Name: Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-03-05T16:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 9 s
Description: Poznaj technikę szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich, w tym metali ciekłych i gęstych zawiesin granularnych. Metoda pozwala analizować wpływ naprężenia powierzchniowego, lepkości i średnicy cząstek na dynamikę uderzenia.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Szybka konfiguracja obrazowania (patrz rysunek 1)
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść czystą i gładką szklaną płytkę na uchwycie. Upewnij się, że płyta jest wypoziomowana w poziomie.</li>
	<li>Zamontuj pompę strzykawkową na torze pionowym.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Aby uzyskać gęste uderzenie zawieszenia, nie jest potrzebny dyfuzor. Zamiast tego wystarczy umieścić źródło światła przed płaszczyzną obrazowania.</li>
	<li>Wybierz obiektyw makro o odpowiedniej ogniskowej dla żądanego powiększenia i optycznej odległości roboczej. Następnie podłącz obiektyw do aparatu.</li>
	<li>Zamontuj aparat na statywie i dostosuj wysokość aparatu do perspektywy obrazowania (z boku lub z dołu).</li>
</ol>
2. Przygotowanie próbki
<ol>
	<li>Przygotowanie utlenionego ciekłego metalu
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Po tym praniu wstępnym użyj plastikowej strzykawki ze stalową końcówką dyszy, aby usunąć eGaIn z kąpieli.</li>
		<li>Zamontuj strzykawkę na pompie strzykawkowej i przygotuj się do eksperymentu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie gęstych zawiesin
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Odciągnąć tłok i napełnić strzykawkę wodą aż do otwartego końca, upewniając się, że nie ma pęcherzyków powietrza.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Użyj żyletki, aby usunąć dodatkowe zwilżone cząstki z góry, aby ten koniec był płaski.</li>
		<li>Odwróć dyszę i zamontuj ją na pompie strzykawkowej. Napięcie powierzchniowe zapobiegnie wypadaniu cząstek16.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Kalibracja
Przed zebraniem filmów należy ustawić parametry urządzenia do obrazowania i zakończyć wyrównywanie oświetlenia. Należy również skalibrować rozdzielczość przestrzenną.
<ol>
	<li>Uruchomić pompę strzykawkową z prędkością 20 ml/h, aby wypchnąć płyn (ciekły metal lub zawiesinę) z dyszy.</li>
	<li>Poczekaj, aż płyn oderwie się od strzykawki, utworzy kroplę i odpadnie, aby wykonać próbne uderzenie w szklane podłoże.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Postępuj zgodnie z 3-etapowym procesem, aby zmierzyć frakcję upakowania gęstej kropli zawiesiny:
	<ol>
		<li>Zmierz masę całego rozprysku zaraz po uderzeniu (np. pozwalając, aby kropla wpadła do miarki, którą można dokładnie zważyć).</li>
		<li>Następnie odparować cały rozpuszczalnik za pomocą grzałki i ponownie zważyć rozpryskiwanie, aby uzyskać masę cząstek.</li>
		<li>Oblicz objętość cząstek i cieczy, aby uzyskać frakcję uszczelnienia. Zazwyczaj ten ułamek objętościowy powinien wynosić około 60%.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>
4. Nagrywanie wideo i akwizycja danych
<ol>
	<li>Po kalibracji obrazowej należy ponownie uruchomić pompę strzykawkową. W tym samym czasie otwórz oprogramowanie sterujące kamerą, aby monitorować proces uderzenia.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Po zarejestrowaniu danych przytnij wideo do części zawierającej wpływ i zapisz filmy jako sekwencje obrazów do analizy.</li>
</ol>
5. Przetwarzanie końcowe i analiza obrazu
<ol>
	<li>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)).</li>
	<li>Zarówno na dolnych, jak i bocznych obrazach określ początek rozpryskiwania gęstej zawiesiny.</li>
	<li>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)).</li>
</ol>

