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

Ogólnym celem tej procedury jest zbadanie procesów hydrodynamicznych w skali molekularnej w cieczach przy użyciu techniki analogowej, która mierzy dynamikę pojedynczych i zbiorowych cząstek w wibrujących pryzmatach ziarna. Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia ona eksperymentalnie dostępną odwrotną mikropowłokę do bezpośredniej obserwacji złożonej dynamiki w skali molekularnej. Ponieważ technika ta jest silnie sprzężona z mechaniką statystyczną oddziałujących układów cząstek, otwiera ona drzwi do badań eksperymentalnych w zakresie podstawowych pytań w tej dziedzinie.

Technika ta może być również zastosowana do badania mechaniki statystycznej oddziałujących makroskopowych układów cząstek, takich jak wibrujące stosy zboża, które badamy. Ogólnie rzecz biorąc, osoby korzystające z tej techniki będą miały trudności z nauczeniem się elementów mechaniki statystycznej równowagi i nierównowagi, które są niezbędne do interpretacji obserwacji eksperymentalnych w projektowaniu eksperymentów. Wizualna demonstracja tej techniki ma kluczowe znaczenie, ponieważ rozszerza ona prędkość obrazowania cząstek, zwykle używaną do pomiaru ruchu cząstek w skali mikronowej, na ruch ziaren w skali centymetrowej.

W eksperymencie wykorzystano ten system wibracyjny. Składa się z pierścieniowej misy poliuretanowej przymocowanej do jednobiegowego niezrównoważonego silnika w celu generowania wibracji. Są one przymocowane do obciążonej podstawy i oddzielone grupą sprężyn

Przymocuj zespół miski do stojaka za pomocą gumowych haczyków. Wewnątrz miski zamocuj trójosiowy akcelerometr. Jest on podłączony do sygnału z czujnika umieszczonego na stole z dala od układu wibracyjnego.

Następnie pracuj z wybranym medium do eksperymentu. W takim przypadku należy użyć ceramicznego środka polerskiego o prostym cięciu trójkąta o równych długościach boków. Dodaj pożywkę do miski wibracyjnej W pobliżu miski przygotuj roztwór wody i masy wykończeniowej do zwilżenia podłoża.

Ustaw również pompę perystaltyczną, aby przesuwać płyn w misce wibracyjnej. Poprowadź plastikową rurkę od pompy do górnej części miski. Ustaw szybkość pompy, ale nie inicjuj przepływu.

Do obrazowania skonfiguruj kamerę o dużej szybkości. Wybierz obiektyw odpowiedni do żądanej integracji powierzchni i rozdzielczości. Oprzyj kamerę na konstrukcji, która jest odizolowana od układu wibracyjnego.

Podczas montażu kamery jej długość powinna być prostopadła do otwartej powierzchni nośnika i 550 milimetrów nad nią. Następnie podłącz kamerę do jej zasilania, anteny GPS i komputera. Na komputerze uruchom oprogramowanie aparatu i wybierz aparat.

View pole widzenia kamery na żywo za pomocą oprogramowania. Podczas konfiguracji użyj dowolnego jasnego światła, aby oświetlić obszar testowy. Wybrane pole widzenia powinno być równomiernie oświetlone.

Następnie użyj oprogramowania aparatu, aby cyfrowo powiększyć do 500-krotnego powiększenia. W aparacie wyreguluj pierścień ostrości obiektywu. Celem jest osiągnięcie najlepszego optycznego ustawienia ostrości do zbierania danych.

Następnie przywróć zoom cyfrowy do stanu bez powiększenia. Kontynuuj, ustawiając szybkość akwizycji kamery. Przed zrobieniem zdjęć umieść liniaturę w polu view.

Użyj aparatu, aby nagrać pojedynczy obraz. Zapisz obraz jako plik TIFF przed usunięciem go z aparatu. Gdy kamera będzie gotowa, przygotuj się do uruchomienia misy wibracyjnej.

Weź 150 mililitrów roztworu masy wykończeniowej z pojemnika. Weź 150 mililitrów do miski wibracyjnej i równomiernie rozprowadź roztwór, aby zapewnić początkowe zwilżenie podłoża. Następnie umieść duży pojemnik ze związkiem na podłodze w pobliżu pompy perystaltycznej.

Podłącz wąż od pompy do pojemnika przed uruchomieniem pompy. W tym momencie uruchom zagęszczarkę i odczekaj minimum minutę. Gdy przepływ jest w stanie ustalonym, wyzwól kamerę, aby nagrywała akcję w polu view dla wybranego czasu pracy.

Te nagrane klatki zostały przekształcone w wideo. Po zebraniu danych zatrzymaj system wibracyjny. Następnie zatrzymaj pompę perystaltyczną.

W celu przetworzenia zapisz uzyskane obrazy jako pliki TIFF na komputerze i przekonwertuj je na skalę szarości. Następnie rozpocznij pracę w obrazie cząstek w środowisku oprogramowania do prędkościomierzy. Przejdź do Plik, a stamtąd do Importuj, a następnie Importuj obrazy.

W oknie dialogowym Kreatora importu wybierz opcję Pojedyncza klatka, a następnie opcję Dodaj obrazy. Teraz wybierz obraz kalibracyjny, aby dodać go do obrazów do zaimportowania. Kliknij ponownie w Dodaj obrazy, a następnie zaznacz wszystkie obrazy danych, aby wybrać je do zaimportowania.

Kontynuuj, klikając przycisk Dalej. Na następnym ekranie wprowadź ustawienia kamery, w tym liczbę klatek na sekundę i rozstaw pikseli. Po ich wprowadzeniu kliknij przycisk Dalej, a następnie przycisk Zakończ.

