Artigo de método

Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos

DOI:

10.3791/51249

⸱

5 de março de 2014

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

Neste artigo

Resumo

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

Impacto da gota de fluidos não newtonianos, é um processo complexo uma vez que diferentes parâmetros físicos influenciar a dinâmica ao longo de um tempo muito curto (menos de um décimo de milésimo de segundo). A técnica de imagem rápido é introduzida a fim de caracterizar os comportamentos de impacto de diferentes fluidos não-newtonianos.

Resumo

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

No campo da mecânica dos fluidos, muitos processos dinâmicos ocorrem não só em um intervalo de tempo muito curto, mas também requer alta resolução espacial para observação detalhada, os cenários que tornam mais difícil de observar, com sistemas de imagem convencionais. Um destes é o impacto de queda de líquidos, o que geralmente ocorre dentro de um décimo de milésimo de segundo. Para enfrentar esse desafio, uma técnica de imagem rápido é introduzido, que combina uma câmera de alta velocidade (capaz de até um milhão de quadros por segundo) com uma lente macro com distância de trabalho longa para trazer a resolução espacial da imagem até 10 m / pixel. A técnica de imagem permite a medição precisa da quantidade de fluido dinâmico relevantes, tais como o fluxo de campo, a distância de difusão e a velocidade de salpicos, a partir da análise do vídeo gravado. Para demonstrar as capacidades deste sistema de visualização, a dinâmica de impacto quando gotículas de fluidos não-newtonianos incidem sobre uma superfície plana e dura são caracAUTORIZADO. Duas situações são consideradas: para as gotas de metal líquido oxidados vamos nos concentrar no comportamento espalhando, e para suspensões densamente vamos determinar o aparecimento de salpicos. De modo mais geral, a combinação de resolução de imagem temporal e espacial de alta introduzida aqui oferece vantagens para o estudo de dinâmica rápida através de uma ampla gama de fenômenos em microescala.

Introdução

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

Impacto da queda sobre uma superfície sólida é um processo fundamental em muitas aplicações que envolvem a fabricação eletrônica 1, revestimento de pulverizador 2 e fabricação aditiva usando jato de tinta de impressão de 3,4, onde um controle preciso da queda de divulgação e salpicos é desejada. No entanto, a observação direta do impacto da queda é um desafio técnico por duas razões. Primeiro, é um processo dinâmico, complexo que ocorre dentro de uma escala de tempo muito curto (~ 100 ms) a ser trabalhada facilmente por sistemas de imagem convencionais, como microscópios ópticos e câmeras DSLR. Flash fotografia pode imagem Campo de muito mais rápido, mas não permite a gravação contínua, conforme necessário para uma análise detalhada da evolução com o tempo. Em segundo lugar, a escala de comprimento induzida por instabilidades de impacto pode ser tão pequena como 10 mM 5. Assim, para estudar o processo de impacto quantitativamente um sistema que combina a imagiologia ultra-rápida, juntamente com razoavelmente elevada resolução espacial, é frequentementedesejado. Na ausência de tal sistema, os primeiros trabalhos sobre o impacto das gotas focado principalmente na deformação geométrica global após impacto 6-8, mas foi incapaz de reunir informações sobre o tempo no início, os processos de não equilíbrio associados ao impacto, como o aparecimento de salpicos. Recentes avanços em CMOS de alta velocidade videografia de fluidos 9,12 empurraram a taxa de quadros até um milhão de fps e tempos de exposição para baixo abaixo de 1 ms. Além disso, as técnicas de imagem CCD recentemente desenvolvidos pode empurrar o frame rate bem acima de um milhão de fps 9-12. A resolução espacial, por outro lado, pode ser aumentada a fim de 1 mM / pixel usando lentes de aumento 12. Em consequência, tornou-se possível explorar em detalhe sem precedentes a influência de uma vasta gama de parâmetros físicos em vários estágios de impacto de queda e para comparar sistematicamente experiência e teoria 5,13-16. Por exemplo, a transição de salpicos em fluidos newtonianos foi fouª a ser definido pela pressão atmosfera 5, enquanto a reologia intrínseca decide a dinâmica de espalhamento de líquidos rendimento de estresse 17.

Aqui, um e poderosa técnica de imagem rápido simples é introduzido e aplicado para estudar a dinâmica de impacto de dois tipos de fluidos não-newtonianos: metais líquidos e suspensões densamente. Com a exposição ao ar, essencialmente todos os metais líquidos (com excepção de mercúrio) irá desenvolver espontaneamente uma película de óxido sobre a sua superfície. Mecanicamente, a pele é encontrado para alterar a tensão superficial efectiva e capacidade de molhagem dos metais 18. Em um trabalho anterior 15, vários dos autores estudaram o processo de difusão quantitativa e foram capazes de explicar como o efeito de pele influencia a dinâmica impacto, especialmente a ampliação do raio máximo espalhando com os parâmetros de impacto. Desde metal líquido tem alta refletividade da superfície, é necessário um ajuste cuidadoso da iluminação na imagem. Suspensões umre composto por pequenas partículas em um líquido. Mesmo para líquidos newtonianos simples, a adição de partículas resulta em comportamento não-newtoniano, que se torna especialmente pronunciada em suspensões densos, isto é, a fracção de elevado volume de partículas em suspensão. Particularmente, o aparecimento de salpicos quando uma gota de suspensão atinge uma superfície lisa, dura, foi estudada no trabalho anterior 16. Ambos líquida de partículas e interações entre partículas pode alterar o comportamento salpicos significativamente do que se poderia esperar de líquidos simples. Para controlar as partículas tão pequenas quanto 80 um nestas experiências uma alta resolução espacial é necessária.