<ol><li>Chiechi, R. C., Weiss, E. A., Dickey, M. D., Whitsides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eutectic+Gallium-Indium+%28EGaIn%29%3A+A+moldable+Liquid+Metal+for+Electrical+Characterization+of+Self-Assembled+Monolayers%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 47, 142 (2008).</li>
<li>Fukumoto, M., Huang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flattening+Mechanism+in+Thermal+Sprayed+Ni+Particles+Impinging+on+Flat+Substrate+Surface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Thermal+Spray+Tech%22%5BJournal%5D)">Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface.</a> J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).</li>
<li>Seerden, K. A., Reis, N., Evans, J. R., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ink-Jet+Printing+of+Wax-Based+Alumina+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Ceram.+Soc%22%5BJournal%5D)">Ink-Jet Printing of Wax-Based Alumina Suspensions.</a> J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514 (2004).</li>
<li>Derby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inkjet+printing+ceramics%3A+From+drops+to+solid%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Eur.+Ceram.+Soc%22%5BJournal%5D)">Inkjet printing ceramics: From drops to solid.</a> J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).</li>
<li>Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+Splashing+on+a+Dry+Smooth+Surface%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Drop Splashing on a Dry Smooth Surface.</a> Phys. Rev. Lett. 94, (2005).</li>
<li>Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maximal+deformation+of+an+impacting+drop%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid.+Mech%22%5BJournal%5D)">Maximal deformation of an impacting drop.</a> J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).</li>
<li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+Impact+Dynamics%3A+Splashing+Spreading%2C+Receding%2C+Bouncing%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).</li>
<li>Chandra, S., Avedisian, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+collision+of+a+droplet+with+a+solid+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+R.+Soc.+Lond.+A%22%5BJournal%5D)">On the collision of a droplet with a solid surface.</a> Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).</li>
<li>Versluis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+in+fluids%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging in fluids.</a> Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).</li>
<li>Thoraval, M. -J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+impact+entrapment+of+bubble+rings%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Drop impact entrapment of bubble rings.</a> J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).</li>
<li>Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-splashing+by+drop+impacts%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Micro-splashing by drop impacts.</a> J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).</li>
<li>Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+of+drops+and+bubble%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging of drops and bubble.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).</li>
<li>Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thin+film+formation+during+splashing+of+viscous+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Thin film formation during splashing of viscous liquids.</a> Phys. Rev. E. 82, (2010).</li>
<li>Pregent, S., Adams, S., Butler, M. F., Waigh, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+impact+and+deformation+of+a+viscoelastic+drop+at+the+air-liquid+interface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Newtonian+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The impact and deformation of a viscoelastic drop at the air-liquid interface.</a> J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166, 831 (2011).</li>
<li>Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+dynamics+of+oxidized+liquid+metal+drops%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Impact dynamics of oxidized liquid metal drops.</a> Phys. Rev. E. 87, (2013).</li>
<li>Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Splashing+onset+in+dense+suspension+droplets%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Splashing onset in dense suspension droplets.</a> Phys. Rev. Lett. 111, (2013).</li>
<li>Luu, L., Forterre, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+impact+of+yield-stress+fluids%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Drop impact of yield-stress fluids.</a> J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).</li>
<li>Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H., Brown, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+oxidation+on+the+mechanical+properties+of+liquid+gallium+and+eutectic+gallium-indium%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium.</a> Phys. Fluids. 24, (2012).</li>
<li>Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetric+Disconnection+of+an+Underwater+Air+Bubble%3A+Persistent+Neck+Vibrations+Evolve+into+a+smooth+Contact%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact.</a> Phys. Rev. Lett. 103, (2009).</li>
<li>Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).</li>
<li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Birth+and+growth+of+a+granular+jet%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Birth and growth of a granular jet.</a> Phys. Rev. E. 78, (2008).</li>
<li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Phys. Rev. Lett. 106, (2011).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Galowo-indowy eutektyk</td><td>Sigma Aldrich</td><td>495425-25G</td><td></td></tr><tr><td>Kwas solny&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>320331-2.5L</td><td></td></tr><tr><td>Tlenek cyrkonu</td><td>Glen Mills Inc.</td><td>7200</td><td></td></tr><tr><td>Phantom V12 i V7 Fast Ccamera</td><td>Vision Research</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>105 mm Micro-Nikon</td><td>N</td><td>/A</td><td></td></tr><tr><td>12 V / 200 W Źródło światła</td><td>Dedolight</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Pompa strzykawkowa</td><td>Razel</td><td>MODEL R9-9E</td><td></td></tr></tbody></table>

technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

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.

