Быстрый метод визуализации по изучению падения Impact Динамика неньютоновских жидкостей

Общая цель следующего эксперимента заключается в изучении динамики удара неньютоновских капель жидких металлов и плотных гранулированных суспензий с использованием метода высокоскоростной съемки. Для этого организуется установка с высокоскоростной камерой для визуализации мгновенной динамики в момент удара капель о поверхность. На втором этапе проводится серия экспериментов по удару жидких металлов, чтобы получить информацию о том, как вызванная окислением эластичность поверхности влияет на радиус растекания.

Затем проведите эксперименты по удару с использованием концентрированных суспензий, чтобы исследовать начало разбрызгивания и динамику растекания. Полученные результаты показывают, что динамика ударов капель неньютоновских жидкостей определяется совокупностью различных параметров жидкости, таких как эффективное поверхностное натяжение, вязкость, скорость удара и диаметр взвешенных частиц. Данный метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области концентрированных суспензий, например, в каких случаях поведение системы можно описать ее глобальными свойствами, а когда необходимо учитывать отдельные частицы.

Хотя данный метод измерения позволяет получить представление о динамике удара сложных жидкостей, его также можно применять для наблюдения за другими процессами с быстрой динамикой, такими как формирование состояний разрыва, отрыв твердых капель жидкости и быстрое перемещение частиц в гранулярных системах. Начните с подготовки установки для визуализации. Одним из компонентов является вертикальная направляющая, способная поддерживать крепление шприцевого насоса, чтобы сам насос можно было перемещать на разную высоту для изменения высоты свободного падения исследуемой жидкости.

Рядом с направляющей находится рама, поддерживающая чистое стеклянное平板, которое служит горизонтальной плоскостью удара. Убедитесь, что поверхность пластины выровнена по горизонтали. Разместите под стеклянной поверхностью наклонное отражающее зеркало для визуализации удара капли снизу.

Затем закрепите над стеклянной пластиной непрозрачную белую бумагу для отражения света, чтобы облегчить наблюдение снизу при съемке удара жидкого металла. Поместите прозрачный бумажный диффузор напротив направления обзора для улучшения визуализации бокового вида. Затем расположите источник света в области за диффузором.

Включите источники света для равномерного освещения области удара. Установите камеру с подходящим объективом на штативе по уровню так, чтобы она могла фиксировать изображение поверхности. Подключите камеру к компьютеру, используемому для управления и отображения.

Начните подготовку образца с галлия-индия-олова, который хранился в герметичном контейнере при комнатной температуре; с помощью пипетки извлеките из контейнера три миллилитра. Возьмите акриловую пластину и выдавите на нее галлий-индий-олово. Подождите 30 минут до полного окисления образца на воздухе.

Тонкий слой окисленной кожи полностью покроет поверхность образца. Соблюдайте необходимые меры предосторожности при работе с соляной кислотой и подготовьте кислотную ванну объемом 200 миллилитров в сосуде TER. Концентрация раствора в ванне является экспериментальным параметром.

Поместите образец в кислотную ванну. Используйте TER для перемешивания при 60 оборотах в секунду в течение 10 минут. После завершения предварительной промывки кислотой извлеките ванну из ReMeter.

Используйте пластиковый шприц объемом 2 мл со стальным наконечником диаметром от 1 до 2 мм, чтобы отобрать из ванны 1,5 мл экстракта образца галлия-индия. Теперь образец готов к использованию и проведению экспериментов. Установите шприц в шприцевой насос для подготовки плотных суспензий.

Эксперименты начинаются с использования коммерческого шприца, у которого отрезали конец, чтобы использовать его в качестве цилиндрической трубки для дозирования суспензии. Для заполнения шприца сначала подготовьте емкость с водой. Поместите конец шприца в воду и оттяните поршень назад для заполнения, убедившись в отсутствии пузырьков воздуха.

Затем держите шприц открытым концом вверх. Заполните шприц сферическими гранулами диоксида циркония или стеклянными шариками до полного заполнения, позволяя воде вытекать. С помощью лезвия бритвы удалите излишки сцементированных частиц с верхней части, чтобы этот конец был плоским.

