).
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).
Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
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).
Navare, J. Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , University of North Carolina at Charlotte. Charlotte, NC. MSME thesis (2017).
Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421(2012).
Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193(2016).
Pathria, R. K., Beale, P. D. Statistical mechanics. , 3rd ed, Elsevier. (2011).
Gibbs, J. W. Elementary principles in statistical mechanics. , University Press. (1902).
Toda, M., Kubo, R., Saito, N. Statistical physics I. , 2nd ed, Springer-Verlag. (1992).
Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
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

Tagi

Wielopunktowa welocymetria obrazu cz stek wibracyjny system ziaren hydrodynamika molekularna autokorelacja pr dko ci rozk ad Maxwella Boltzmanna mody akustyczne mechanika statystyczna kamera wysokich pr dko ci pompa perystaltyczna akcelerometr tr josiowy

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