Technika szybkiego obrazowania może być wykorzystywana do ilościowego określenia rozprzestrzeniania się i rozpryskiwania w różnych scenariuszach uderzenia. Rysunek 4(a) przedstawia na przykład typowe sekwencje obrazów uderzenia ciekłego eGaIn o różnej wytrzymałości powłoki tlenkowej. Poprzez wyrzucanie eGaIn z tej samej dyszy i z tej samej wysokości spadku, generowano krople o powtarzalnej prędkości uderzenia V0 = 1.02±0.12 m/sec i promieniu R0 = 6.25±0.10 mm. Lewa kolumna pokazuje ...

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.

Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zbadanie dynamiki uderzeń nie-newtonowskich kropel ciekłych metali oraz gęstych zawiesin granularnych przy użyciu techniki szybkiego obrazowania. Osiąga się to poprzez przygotowanie stanowiska z szybką kamerą w celu wizualizacji chwilowej dynamiki w momencie uderzenia kropel o powierzchnię. W kolejnym kroku należy przeprowadzić serię eksperymentów z uderzeniami ciekłych metali, aby dostarczyć informacji o tym, w jaki sposób sprężystość powierzchni indukowana utlenianiem wpływa na promień rozprzestrzeniania się kropli.Następnie przeprowadzono eksperymenty z uderzeniami gęstych zawiesin, aby zbadać początek rozpryskiwania oraz dynamikę rozprzestrzeniania się. Uzyskane wyniki wskazują, że dynamiką uderzeń kropli nienewtonowskich sterują wspólnie różne parametry cieczy, takie jak efektywne napięcie powierzchniowe, lepkość, prędkość uderzenia oraz średnica zawieszonych cząstek. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie gęstych zawiesin, takie jak moment, w którym zachowanie układu można opisać za pomocą jego właściwości globalnych, a kiedy należy wziąć pod uwagę poszczególne cząstki.Chociaż pomiar ten może dostarczyć informacji na temat dynamiki uderzeń złożonych płynów, można go również zastosować do obserwacji innych procesów obejmujących szybką dynamikę, takich jak powstawanie stanów pęknięć, odrywanie się kropli cieczy w fazie stałej oraz szybki ruch cząstek w systemach granulowanych. Rozpocznij od przygotowania układu obrazowania. Jednym z elementów jest pionowa prowadnica zdolna do podtrzymywania uchwytu pompy strzykawkowej oraz samej pompy strzykawkowej, dzięki czemu można ją przesuwać na różne wysokości w celu zmiany wysokości swobodnego spadku testowanego płynu.Obok toru znajduje się rama podtrzymująca czystą szklaną płytkę, która służy jako pozioma płaszczyzna uderzenia. Należy upewnić się, że powierzchnia płytki jest wypoziomowana. Pod szklaną powierzchnią należy umieścić nachylone lustro refleksyjne, aby umożliwić wizualizację uderzenia kropli od dołu.Następnie przymocuj nieprzezroczysty biały papier nad szklaną płytką, aby odbijał światło i ułatwił obserwację od dołu w celu obrazowania uderzenia metalu ciekłego. Umieść przezroczysty dyfuzor papierowy naprzeciwko kierunku obserwacji, aby ułatwić obrazowanie z widoku bocznego. Następnie umieść źródło światła w obszarze za dyfuzorem.Włącz źródła światła, aby równomiernie oświetlić obszar uderzenia. Następnie