Аналоговый макроскопических методика для изучения молекулярных гидродинамические процессы в плотных газов и жидкостей

Общая цель этой процедуры заключается в изучении гидродинамических процессов на молекулярном уровне в жидкостях с использованием аналогового метода, который измеряет динамику одиночных и коллективных частиц в вибрирующих зерновых буртах. Основное преимущество этой методики заключается в том, что она обеспечивает экспериментально доступную обратную микрооболочку для непосредственного наблюдения за сложной динамикой молекулярного масштаба. Поскольку этот метод тесно связан со статистической механикой взаимодействующих систем частиц, он открывает двери для экспериментального исследования фундаментальных вопросов в этой области.

Этот метод также может быть применен для изучения статистической механики взаимодействующих макроскопических систем частиц, таких как вибрирующие зерновые кучи, которые мы исследуем. Как правило, люди, использующие эту технику, испытывают трудности при изучении элементов равновесной и неравновесной статистической механики, которые необходимы для интерпретации экспериментальных наблюдений при планировании экспериментов. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, поскольку она расширяет скорость визуализации частиц, обычно используемую для измерения движения частиц микронного масштаба, до движения сантиметровых зерен.

В эксперименте используется эта вибрационная система. Он состоит из кольцевой полиуретановой чаши, прикрепленной к односкоростному несбалансированному двигателю для создания вибраций. Они прикреплены к утяжеленному основанию и разделены группой пружин

Прикрепите чашу в сборе к подставке с помощью резиновых крючков. Внутрь чаши прикрепите трехосевой акселерометр. Он подключается к сигналу датчика на столе вдали от вибрационной системы.

Далее поработайте с выбранными средами для эксперимента. В этом случае используйте керамическое полировальное средство прямым разрезом треугольника с равными длинами сторон. Добавьте среду в вибрационную чашу Рядом с чашей подготовьте воду и финишный раствор для смачивания среды.

Кроме того, настройте перистальтический насос для перемещения жидкости в вибрационной чаше. Проведите пластиковую трубку от насоса к верхней части чаши. Установите скорость насоса, но не инициируйте поток.

Для получения изображений настройте высокоскоростную камеру. Выберите линзу, подходящую для желаемой интеграции поверхности и разрешения. Опирайтесь на камеру на конструкцию, изолированную от вибрационной системы.

При монтаже камеры ее длина должна быть перпендикулярна открытой поверхности носителя и на 550 миллиметров над ней. Далее подключите камеру к ее блоку питания, GPS-антенне и компьютеру. На компьютере запустите программное обеспечение камеры и выберите камеру.

Просматривайте поле зрения камеры в режиме реального времени с помощью программного обеспечения. При настройке используйте любой яркий свет для освещения тестовой области. Выбранное поле зрения должно быть освещено равномерно.

Затем используйте программное обеспечение камеры для цифрового увеличения до 500-кратного увеличения. На камере отрегулируйте кольцо фокусировки объектива. Цель состоит в том, чтобы добиться наилучшей оптической фокусировки для сбора данных.

Затем верните цифровой зум к отсутствию увеличения. Продолжайте установку скорости захвата камеры. Перед съемкой поместите линейчатую шкалу в поле зрения.

Используйте камеру для записи одного изображения. Сохраните изображение в формате TIFF перед его удалением из камеры. Как только фотоаппарат будет готов, приготовьтесь к запуску виброчаши.

Достаньте из емкости 150 миллилитров финишного раствора состава. Возьмите 150 миллилитров в вибрационную чашу и равномерно распределите раствор вокруг, чтобы обеспечить первоначальное смачивание среды. Затем поставьте большую емкость с компаундом на пол рядом с перистальтическим насосом.

Перед включением насоса прикрепите шланг от насоса к контейнеру. На этом этапе запустите виброчашу и подождите минимум одну минуту. Когда поток находится в устойчивом состоянии, запустите камеру для записи действий в поле зрения для выбранного времени выполнения.

Эти записанные кадры были превращены в видео. Когда данные собраны, остановите вибрационную систему. Затем остановите перистальтическую помпу.

Для обработки сохраните полученные изображения в виде файлов TIFF на компьютере и преобразуйте их в оттенки серого. Затем начинается работа с изображением частиц в программной среде велоциметрии. Перейдите в «Файл», а оттуда в «Импорт», затем «Импорт изображений».

В диалоговом окне «Мастер импорта» выберите «Один кадр», а затем «Добавить изображения». Теперь выберите калибровочное изображение, чтобы добавить его в список импортируемых изображений. Нажмите «Добавить изображения» еще раз, затем выделите все изображения данных, чтобы выбрать их для импорта.

Продолжайте, нажав «Далее». На следующем экране введите настройки камеры, включая частоту кадров и шаг пикселей. Когда они будут введены, нажмите «Далее», а затем «Готово».