Uma combinação de vários requisitos técnicos, como a resolução temporal e espacial de alta, além da capacidade de observar os impactos tanto do lado e por baixo, tudo pode ser satisfeita com a configuração de imagem descrito aqui. Ao seguir um protocolo padrão, descrito abaixo, a dinâmica de impacto pode ser investigated de uma forma controlada, como mostra explicitamente para espalhar e espirrando comportamento.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Protocolo

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

1. Configuração de Imagem Rápida (veja a Figura 1)

  1. Começar pela criação de uma faixa vertical ao longo da qual um recipiente cheio com o fluido a ser estudados pode ser movido livremente para ajustar a velocidade de impacto. O fluido deixa o fundo do recipiente através de um bocal e, em seguida, entra em queda livre. Para este trabalho a altura de queda foi variada 1-200 cm para dar uma velocidade de impacto V 0 = (0,4-6,3) ± 0,15 m / seg.
  2. Construir e montar uma estrutura para manter o avião impacto horizontal, normalmente uma placa de vidro, em que um espelho reflector inclinado é posicionado para a visualização do impacto da queda do fundo.
  3. Coloque uma placa de vidro limpa e suave para o titular. Verifique se a placa está nivelado horizontalmente.
  4. Montar uma bomba de seringa para a pista vertical.
  5. Para o impacto de metal líquido, coloque um difusor de papel transparente por trás do bico para o lado-vista de imagem. Ao mesmo tempo, fixar um papel branco opaco sobre a bomba de seringa para gerarreflexão para a visualização de fundo (ver Figura 1). Em seguida, localize a fonte de luz por trás do bico.
  6. Para o impacto suspensão densa, não é necessário difusor. Em vez disso, basta colocar a fonte de luz em frente do plano de imagem.
  7. Selecione a lente macro com uma distância focal apropriada para ampliação desejada e distância de trabalho óptico. Em seguida, conecte a lente da câmera.
  8. Monte a câmera em um tripé e ajustar a altura da câmera de acordo com a perspectiva de imagem (lateral ou inferior).

2. Preparação de Amostras

  1. Preparação de oxidado metal líquido
    1. Loja de gálio-índio Eutectic (eGain) em um recipiente fechado. Uma vez que a sua temperatura de fusão é de cerca de 15 ° C, eGain permanece no estado líquido à temperatura ambiente.
    2. Usar uma pipeta para extrair 3 ml eGain a partir do recipiente e expulsar-o para uma placa de acrílico. Esperar 30 min para a amostra a ser totalmente oxidado no ar. Como consequence, uma fina camada de pele enrugada oxidada cobre completamente a superfície da amostra.
    3. Usar ácido clorídrico (HCl; "CUIDADO") de diferentes concentrações de pré-lavagem a amostra eGain e para controlar a oxidação da superfície. Especificamente, o cisalhamento da amostra, enquanto ele está no banho de ácido, em 60 seg -1 taxa de cisalhamento com um reómetro. Após 10 minutos de corte, o nível de oxidação da superfície da amostra atinge o equilíbrio, definido pela 15,18 concentração de HCl.
    4. Após este pré-lavagem, com uma seringa de plástico com uma ponta de injector de aço para extrair eGain do banho.
    5. Monte a seringa na bomba de seringa e estar pronto para o experimento.
  2. Preparação de suspensões densas
    1. Cortar a extremidade de uma seringa comercial (4,5 milímetros ou 2,3 ​​mm de raio) e usá-lo como o tubo cilíndrico para a distribuição da suspensão densa.
    2. Puxe para trás o pistão e encher a seringa com água todo o caminho até a extremidade aberta, fazendo sure há nenhuma bolha ar arrastado.
    3. Coloque esféricas ZrO 2 ou esferas de vidro para dentro da seringa. Com a sedimentação de partículas, a água irá transbordar para fora a partir do bocal. Encher a seringa com partículas de todo o caminho até à extremidade aberta. A suspensão vai atolar sob gravidade.
    4. Use uma lâmina de barbear para remover partículas molhadas extras a partir do topo para manter essa extremidade plana.
    5. Vire o bocal e montá-lo para a bomba de seringa. A tensão superficial vai impedir que as partículas de cair 16.

3. Calibragem

Antes de coletar vídeos, os parâmetros do dispositivo de imagem tem que ser definido e alinhamento de iluminação tem de ser concluída. Além disso, a resolução espacial precisa ser calibrado.