ustaw na statywie kamerę z odpowiednim obiektywem w poziomie, tak aby mogła obrazować powierzchnię. Podłącz kamerę do komputera służącego do sterowania i wyświetlania obrazu.Przygotowanie próbki rozpocznij od użycia eutektyku galu i indu, który był przechowywany w szczelnym pojemniku w temperaturze pokojowej; za pomocą pipety pobierz z pojemnika 3 mL. Przygotuj płytkę akrylową i wyciśnij na nią eutektyk galu i indu. Odczekaj 30 minut, aż próbka zostanie w pełni utleniona w powietrzu.Cienka warstwa utlenionej skóry całkowicie pokryje powierzchnię próbki. Należy zachować odpowiednie środki ostrożności podczas pracy z kwasem solnym i przygotować 200 mililitrów kąpieli kwasowej w naczyniu TER. Stężenie kąpieli jest parametrem eksperymentalnym.Umieść próbkę w kąpieli kwasowej wraz z naczyniem kąpielowym. Użyj TER, aby poddać ją ścinaniu z prędkością 60 obrotów na sekundę przez 10 minut. Po zakończeniu wstępnego płukania kwasem wyjmij kąpiel z ReMeter.Użyj plastikowej strzykawki o pojemności 2 ml z stalową końcówką o średnicy od 1 do 2 mm, aby pobrać 1,5 ml ekstraktu próbki z galu-indu-cynku z kąpieli. Próbka jest teraz gotowa do użycia i przeprowadzenia eksperymentów. Zamocuj strzykawkę w pompie strzykawkowej; jest to przygotowanie próbek dla zawiesin gęstych.Doświadczenia rozpoczyna się od odcięcia końcówki komercyjnej strzykawki, aby wykorzystać ją jako rurkę cylindryczną do dozowania zawiesiny. Aby napełnić strzykawkę, należy najpierw przygotować naczynie z wodą. Zanurzyć końcówkę strzykawki w wodzie, a następnie odciągnąć tłok, aby ją napełnić, upewniając się, że wewnątrz nie pozostały pęcherzyki powietrza.Następnie należy trzymać strzykawkę otwartym końcem do góry. Do strzykawki wsypuje się sferyczne kulki z dwutlenku cyrkonu lub szkła, aż zostanie ona wypełniona, pozwalając wodzie wypłynąć. Za pomocą żyletki należy usunąć nadmiar złączonych cząsteczek z góry, aby wyrównać powierzchnię tego końca.Odwróć strzykawkę i zamocuj ją na powierzchni pompy. Napięcie zapobiegnie wypadaniu cząsteczek. Przed nagrywaniem filmów należy podjąć kroki w celu dostrojenia systemów obrazowania i oświetlenia oraz skalibrowania rozdzielczości przestrzennej.Najpierw uruchom pompę strzykawkową, aby wypchnąć ciecz z prędkością 20 ml/h. Odczekaj, aż ciecz – gęsta zawiesina – oddzieli się od strzykawki i spadnie, wywołując testowe uderzenie o szklaną powierzchnię. Po wystąpieniu uderzenia wyłącz pompę strzykawkową.Następnie dostosuj pozycję i orientację kamery, aż rozbryzg zostanie wyświetlony na monitorze. Następnie ustaw skalę odwzorowania obrazu na 1:1 i zmień odległość roboczą tak, aby obraz znajdował się w płaszczyźnie ogniskowej przy ustawieniu kamery na częstotliwość powyżej 6 000 klatek na sekundę. Zmieniaj wielkość apertury, czas ekspozycji oraz kąt oświetlenia, aby uzyskać obraz najlepszej jakości.Po ustaleniu ustawień kamery umieść linijkę w polu widzenia na monitorze. Użyj linijki do obliczenia rozdzielczości przestrzennej, licząc liczbę pikseli przypadających na jeden