Теперь перейдите к оглавлению. Калибровочное изображение должно быть первым. Щелкните правой кнопкой мыши по второму изображению, выберите «Разделить ансамбль» здесь, чтобы создать два набора изображений.

Возьмите набор изображений, содержащий только калибровочное изображение, и поместите его в папку с надписью «Новая калибровка». Затем щелкните правой кнопкой мыши набор калибровочных изображений и выберите «Измерить масштабный коэффициент». На экране появится калибровочное изображение.

На изображении расположите маркер A на конечной линейке изображения. Затем поместите маркер B в другое положение на линейке. Перейдите в текстовое поле Абсолютное расстояние и введите расстояние между маркерами в соответствии с линейкой.

Нажмите OK, чтобы сохранить настройки и продолжить. Теперь выберите импортированный набор изображений без калибровочного изображения. Переместите, чтобы нажать Анализировать.

Выберите «Создать двойную раму». Затем выберите создание пар изображений из параметров стиля. Чтобы определить область опроса, откройте любое некалибровочное изображение.

Щелкните правой кнопкой мыши по изображению и выберите «Плотность частиц». В появившемся диалоговом окне будет увеличенное изображение области зондирования. Перейдите на вкладку Настройки и начните изменять область размера щупа.

Цель состоит в том, чтобы в области зонда постоянно находилось не менее трех частиц. Обратите внимание на размер области щупа для последующего использования. Вернитесь в раздел Анализ и выберите метод Адаптивная корреляция.

Нажмите OK. Перейдите на вкладку области допроса и нажмите на нее. Там выберите ранее определенную область опроса, которая позволяет идентифицировать три или более частиц. Нажмите кнопку OK в диалоговом окне Адаптивная корреляция, чтобы выполнить анализ.

По мере выполнения анализа визуально осмотрите первые несколько полей скоростей. Это пример наложения векторного поля на изображение носителя в оттенках серого. В этом случае длины и направления векторов не кажутся согласованными или обоснованными.

Визуально осматривайте векторные карты в процессе их создания, чтобы убедиться в реалистичности результатов. Если результаты неудовлетворительны, остановите процесс и измените определенные пользователем входные данные, такие как область опроса, а затем возобновите анализ. Это пример удовлетворительного векторного поля.

Опять же, наложено на изображение в оттенках серого. Когда анализ будет завершен, для каждой пары изображений в наборе будет создано векторное поле, охватывающее поле зрения. Данные скоростной обработки изображений частиц позволяют подгонять распределение скоростей в одной точке системы к распределению Максвелла-Больцмана.

На изображении изображено зерно, использованное в эксперименте. Красная полоса обозначает один сантиметр. Данные, выделенные синим цветом, представляют собой нормализованную гистограмму измеренных горизонтальных пекулярных скоростей зерна.

Данные по многим типам частиц согласуются с гамильтоновой динамикой без диссипации, независимыми от скорости потенциальными энергиями между частицами и потенциально независимыми кинетическими энергиями. Кроме того, они свидетельствуют о локальном макроскопическом механическом равновесии. Функция автокорреляции скоростей для одиночных зерен является функцией характерного числа столкновений зерен, которые также могут быть извлечены из данных велосиметрии.

Динамика одиночных зерен качественно имитирует динамику, предсказанную в молекулярных жидкостях и плотных газах. Эти спектры определяются по скоростям изображения частиц при одновременных измерениях ускорения контейнера. Резонирующие акустические волны в системе контейнеров с зерном совпадают с резонаторными акустическими режимами в пустом контейнере.

Акустические моды в спектрах локальной пекулярной скорости жидкости не проявляются в связи с ограничениями эксперимента. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы молекулярной гидродинамики жидкостей, например, как предсказуемый, наблюдаемый поток жидкости возникает из непредсказуемой динамики жидкого состояния молекул. После освоения экспериментальная часть этой процедуры может быть выполнена менее чем за час.

Обработка и анализ данных PIV может занять от часа до пары дней в зависимости от системы обработки данных. Важно понимать, что для того, чтобы связать наблюдения, сделанные в системах вибрирующих зерен, с молекулярной гидродинамикой, необходимо изучить элементы равновесной и неравновесной статистической механики. После этого этот метод был использован для экспериментальной проверки гидродинамического моделирования потоков зерна, вызванных вибрацией, а также для тестового измерения вязкостей в зерновых жидкостях по сравнению с теми, которые предсказываются неравновесной статистической механикой.

После просмотра этого видео у вас должно быть разумное представление о том, как, во-первых, настроить систему PIV для измерения вибрационных зерновых систем, а во-вторых, как использовать эти измерения для исследования молекулярных гидродинамических систем.