  1. Inicie a bomba de seringa a uma velocidade de 20 ml / h, para empurrar para fora o fluido (líquido ou suspensão de metal) a partir do bocal.
  2. Espere até que o fluido a separar da seringa, e formar uma gota de quedaf para fazer um teste de impacto sobre o substrato de vidro.
  3. Ajuste a posição da câmera, incluindo a sua posição vertical e orientação de imagem, para encontrar o splat no monitor do computador que se conecta à câmera. Modificar a distância de trabalho de organizar a imagem ser no plano focal, quando a taxa de reprodução da lente é fixada em 1:1.
  4. Varie o tamanho da abertura, tempo de exposição e ângulo de iluminação para obter a melhor qualidade de imagem quando a taxa de quadros é alta o suficiente (> 6.000 fps). Figura 2 (a) mostra imagens típicas tiradas pela câmera tanto para líquido eGain e uma suspensão densa.
  5. Coloque uma régua no campo de visão (ver Figura 2 (b)) e calcular a resolução espacial pela contagem de quantas pixels encaixa em toda 1 cm. Certifique-se de que não há diferença de resolução entre as direções horizontal e vertical.
  6. Seguir um processo de 3 etapas para medir a fração de embalagem de queda suspensão densa:
    1. Medir a massa da entdireito splat ira após o impacto (por exemplo, deixar cair gota em um copo de medição que podem ser pesados ​​com exactidão).
    2. Em seguida, evapora-se todo o solvente, com um aquecedor e novamente pesar o splat obter a massa da partícula.
    3. Calcular o volume de partículas e líquido para obter a fracção de empacotamento. Tipicamente, esta fracção de volume deve ser cerca de 60%.
  7. De acordo com a direção de observação (inferior ou lateral), posicione a câmera de forma adequada. Em particular, colocar a câmara ao lado do substrato para a vista lateral ou no mesmo plano do espelho reflector para imagem de fundo.

4. Gravação de Vídeo e Aquisição de Dados

  1. Após a calibração de imagem, reinicie a bomba de seringa. Ao mesmo tempo, abra o software da câmera de controle para monitorar o processo de impacto.
  2. Defina os números pós-disparo de quadro em cerca de metade do comprimento do vídeo. Observe com cuidado quando a queda começa a se formar e manualmente trigger a câmera no momento em que destaca queda do bico. Execute alguns testes práticos antes da gravação dos dados.
  3. Depois que os dados são gravados, cortar para baixo o vídeo para a parte que contém o impacto e salvar os vídeos como sequências de imagens para análise.

5. Pós-processamento e análise

  1. Utilizar um método de detecção limite para localizar a frente em movimento de líquido eGain medida que se espalha, o que corresponde a uma transição brusca do valor médio de pixéis (ver Figuras 3 (ab)).
  2. A partir de imagens tanto de fundo e laterais, determinar o início salpicos de suspensão densa.
  3. Realizar algoritmos partícula de rastreamento para obter traços de partículas individuais que escapou do splat (ver Figura 3 (c)). Em seguida, calcular a velocidade de ejecção de tais trajectórias (Figura 3 (d)).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Resultados

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

A técnica de imagem rápido pode ser usado para quantificar se espalhando e espirrando para vários cenários de impacto. Figura 4 (a), por exemplo, mostra sequências de imagens típicas para impacto líquido eGain com diferentes pele força óxido. Ao ejectar eGain do mesmo bocal e à mesma altura de queda, as gotas com reprodutível velocidade de impacto V 0 = 1,02 ± 0,12 m / seg e um raio R 0 = 6,25 ± 0,10 mm, foram gerados. A coluna da esquerda mostra o impacto de uma queda eGain oxidad...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Discussão

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

Vários passos são fundamentais para a boa realização do imaging rápido. Primeiro, câmera e lente tem que ser adequadamente configurado e calibrado. Em particular, a fim de obter alta resolução espacial, a escala de reprodução da lente deve ser mantida próxima de 1:1. Isto é especialmente importante para a visualização de suspensões densas. Além disso, o tamanho da abertura tem de ser cuidadosamente escolhida para imagiologia. Por exemplo, a observação do lado, em geral, requer uma maior profundidade de campo, portanto, ...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Divulgações

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

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

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

Graças a Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin e Michelle Driscoll para muitas discussões úteis e Qiti Guo para ajuda com preparação de amostras experimentais. Este trabalho foi apoiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation, Grant No. DMR-0820054.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Ácido Clorídrico Eutético de Gálio-ÍndioSigma Aldrich495425-25G
 Sigma Aldrich320331-2.5L
óxido de zircônioGlen Mills Inc.7200
Phantom V12 e V7 Fast CcameraVision ResearchN/A
105 mm Micro-NikonNikonN/A
12 V / 200 W Fonte de luzDedolightN/A
Bomba de seringaRazelMODELO R9-9E

Referências

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

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Reimpressões e permissões

Solicitar permissão para reutilizar o texto ou as figuras deste artigo JoVE

Solicitar permissão

Etiquetas

C mera de Alta VelocidadeResolu o EspacialMec nica dos FluidosExperimentos de ImpactoIn cio do RespingoComportamento de EspalhamentoSuspens es Densas

Artigos relacionados