centymetr. Upewnij się, że rozdzielczość w kierunku poziomym i pionowym jest taka sama.Po skalibrowaniu systemu obrazowania ponownie uruchom pompę strzykawkową z przepływem 20 milliliters per hour. Jednocześnie przygotuj oprogramowanie sterujące kamerą do monitorowania procesu uderzenia przed rozpoczęciem rejestracji danych. Ćwicz uważną obserwację momentu formowania się kropli, aby umożliwić ręczne wyzwalanie kamery w chwili, gdy kropla odrywa się od dyszy.Po zarejestrowaniu danych należy zredagować wideo do fragmentu zawierającego moment uderzenia i zapisać go jako sekwencję obrazów do analizy. Technika szybkiego obrazowania została wykorzystana do zbadania wpływu galu-indu pomiędzy różnymi tlenkami. Wytrzymałość warstwy wierzchniej została określona przez kwas.Przedmycie przedstawione tutaj to klatki ukazujące rozprzestrzenianie się trzech różnych preparatów w momencie uderzenia o szklaną powierzchnię. Każda kropla spadła z tej samej wysokości dyszy i uderzyła z prędkością około jednego metra na sekundę. Początkowa średnica kropli bez przedmycia wynosiła 6,25 milimetra.Warstwa tlenkowa zapobiega obniżeniu energii powierzchniowej cieczy, co skutkuje niesferycznym kształtem podczas etapu opadania; przemywanie próbek i zastosowanie kwasu redukuje tlenek i osłabia efekt warstwy tlenkowej. Przy odpowiednio wysokich stężeniach kwasu nie obserwuje się różnic między galem, indem a zwykłymi cieczami.Dane umożliwiają zademonstrowanie przejścia z reżimu kapilarnego do reżimu lepkościowego. Dane skupiają się w jedną krzywą, gdy stosunek promienia początkowego do końcowego pm podzielony przez liczbę Reynoldsa podniesioną do potęgi jednej piątej jest naniesiony względem stosunku efektywnej liczby Webera i liczby Reynoldsa podniesionej do potęgi czterech piątych. Początek rozbryzgu w gęstej zawiesinie został zbadany w reżimie, w którym dyssypacja lepkościowa jest pomijalna w porównaniu z efektami inercyjnymi. Jest to diagram fazowy rozbryzgu dla różnych gęstości i promieni cząstek, których iloczyn znajduje się wzdłuż osi poziomej.Oś pionowa przedstawia liczbę Webera cząstki, zdefiniowaną w manuskrypcie. Czerwone okręgi wskazują, że zawsze odnotowano rozbryzg. Wstawka przedstawia typowy obraz rozbryzgu.Niebieskie kropki odpowiadają przypadkom, w których nie stwierdzono rozbryzgu. Drugi wkład jest przykładem obrazu bez rozbryzgu. Przypadki, w których stwierdzono zarówno obecność, jak i brak rozbryzgu, zostały oznaczone zielonymi kwadratami.Eksperyment powtórzono 10 razy dla każdego punktu. Wyniki są zgodne z krytyczną liczbą Webera wynoszącą około 14 plus lub minus dwa. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby ćwiczyć przygotowywanie próbek i często wyznaczać ułamek upakowania, aby zyskać pewność, że próbki są przygotowywane w sposób powtarzalny.Zapewni to powtarzalność wyników eksperymentalnych po opracowaniu tej metody. Technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny płynów złożonych do eksploracji dynamiki uderzeń w różnorodnych układach cieczowych.

