Методическая статья

Быстрый метод визуализации по изучению падения Impact Динамика неньютоновских жидкостей

DOI:

10.3791/51249

⸱

5 марта 2014 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Влияние Капля неньютоновских жидкостей является сложным процессом, так как различные физические параметры влияют на динамику в течение очень короткого времени (менее одной десятой миллисекунды). Быстрый метод визуализации вводится для того, чтобы охарактеризовать воздействия поведения различных неньютоновских жидкостей.

Аннотация

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

В области механики жидкости, многие динамические процессы не только происходить в течение интервала очень короткое время, но и требуют высокого пространственного разрешения для детального наблюдения, сценарии, которые делают его сложным для наблюдения с обычными системами визуализации. Одним из них является влияние капля жидкости, которая обычно происходит в течение одной десятой миллисекунды. Чтобы справиться с этой задачей, техника быстро томография вводится который сочетает в себе высокую скорость камеры (способный до одного миллиона кадров в секунду) с макро-объектив с большим рабочим расстоянием довести пространственное разрешение изображения до 10 мкм / пиксель. Метод визуализации обеспечивает точное измерение соответствующих жидких динамических величин, таких как поле потока, распространяющегося расстояния и скорости брызг, из анализа записанного видео. Для демонстрации возможностей этой системы визуализации, динамика воздействия, когда капельки неньютоновских жидкостей посягают на плоской твердой поверхности являются characteавторизованный. Две ситуации считаются: для окисленных капель жидкого металла мы ориентируемся на расширяющей поведения, а для плотно упакованных суспензий мы определить начало брызг. В целом, сочетание высоким временным и пространственным разрешением изображения, введенного здесь дает преимущества для изучения быструю динамику в широком диапазоне микромасштабных явлений.

Введение

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

Оставьте влияние на твердую поверхность является ключевым процессом во многих приложениях, связанных с электронной изготовление 1, напылением 2 и присадок производства с использованием струйной печати 3,4, где точный контроль падения распространения и брызг желательна. Тем не менее, прямое наблюдение удара в результате падения технически сложной по двум причинам. Во-первых, это сложный динамический процесс, который происходит в пределах шкалы времени слишком короткие (~ 100 мкс) для включения в образ легко с помощью обычных систем визуализации, таких как оптические микроскопы и зеркальных камер. Съемка со вспышкой, конечно, могут образа намного быстрее, но не позволяет для непрерывной записи, как это требуется для детального анализа эволюции с течением времени. Во-вторых, масштаб длины, индуцированный неустойчивости ударных может быть как 10 мкм 5. Поэтому, чтобы количественно изучить процесс ударную систему, которая сочетает в себе сверхбыстрого изображений наряду с достаточно высоким пространственным разрешением частолучшего. При отсутствии такой системы, ранних работ по воздействию капель сосредоточены в основном на мировом геометрической деформации после удара 6-8, но не смог собрать информацию о начале времени, неравновесных процессов, связанных с воздействием, например, начала брызг. Последние достижения в области CMOS высокой скорости видеосъемка жидкостей 9,12 подтолкнули частоту кадров до одного миллиона кадров в секунду и времени экспозиции вниз ниже 1 мкс. Кроме того, недавно разработанные методы визуализации ПЗС может подтолкнуть частоту кадров значительно выше одного миллиона кадров в секунду 9-12. Пространственное разрешение, с другой стороны, может быть увеличена до порядка 1 мкм / пиксель, используя увеличительные линзы 12. Как следствие, это стало возможным исследовать в беспрецедентных деталях влияние широкого круга физических параметров на различных этапах удара в результате падения и систематически сравнивать эксперимент и теорию 5,13-16. Например, брызг переход в ньютоновских жидкостей был фуй, который будет установлен атмосферного давления 5, в то время как внутренняя реологические решает для расширения спектра динамику доходности стресс жидкостей 17.

Вот простой, но мощный метод быстро томография внедрена и применяется для изучения динамики воздействия двух типов неньютоновских жидкостей: жидких металлов и плотно упакованные суспензий. С воздействием воздуха, практически все жидкие металлы (кроме ртути) спонтанно разработать оксидные пленки на их поверхности. Механически, кожа найдено изменять эффективное поверхностное натяжение и смачивающий способность металлов 18. В предыдущей статье 15, некоторые из авторов изучил процесс распространения количественно и смогли объяснить, как скин-эффект влияет на динамику воздействие, особенно масштабирование максимального распространения радиуса с прицельными параметрами. Поскольку жидкий металл обладает высокой отражательной способности поверхности, осторожны регулировка освещения требуется в визуализации. Подвескиповторно состоит из мелких частиц в жидкости. Даже для простых ньютоновских жидкостей, добавление частиц приводит к неньютоновской поведения, которая становится особенно заметно в плотных суспензий, т.е. при высокой объемной доли взвешенных частиц. В частности, начало брызг, когда капля суспензии парад гладкую, твердую поверхность изучали в предыдущей работе 16. Оба жидкость-частиц и взаимодействий между частицами может изменить поведение брызг значительно от того, что можно было бы ожидать от простых жидкостей. Чтобы отслеживать частицы размером 80 мкм в этих экспериментах необходима высокое пространственное разрешение.