Переверните шприц и закрепите его на поверхности насоса. Натяжение предотвратит выпадение частиц. Перед записью видео примите меры по настройке систем визуализации и освещения, а также откалибруйте пространственное разрешение.

Сначала запустите шприцевой насос, чтобы подавать жидкость со скоростью 20 мл/ч. Дождитесь, пока жидкость, представляющая собой плотную суспензию, отделится от шприца и упадет, создав тестовый удар о стеклянную поверхность. После того как удар произошел, выключите шприцевой насос.

Затем отрегулируйте положение и ориентацию камеры до тех пор, пока на мониторе не появится изображение капли. Далее установите масштаб изображения 1:1 и измените рабочее расстояние так, чтобы изображение находилось в фокальной плоскости при настройке камеры на частоту более 6 000 кадров в секунду. Изменяйте размер апертуры, время экспозиции и угол освещения для получения изображения наилучшего качества.

После настройки камеры поместите линейку в поле зрения на мониторе. Используйте линейку для расчета пространственного разрешения, подсчитав количество пикселей, которые укладываются в один сантиметр. Убедитесь, что разрешение по горизонтали и вертикали совпадает.

После калибровки системы визуализации снова запустите шприцевой насос со скоростью 20 milliliters per hour. Одновременно с этим подготовьте программное обеспечение для управления камерой, чтобы контролировать процесс воздействия перед записью данных. Внимательно следите за началом формирования капли, чтобы вручную активировать камеру в момент отделения капли от сопла.

После записи данных обрежьте видео до фрагмента, содержащего момент удара, и сохраните его в виде последовательности изображений для анализа. Метод высокоскоростной съемки был использован для изучения удара галлия-индия с различными оксидами. Прочность оболочки определялась с помощью кислоты.

Предварительная промывка: на представленных кадрах показано растекание трех различных препаратов при их воздействии на стеклянную поверхность. Каждая капля падала с одной и той же высоты сопла и ударялась со скоростью приблизительно один метр в секунду. Начальный диаметр капли без предварительной промывки составлял 6.25 миллиметров.

Оксидная пленка препятствует релаксации поверхностной энергии жидкости, что приводит к формированию несферической формы на стадии падения; промывка образцов и воздействие кислоты восстанавливают оксид и ослабляют эффект пленки. При достаточно высоких концентрациях кислоты различие между галлием, индием и обычными жидкостями не наблюдается.

Данные позволяют продемонстрировать переход от капиллярного режима к вязкому. Данные сводятся к единой кривой при построении зависимости отношения начального радиуса к конечному pm, деленного на число Рейнольдса в пятой степени, от отношения эффективного числа Вебера к числу Рейнольдса в четвертой пятой степени; начало разбрызгивания в плотной суспензии изучалось в режиме, в котором вязкая диссипация незначительна по сравнению с инерционными эффектами. Это фазовая диаграмма разбрызгивания для различных плотностей и радиусов частиц, произведение которых отложено по горизонтальной оси.

Вертикальная ось представляет собой число Вебера частицы, определенное в рукописи. Красные круги указывают на то, что всплеск наблюдался в каждом случае. На врезке показано типичное изображение всплеска.

Синие точки соответствуют случаям, когда брызги не обнаружены. Вторая вставка представляет собой пример изображения без брызг. Случаи, когда были обнаружены и брызги, и их отсутствие, отмечены зелеными квадратами.

Эксперимент повторяли 10 раз для каждой точки. Результаты согласуются с критическим числом Вебера примерно 14 ± 2. При выполнении данной процедуры важно отработать приготовление образцов и часто определять коэффициент упаковки, чтобы убедиться в способности воспроизводимо подготавливать образцы.

Это обеспечит воспроизводимость ваших экспериментальных результатов после разработки метода. Данный подход открыл исследователям в области сложных жидкостей возможность изучать динамику удара различных жидкостных систем.