fast-imaging-technique-to-study-drop-impact-dynamics-non-newtonian

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Szybka Technika Obrazowania do Badania Dynamiki Uderzenia Kropli Płynów Nienewtonowskich

Opracowano nowy system mikrofluidyczny wykorzystujący zjawisko pompowania pasywnego oraz sterowany przez użytkownika system dostarczania płynów. Ze względu na niski koszt, łatwość obsługi, precyzję objętościową, wysoką prędkość, powtarzalność i automatyzację, system mikrofluidyczny ten ma potencjał do zastosowania w szerokim zakresie aplikacji biologicznych.

Szybki system dostarczania oparty na kropelkach do pompowania pasywnego w urządzeniach mikroprzepływowych

Mikroskopia konfokalna służy do obrazowania spoczynkowych i przepływających mieszanin koloidowo-polimerowych, które są badane jako układy modelowe dla atrakcyjnych zawiesin. Algorytmy analizy obrazu służą do obliczania wskaźników strukturalnych i dynamicznych dla cząstek koloidalnych, które mierzą zmiany spowodowane ograniczeniem geometrycznym.

Obrazowanie konfokalne ograniczonych mieszanin koloidalno-polimerowych w stanie spoczynku i przepływu

Opisano dwa eksperymentalne urządzenia do badania uderzenia strumienia cieczy w poruszającą się powierzchnię o dużej prędkości: urządzenie z armatą powietrzną i urządzenie z wirującym dyskiem. Aparatura służy do określania optymalnych podejść do stosowania płynnego modyfikatora tarcia (LFM) na torach kolejowych w celu kontroli tarcia na szczycie szyny.

Wizualizacja zaparcia strumienia cieczy o dużej prędkości na ruchomej powierzchni

Przedstawiono protokół do badania wpływu fal na dynamikę uderzeń kropel w przepływające warstwy cieczy.

Kontrola filmu w celu zbadania wpływu fal na dynamikę oddziaływania kropel na cienkie, płynące warstwy cieczy

Ten protokół demonstruje podstawową konfigurację eksperymentalną dla eksperymentów z wejściem do wody z swobodnie spadającymi kulami. Omówiono metody zmiany powierzchni cieczy za pomocą przenikalnych tkanin, przygotowania kulek niezwilżających chemicznie oraz etapów wizualizacji rozprysków i ekstrakcji danych.

Uderzenia swobodnie spadających kul w głębokim basenie cieczy ze zmienionymi warunkami powierzchni płynu i impaktora

Ten protokół umożliwia efektywne zbieranie eksperymentalnych obrazów uderzeń kropel cieczy z dużą prędkością oraz szybką analizę tych danych w partiach. Aby usprawnić te procesy, metoda opisuje, jak skalibrować i ustawić aparaturę, wygenerować odpowiednią strukturę danych i wdrożyć skrypt do analizy obrazu.

Wysokoprzepustowa analiza uderzeń kropel cieczy

Tutaj przedstawiono protokół produkcji urządzeń mikroprzepływowych na bazie szkła, używanych do generowania wysoce monodyspersyjnych emulsji o kontrolowanej wielkości kropli.

Urządzenia na bazie szkła do generowania kropli i emulsji

Ten artykuł demonstruje eksperymentalną procedurę pomiaru końcowych prędkości osiadania sferycznych cząstek w płynach lepkosprężystych na bazie surfaktantów rozrzedzanych ścinaniem. Przygotowywane są płyny o szerokim zakresie właściwości reologicznych i mierzone są prędkości osiadania dla różnych rozmiarów cząstek w płynach nieograniczonych i płynach między równoległymi ściankami.

Eksperymentalny pomiar prędkości osiadania cząstek sferycznych w nieograniczonych i ograniczonych płynach lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych rozrzedzających ścinanie

Przedstawiono metodę pokonywania limitu dyfrakcji optycznej. Metoda obejmuje dwuetapowy proces: optyczne odzyskiwanie fazy za pomocą iteracyjnego algorytmu Gerchberga-Saxtona oraz przesunięcie systemu obrazowania, po którym następuje powtórzenie pierwszego kroku. Syntetycznie zwiększona apertura obiektywu jest generowana wzdłuż kierunku ruchu, co zapewnia wyższą rozdzielczość obrazowania.

Multipleksowanie czasowe Technika super rozdzielczości do obrazowania z ruchomej platformy

Opisano metodę trwałego łączenia dwóch płytek krzemowych w celu uzyskania jednolitej obudowy. Obejmuje to przygotowanie płytek, czyszczenie, klejenie RT i procesy wyżarzania. Powstałe połączone płytki (komórki) mają jednorodność obudowy ~1%1,2. Uzyskana geometria pozwala na pomiary zamkniętych cieczy i gazów.

Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Poznaj technikę szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich, w tym metali ciekłych i gęstych zawiesin granularnych. Metoda pozwala analizować wpływ naprężenia powierzchniowego, lepkości i średnicy cząstek na dynamikę uderzenia.

Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

Przeglądaj więcej filmów