Teraz przejdź do listy zawartości. Obraz kalibracyjny powinien być pierwszy. Kliknij prawym przyciskiem myszy drugi obraz, wybierz Podziel zespół stąd, aby utworzyć dwa zestawy obrazów.

Chwyć zestaw obrazów zawierający tylko obraz kalibracyjny i upuść go w miejscu oznaczonym jako Nowa kalibracja. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw obrazów kalibracyjnych i wybierz opcję Zmierz współczynnik skali. Na ekranie pojawi się obraz kalibracji.

Umieść znacznik A na końcowej linijce obrazu. Następnie umieść znacznik B w innym miejscu na linijce. Przejdź do pola tekstowego Odległość bezwzględna i wprowadź odległość między znacznikami zgodnie z linijką.

Kliknij przycisk OK, aby zapisać ustawienia i kontynuować. Teraz wybierz importowany zestaw obrazów bez obrazu kalibracyjnego. Przejdź, aby kliknąć przycisk Analizuj.

Wybierz opcję Utwórz podwójną ramkę. Następnie wybierz opcję tworzenia par obrazów z opcji stylu. Aby zdefiniować obszar przesłuchania, otwórz dowolny obraz bez kalibracji.

Kliknij obraz prawym przyciskiem myszy i wybierz Gęstość cząstek. W wyświetlonym oknie dialogowym pojawi się powiększony widok obszaru sondy. Kliknij kartę Ustawienia i zacznij zmieniać obszar rozmiaru sondy.

Celem jest, aby w obszarze sondy stale znajdowały się co najmniej trzy cząstki. Zanotuj rozmiar obszaru sondy do późniejszego wykorzystania. Wróć do sekcji Analiza i wybierz metodę korelacji adaptacyjnej.

Kliknij przycisk OK. Przejdź do zakładki obszaru przesłuchań i kliknij na nią. Tam wybierz wcześniej wyznaczony obszar przesłuchania, który pozwala na zidentyfikowanie trzech lub więcej cząstek. Kliknij przycisk OK w oknie dialogowym Korelacja adaptacyjna, aby przeprowadzić analizę.

W miarę postępu analizy sprawdź wzrokowo kilka pierwszych pól prędkości. Jest to przykład nałożenia pola wektorowego na obraz nośnika w skali szarości. W takim przypadku długości i kierunki wektorów nie wydają się spójne ani rozsądne.

Sprawdzaj wzrokowo mapy wektorowe w trakcie ich tworzenia, aby upewnić się, że wyniki są realistyczne. Jeśli wyniki są niezadowalające, zatrzymaj proces i zmień dane wejściowe zdefiniowane przez użytkownika, takie jak obszar przesłuchania, a następnie uruchom ponownie analizę. Jest to przykład zadowalającego pola wektorowego.

Ponownie, nałożony na obraz w skali szarości. Po zakończeniu analizy dla każdej pary obrazów w zestawie zostanie utworzone pole wektorowe obejmujące pole widzenia. Dane z obrazu prędkości cząstek umożliwiają dopasowanie rozkładu prędkości w danym punkcie systemu do rozkładu Maxwella Boltzmanna.

Obraz przedstawia ziarno użyte w eksperymencie. Czerwony pasek reprezentuje jeden centymetr. Dane w kolorze niebieskim reprezentują znormalizowany histogram zmierzonych poziomych osobliwych prędkości ziarna.

Dane dotyczące wielu typów cząstek są zgodne z bezdyssypacyjną dynamiką Hamiltona, niezależnymi od prędkości energiami potencjału między cząstkami i niezależnymi od potencjału energiami kinetycznymi. Co więcej, dostarczają dowodów na lokalną makroskopową równowagę mechaniczną. Funkcja autokorelacji prędkości dla pojedynczych ziaren jest funkcją charakterystycznej liczby zderzeń ziaren, którą można również wyodrębnić z danych prędkościomierzy.

Dynamika pojedynczych ziaren jakościowo naśladuje tę przewidywaną w cieczach molekularnych i gęstych gazach. Widma te są wyznaczane na podstawie prędkości obrazu cząstek w jednoczesnych pomiarach przyspieszenia pojemnika. Rezonujące fale akustyczne w systemie zbiornika na stos zboża pokrywają się z rezonującymi modami akustycznymi w pustym pojemniku.

Mody akustyczne w widmach lokalnej osobliwej prędkości płynu nie są oczywiste ze względu na ograniczenia eksperymentu. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące hydrodynamiki molekularnej cieczy, takie jak to, w jaki sposób przewidywalny, obserwowalny przepływ płynu wyłania się z nieprzewidywalnej dynamiki cząsteczek w stanie ciekłym. Po opanowaniu, eksperymentalną część tej procedury można wykonać w mniej niż godzinę.

Przetwarzanie i analiza danych PIV mogą trwać od godziny do kilku dni, w zależności od systemu przetwarzania danych. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że aby połączyć obserwacje wykonane w wibrujących układach ziaren z hydrodynamiką molekularną, należy nauczyć się elementów mechaniki statystycznej równowagi i nierównowagi. W ślad za tym rozwojem, technika ta została wykorzystana do eksperymentalnej walidacji symulacji dynamiki płynów przepływów ziaren napędzanych wibracjami, a także do testowania lepkości płynów zbożowych w porównaniu z lepkościami przewidywanymi przez mechanikę statystyczną nierównowagi.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć rozsądną wiedzę na temat tego, jak po pierwsze skonfigurować system PIV do pomiaru wibracyjnych systemów ziarna, a po drugie, jak wykorzystać te pomiary do badania molekularnych układów hydrodynamicznych.