Сочетание различных технических требований, таких как высоким временным и пространственным разрешением, а также возможностью для наблюдения воздействия как со стороны и снизу, все это может быть выполнено с установкой изображений описанной здесь. Следуя стандартный протокол, описанный ниже, динамика воздействия может быть исследовабелл в управляемом режиме, как показано явно для распространения и брызг поведение.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Быстрый изображений установки (см. рисунок 1)

  1. Начните с создания вертикальной трек, по которому контейнер, заполненный жидкостью для изучения можно свободно перемещать регулировать скорости удара. Жидкость выходит из дна контейнера через сопло, а затем переходит в свободное падение. За эту работу высота свободного падения варьировалась от 1-200 см, чтобы дать скорости удара V 0 = (0.4-6.3) ± 0,15 м / с.
  2. Построить и установить раму провести горизонтальную плоскость удара, обычно стеклянную пластину, под которым наклонены отражающее зеркало позиционируется для визуализации воздействие на падение снизу.
  3. Поместите чистую и гладкую стеклянную пластину на держатель. Убедитесь, что пластина выравнивается в горизонтальном направлении.
  4. Установите шприцевой насос на вертикальную дорожку.
  5. Для воздействия жидкого металла, поместите прозрачный бумаги диффузор сзади сопла для бокового обзора изображений. В то же время, прикрепить белую непрозрачную бумагу выше шприцевой насос для генерированияотражения для нижней осмотра (см. Рисунок 1). Затем местонахождение источника света позади сопла.
  6. Для плотного удара подвески, не диффузор не требуется. Вместо этого, просто поместите источник света в передней части самолета изображения.
  7. Выберите макрообъектив с соответствующим фокусным расстоянием для желаемого увеличения и оптической рабочей дистанции. Затем подключите объектив к фотоаппарату.
  8. Установите камеру на штатив и регулировать высоту камеры в соответствии с перспективной изображений (сбоку или снизу).

2. Подготовка образцов

  1. Подготовка окисленного жидкого металла
    1. Магазин галлия-индия Eutectic (eGaIn) в герметичном контейнере. С его температура плавления около 15 ° С, eGaIn остается в жидком состоянии при комнатной температуре.
    2. Используйте пипетку, чтобы извлечь 3 мл eGaIn из контейнера и выдавите его на акриловой пластиной. Подождите 30 минут для образца, чтобы быть полностью окисляется на воздухе. В consequeсть, тонкий слой морщинистой окисленного кожи полностью покрывает поверхность образца.
    3. Используйте соляной кислоты (HCl; "ВНИМАНИЕ") различных концентрациях для предварительной стирки образец eGaIn и контролировать поверхностное окисление. В частности, сдвига образца, пока он находится в кислотной ванне, при 60 с -1 скорости сдвига с помощью реометра. Через 10 мин сдвига, уровень поверхностного окисления в образце достигает равновесия, установленный концентрации 15,18 HCl.
    4. После этого предварительной стирки, использовать пластиковый шприц с наконечником стали сопла для извлечения eGaIn из ванны.
    5. Установите шприц на шприцевой насос и быть готовым для эксперимента.
  2. Подготовка плотных суспензий
    1. Отрежьте конец коммерческой шприца (4,5 мм или 2,3 мм в радиусе) и использовать его в качестве цилиндрической трубки для выдачи плотную подвеску.
    2. Потяните поршень и заполните шприц с водой весь путь до открытого конца, что делает SЮр нет воздушного пузыря увлекаются.
    3. Положите сферические ZrO 2 или стеклянные бусы в шприц. С осаждения частиц, вода будет выливаться из сопла. Заполните шприц с частицами всю дорогу до открытого конца. Приостановление заклинит под действием силы тяжести.
    4. Используйте лезвие, чтобы удалить лишние смоченных частиц сверху, чтобы сохранить этот конец плоским.
    5. Переверните сопла и смонтировать его на шприцевой насос. Поверхностное натяжение будет предотвратить частицы от выпадения 16.

3. Калибровка

Перед сбором видео, параметры устройства визуализации должны быть установлены и выравнивание освещения должен быть завершен. Кроме того, пространственное разрешение нуждается в калибровке.

