Uma técnica macroscópica analógica para estudar processos hidrodinâmicos Molecular em densas Gases e líquidos

O objetivo geral deste procedimento é estudar processos hidrodinâmicos em escala molecular em líquidos usando uma técnica analógica que mede a dinâmica de partículas simples e coletivas em pilhas de grãos vibrados. A principal vantagem desta técnica é que ela fornece microconcha inversa experimentalmente acessível para observar diretamente a dinâmica complexa em escala molecular. Uma vez que esta técnica está fortemente acoplada na mecânica estatística de sistemas de partículas em interação, ela abre uma porta para a investigação experimental nas questões fundamentais neste campo.

Essa técnica também pode ser aplicada para estudar a mecânica estatística de sistemas de partículas macroscópicas em interação, como as pilhas de grãos vibratórias que estamos investigando. Geralmente, os indivíduos que usam essa técnica terão dificuldade em aprender os elementos da mecânica estatística de equilíbrio e não equilíbrio que são necessários para interpretar observações experimentais no projeto de experimentos. A demonstração visual dessa técnica é crítica, pois estende a velocimetria de imagem de partículas, normalmente usada para medir o movimento de partículas em escala de mícron para o movimento de grãos em escala centimétrica.

O experimento usa esse sistema vibratório. Consiste em uma cuba anular de poliuretano acoplada a um motor desbalanceado de velocidade única para gerar vibrações. Estes são fixados a uma base pesada e separados por um grupo de molas.

Prenda o conjunto da tigela ao suporte com ganchos de borracha. Dentro da tigela, conecte um acelerômetro triaxial. Isso é conectado a um sinal de sensor em uma mesa longe do sistema vibratório.

Em seguida, trabalhe com a mídia escolhida para o experimento. Neste caso, use um triangular de corte reto de meio de polimento cerâmico com comprimentos laterais iguais. Adicione a mídia à tigela vibratória Perto da tigela, tenha uma solução de água e composto de acabamento pronta para molhar a mídia.

Além disso, configure uma bomba peristáltica para mover o fluido na tigela vibratória. Passe um tubo de plástico da bomba até o topo da tigela. Defina a taxa da bomba, mas não inicie o fluxo.

Para imagens, configure uma câmera de alta velocidade. Escolha uma lente apropriada para a integração e resolução de superfície desejadas. Apoie a câmera em uma estrutura isolada do sistema vibratório.

Ao montar a câmera, seu comprimento deve ser perpendicular à superfície aberta da mídia e 550 milímetros acima dela. Em seguida, conecte a câmera à fonte de alimentação, a uma antena GPS e ao computador. No computador, inicie o software da câmera e selecione a câmera.

Visualize o campo de visão da câmera ao vivo com o software. Na configuração, use qualquer luz brilhante para iluminar a região de teste. O campo de visão escolhido deve ser iluminado uniformemente.

Em seguida, use o software da câmera para aumentar o zoom digitalmente para uma ampliação de 500 vezes. Na câmera, ajuste o anel de foco da lente. O objetivo é obter o melhor foco óptico para coleta de dados.

Em seguida, retorne o zoom digital para nenhuma ampliação. Continue definindo a taxa de aquisição da câmera. Antes de tirar imagens, coloque uma escala pautada no campo de visão.

Use a câmera para gravar uma única imagem dele. Salve a imagem como um arquivo TIFF antes de excluí-la da câmera. Quando a câmera estiver pronta, prepare-se para iniciar a tigela vibratória.

Obtenha 150 mililitros de solução de composto de acabamento do recipiente. Leve os 150 mililitros para a tigela vibratória e espalhe a solução uniformemente para fornecer o umedecimento inicial do meio. Em seguida, coloque o grande recipiente de composto no chão perto da bomba peristáltica.

Conecte uma mangueira da bomba ao recipiente antes de ativar a bomba. Neste ponto, inicie a tigela vibratória e aguarde no mínimo um minuto. Com o fluxo em estado estacionário, acione a câmera para gravar a ação no campo de visão para o tempo de execução escolhido.

Esses quadros gravados foram transformados em um vídeo. Quando os dados forem coletados, pare o sistema vibratório. Em seguida, pare a bomba peristáltica.

Para processamento, salve as imagens adquiridas como arquivos TIFF no computador e converta-as em escala de cinza. Em seguida, comece a trabalhar na imagem de partículas do ambiente de software de velocimetria. Vá para Arquivo e de lá para Importar e, em seguida, Importar imagens.

Na caixa de diálogo Assistente de importação, selecione Quadro único, seguido de Adicionar imagens. Agora selecione a imagem de calibração para adicioná-la às imagens a serem importadas. Clique em Adicionar imagens novamente e realce todas as imagens de dados para selecioná-las para importação.

Continue clicando em Avançar. Na tela seguinte, insira as configurações da câmera, inclua a taxa de quadros e a densidade de pixels. Quando eles forem inseridos, clique em Avançar e depois em Concluir.

Agora vá para a lista de conteúdo. A imagem de calibração deve ser a primeira. Clique com o botão direito do mouse na segunda imagem, selecione Split Ensemble a partir daqui para criar dois conjuntos de imagens.

Pegue o conjunto de imagens apenas com a imagem de calibração e solte-o no local rotulado Nova calibração. Em seguida, clique com o botão direito do mouse no conjunto de imagens de calibração e selecione Medir fator de escala. A imagem de calibração aparecerá na tela.

Na imagem, posicione o marcador A na régua da imagem final. Em seguida, coloque o marcador B em outra posição na régua. Vá para a caixa de texto Distância absoluta e insira a distância entre os marcadores de acordo com a régua.

Clique em OK para salvar as configurações e continuar. Agora selecione o conjunto de imagens importado sem a imagem de calibração. Mova para clicar em Analisar.

Selecione Criar quadro duplo. Em seguida, escolha criar pares de imagens nas opções de estilo. Para definir a área de interrogação, abra qualquer imagem que não seja de calibração.

Clique com o botão direito do mouse na imagem e selecione Densidade de partículas. Na caixa de diálogo que aparece, haverá uma visualização ampliada de uma área de teste. Clique na guia Configurações e comece a alterar a área do tamanho da sonda.

O objetivo é ter consistentemente um mínimo de três partículas na área da sonda. Observe o tamanho da área da sonda para uso posterior. Retorne para Analisar e escolha o método de Correlação Adaptativa.

Clique em OK. Vá para a guia da área de interrogatório e clique nela. Lá, selecione a área de interrogação previamente determinada que permite que três ou mais partículas sejam identificadas. Clique em OK na caixa de diálogo Correlação adaptativa para executar a análise.

À medida que a análise prossegue, inspecione visualmente os primeiros campos de velocidade. Este é um exemplo de um campo vetorial sobreposto em uma imagem em escala de cinza da mídia. Nesse caso, os comprimentos e direções do vetor não parecem consistentes ou razoáveis.

Inspecione visualmente os mapas vetoriais à medida que estão sendo produzidos para garantir que os resultados sejam realistas. Se os resultados forem insatisfatórios, pare o processo e altere as entradas definidas pelo usuário, como área de interrogação, e reinicie a análise. Este é um exemplo de um campo vetorial satisfatório.

Novamente, sobreposto à imagem em tons de cinza. Quando a análise for concluída, um campo vetorial abrangendo o campo de visão será criado para cada par de imagens no conjunto. Os dados de velocimetria de imagem de partículas permitem ajustar a distribuição de velocidade em um ponto do sistema à distribuição de Maxwell Boltzmann.

A imagem é do grão usado no experimento. A barra vermelha representa um centímetro. Os dados em azul representam um histograma normalizado de velocidades de grão peculiares horizontais medidas.

Os dados sobre muitos tipos de partículas são consistentes com a dinâmica hamiltoniana sem dissipação, energias potenciais entre partículas independentes de velocidade e energias cinéticas independentes de potencial. Além disso, eles fornecem evidências para o equilíbrio mecânico macroscópico local. A função de autocorrelação de velocidade para grãos únicos é uma função do número característico de colisões de grãos que também pode ser extraída dos dados de velocimetria.

A dinâmica de grão único imita qualitativamente as previstas em líquidos moleculares e gases densos. Esses espectros são determinados a partir da velocimetria da imagem de partículas em medições simultâneas de aceleração de contêineres. As ondas acústicas ressonantes no sistema de contêineres de pilha de grãos coincidem com os modos acústicos ressonantes no recipiente vazio.

Os modos acústicos nos espectros da velocidade do fluido peculiar local não são evidentes devido às limitações do experimento. Este método pode ajudar a responder a questões-chave na hidrodinâmica molecular de líquidos, como o fluxo de fluido previsível e observável emerge da dinâmica imprevisível do estado líquido das moléculas. Uma vez dominado, a parte experimental deste procedimento pode ser feita em menos de uma hora.

O processamento PIV e a análise de dados podem levar de uma hora a alguns dias, dependendo do sistema de processamento de dados. É importante reconhecer que, para conectar observações feitas em sistemas de grãos vibrados à hidrodinâmica molecular, elementos de equilíbrio e não equilíbrio Após esse desenvolvimento, essa técnica tem sido usada para validar experimentalmente simulações de fluidodinâmica de escoamentos de grãos acionados por vibração, bem como testar a medição de viscosidades em fluidos de grãos em relação àquelas previstas pela mecânica estatística de não equilíbrio.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma compreensão razoável de como primeiro configurar um sistema PIV para medir os sistemas vibratórios de grãos e, segundo, como usar essas medições para investigar sistemas hidrodinâmicos moleculares.