  1. Запуск шприцевой насос со скоростью 20 мл / час вытолкнуть жидкость (жидкий металл или суспензии) из сопла.
  2. Подождите, пока жидкости отделяться от шприца, образуют капли и падениее сделать воздействие тест на стеклянной подложке.
  3. Отрегулируйте положение камеры, в том числе его вертикальном положении и ориентации изображения, чтобы найти восклицательный знак на мониторе компьютера, который подключается к камере. Изменить рабочее расстояние организовать изображение, которое будет в фокальной плоскости, когда коэффициент масштабирования объектива фиксируется в 1:01.
  4. Вары размер апертуры, времени экспозиции и угол освещения для получения наилучшего качества изображения при частоте кадров достаточно высока (> 6000 кадров в секунду). Рисунок 2 (а) показаны типичные снимки, сделанные с помощью камеры и для жидкого eGaIn и плотной подвеской.
  5. Поместите линейку в поле зрения (см. рисунок 2 (б)), чтобы рассчитать пространственное разрешение, считая, сколько пикселей подходят по 1 см. Убедитесь, что нет никакой разницы в резолюции между горизонтальном и вертикальном направлениях.
  6. Следуйте 3-ступенчатый процесс для измерения уплотненной фракции плотной капли подвески:
    1. Измерьте массу ЛОРгнев знак сразу после воздействия (например, позволяя падение падение в мерный стаканчик, которые могут быть взвешенной точно).
    2. Тогда, испариться весь растворитель с нагревателем и взвесить восклицательный знак снова получить массу частицы.
    3. Рассчитайте объем частиц и жидкости, чтобы получить уплотненной фракции. Как правило, это объемная доля должна быть около 60%.
  7. По направлению наблюдения (снизу или сбоку), поместите камеру соответствующим образом. В частности, поставить камеру рядом с субстратом для вида сбоку или на том же уровне отражающей зеркало для нижней изображений.

4. Запись видео и сбора данных

  1. После калибровки изображения, перезагрузите шприцевой насос. В то же время, откройте камеры контроля программного обеспечения для наблюдения за процессом воздействия.
  2. Установите после запуска кадров цифры в примерно половине длины видео. Смотрите внимательно, когда падение начинает формироваться и вручную аккуратныйGER камера в момент, когда перепад отсоединяется от сопла. Выполните несколько тестов практики перед записью данных.
  3. После того, как данные записываются, урезать видео на части, содержащей влияние и сохранить видео как последовательности изображений для анализа.

5. Изображение Пост-обработка и анализ

  1. Использование метода границы обнаружения для обнаружения движущегося фронта жидкости eGaIn как он распространяется, что соответствует резкому переходу в среднее значение пикселя (см. рис 3 (AB)).
  2. От обоих нижних и боковых изображений, определить брызг начало плотной подвеской.
  3. Выполните алгоритмы частиц отслеживания для получения следы отдельных частиц, что бежали из восклицательный знак (см. рисунок 3 (с)). Затем вычислить скорость выброса из таких траекторий (рис. 3 (г)).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Методика быстро изображения могут использоваться для количественного определения распространения и брызг для различных сценариев воздействия. Рисунок 4 (а), например, показывает типичные последовательности воздействие изображения для жидкого eGaIn с различной прочности кожи оксид. По извлечения eGaIn из того же сопла и в то же падение высоты, капли с воспроизводимым скорости удара V 0 = 1,02 ± 0,12 м / сек и радиус R 0 = 6,25 ± 0,10 мм были получены. В левой колонке показывает возд...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Несколько шагов имеют решающее значение для надлежащего исполнения быстрой визуализации. Во-первых, камеры и объектива должны быть правильно настроен, и откалиброваны. В частности, для того чтобы получить высокое пространственное разрешение, коэффициент масштабирования объектива должна быть близко к 1:1. Это особенно важно для визуализации плотных суспензий. Кроме того, размер апертуры необходимо тщательно подобраны для работы с изображениями. Например, наблюдение со стороны в целом требует более длительного глубину рез...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

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

Благодаря Венди Чжан, Luuk Любберсом, Марк Мискин и Мишель Дрисколл за многочисленные полезные обсуждения и Qiti Го о помощи с подготовкой экспериментальных образцов. Эта работа была поддержана программой MRSEC Национального научного фонда по гранту № DMR-0820054.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Галлий-индий эвтектическийSigma Aldrich495425-25G
Соляная кислота Sigma Aldrich320331-2.5L
Оксид цирконияGlen Mills Inc.7200
Phantom V12 и V7 Fast CcameraVision ResearchН/Д
105 мм Micro-NikonН/Д
12 В / 200 Вт Источник светаDedolightН/А
Шприцевой насосRazelМОДЕЛЬ R9-9E

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи