Summary
השפעת הירידה של נוזלים שאינם הניוטונית היא תהליך מורכב שכן פרמטרים פיזיים שונים להשפיע על הדינמיקה לאורך זמן קצר מאוד (פחות מעשירית מאלפית שני). טכניקת הדמיה מהר הוא הציג במטרה לאפיין את התנהגויות ההשפעה של נוזלים שאינם הניוטונית שונים.
Abstract
בתחום של מכניקת זורמים, תהליכים רבים דינמיים להתרחש לא רק על מרווח זמן קצר מאוד, אבל גם דורשים ברזולוציה מרחבית גבוהה להסתכלות מפורטת, תרחישים שהופכים אותו המאתגר להתבונן במערכות הדמיה קונבנציונליות. אחד מהם הוא השפעת הירידה של נוזלים, מה שקורה בדרך כלל בתוך עשירית מהאלפית שני. כדי להתמודד עם אתגר זה, טכניקת הדמיה מהר הוא הציג שמשלבת מצלמה במהירות גבוהה (מסוגל עד מיליון פריימים לשניה) עם עדשת מאקרו עם מרחק עבודה ארוך כדי להביא את ברזולוציה מרחבית של התמונה עד 10 מיקרומטר / פיקסל. טכניקת ההדמיה מאפשרת מדידה מדויקת של כמויות רלוונטיות נוזל דינמיים, כגון שדה הזרימה, המרחק מתפשט ומהירות המתיז, מניתוח של הווידאו שהוקלט. כדי להדגים את היכולות של מערכת להדמיה זו, דינמיקת ההשפעה כאשר טיפות של נוזלים שאינם הניוטונית פוגעות במשטח קשה שטוח characterized. שני מצבים נחשבים: לטיפי מתכת נוזלי חמצון אנו מתמקדים בהתנהגות מתפשטת, ולהשעיות צפופות אנו קובעים את תחילתה של התזה. באופן כללי יותר, השילוב של הדמיה ברזולוציה הגבוהה של זמן ומרחב הציגה כאן מציע יתרונות ללימוד דינמיקה מהירה על פני מגוון רחב של תופעות microscale.
Introduction
זרוק את ההשפעה על גבי משטח מוצק הוא תהליך מפתח ביישומים רבים מעורבים בייצור אלקטרוני 1, תרסיס ציפוי 2, ותוסף ייצור באמצעות הזרקת דיו מדפיס 3,4, שבו שליטה מדויקת של ירידה מתפשטת והתזות היא רצויה. עם זאת, התבוננות ישירה של השפעת הירידה היא מאתגרת מבחינה טכנית משתי סיבות. ראשית, הוא תהליך דינמי מורכב המתרחש בתוך לוח זמנים קצר מדי (~ 100 μsec) להיות צילם בקלות על ידי מערכות הדמיה קונבנציונליות, כמו מיקרוסקופים אופטיים ומצלמות DSLR. פחית פלאש צילום של תמונה כמובן הרבה יותר מהר, אבל אינו מאפשר הקלטה רציפה, כפי שנדרש לניתוח מפורט של ההתפתחות עם זמן. שנית, בקנה מידת האורך הנגרם על ידי אי יציבות השפעה יכולה להיות קטנה כמו 10 מיקרומטר 5. לכן, כדי ללמוד כמותית תהליך השפעת מערכת שמשלבת הדמיה מהירה יחד עם רזולוציה מרחבית גבוהה סביר הוא לעתים קרובותרצוי. בהעדר מערכת כזו, עבודה מוקדמת על השפעת הטיפה התמקדה בעיקר בעיוות הגיאומטרית העולמית לאחר ההשפעה 6-8, אך לא הצליח לאסוף מידע על הזמן מוקדם, תהליכי nonequilibrium קשורים להשפעה, כגון תחילתה של התזה. ההתקדמות שחלה באחרונה בצילום וידאו במהירות גבוהה CMOS של נוזלים 9,12 דחפה את מסגרת הדולר עד מיליון תמונות בשניה וזמני חשיפה למטה 1 μsec. יתר על כן, שיטות ההדמיה CCD חדש שפותח יכולות לדחוף את מסגרת הדולר הרבה מעל fps מיליון 9-12. רזולוציה מרחבית ומצד שני, ניתן להגדיל את הסדר של 1 מיקרומטר / פיקסל שימוש בעדשות מגדלת 12. כתוצאה מכך, זה הפך להיות אפשרי לחקור בפירוט חסר תקדים את ההשפעה של מגוון רחב של פרמטרים פיזיים בשלבים שונים של השפעת הירידה ולהשוות ניסוי לבין תאורית 5,13-16 באופן שיטתי. לדוגמא, מעבר התזות נוזלים הניוטונית היה found כדי להיות מוגדר על ידי לחץ אווירה 5, בעוד rheology הפנימי מחליט דינמיקת ההתפשטות של נוזלי תשואה לחץ 17.
הנה טכניקת הדמיה מהירה פשוט אך רבת עוצמה הוא הציג וליישם כדי ללמוד את דינמיקת ההשפעה של שני סוגים של נוזלים שאינם הניוטונית: מתכות נוזלי והשעיות צפופות. עם חשיפה לאוויר, למעשה את כל המתכות נוזלי (מלבד כספית) באופן ספונטני לפתח עור תחמוצת על פני השטח שלהם. מבחינה מכאנית, העור נמצא לשנות מתח פנים יעיל ויכולת הרטבה של המתכות 18. במאמר קודם 15, כמה מהמחברים חקרו את תהליך הפצת כמותית והיו מסוגל להסביר כיצד השפעת העור משפיעה על דינמיקת ההשפעה, במיוחד את קנה המידה של רדיוס הפצה המרבי עם פרמטרים השפעה. מאז מתכת נוזלית יש החזר של פני השטח גבוה, התאמה מדוקדקת של התאורה נדרשת בהדמיה. השעיותמחדש מורכב מחלקיקים קטנים בנוזל. גם לנוזלים ניוטונית פשוטים, התוספת של תוצאות חלקיקים בהתנהגות שאינה הניוטונית, אשר הופכת בולט במיוחד במתלים צפופים, כלומר בכל חלק בנפח גבוה של חלקיקים מרחפים. במיוחד, את התחלתה של התזה, כאשר טיפת השעיה פוגעת משטח חלק, קשה נחקרה בעבודה הקודמת 16. שני נוזלי חלקיקים ואינטראקציות בין חלקיקים יכולים לשנות את מתיז ההתנהגות באופן משמעותי ממה שניתן היה לצפות מנוזלים פשוטים. כדי לעקוב אחר חלקיקים קטנים כמו 80 מיקרומטר בניסויים אלה יש צורך ברזולוציה מרחבית גבוהה.
שילוב של דרישות טכניות שונות, כגון רזולוציה גבוהה של זמן ומרחב, בתוספת היכולת להתבוננות משפיעה על שניהם מהצד ומלמטה, כולם יכול להיות מרוצה מהתקנת ההדמיה שתוארה כאן. על ידי ביצוע פרוטוקול סטנדרטי, שיתואר להלן, דינמיקת ההשפעה יכולה להיות investigated בצורה מבוקרת, כפי שמוצג באופן מפורש להפצת ומתיז התנהגות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. התקנת הדמיה מהירה (ראה איור 1)
- התחל על ידי הקמת מסלול אנכי שלאורכו מיכל מלא בנוזל כדי להיחקר ניתן להעביר באופן חופשי כדי להתאים את מהירות ההשפעה. הנוזל עוזב את תחתית המכל דרך נחיר ואז נכנס נפילה חופשית. עבור עבודה זו את גובה הנפילה היה מגוון 1-200 סנטימטר לתת V מהירות השפעה 0 = (0.4-6.3) ± 0.15 מ '/ שנייה.
- לבנות והר מסגרת להחזיק המישור האופקי השפעה, בדרך כלל על צלחת זכוכית, שתחתיו מראה מהורהר נוטה ממוקם לדמיין את השפעת הטיפה מהתחתית.
- מניחים צלחת זכוכית נקייה וחלקה על גבי המחזיק. ודא הצלחת מפולסת אופקית.
- הר משאבת מזרק על המסלול האנכי.
- להשפעת מתכת נוזלית, הנח את מפזר נייר שקוף מאחורי נחיר הדמיה צד וצפה. באותו הזמן, לצרף נייר אטום לבן מעל משאבת המזרק כדי ליצורהשתקפות לצפייה תחתונה (ראה איור 1). לאחר מכן, לאתר את מקור האור מאחורי הנחיר.
- להשפעת השעיה צפופה, אין צורך במפזר. במקום זאת, פשוט למקם את מקור האור בקדמת מטוס ההדמיה.
- בחר את עדשת מאקרו עם אורך מוקד מתאים להגדלה רצויה ומרחק עבודה אופטי. ואז, לחבר את העדשה למצלמה.
- הר את המצלמה על חצובה ולהתאים את הגובה של מצלמה על פי נקודת מבט הדמיה (צד או בתחתית).
2. לדוגמא הכנה
- הכנת חמצון המתכת נוזלית
- חנות גליום אינדיום eutectic (eGaIn) במכל אטום. מאז טמפרטורת ההתכה שלה היא כ 15 C °, eGaIn נשאר במצב נוזלי בטמפרטורת חדר.
- השתמש פיפטה כדי לחלץ 3 מיליליטר eGaIn מיכל וextrude אותו על צלחת אקרילי. חכה 30 דקות למדגם להיות מחומצן באופן מלא באוויר. כconsequence, שכבה דקה של עור מקומט חמצון מכסה לחלוטין את פני השטח המדגם.
- השתמש בחומצה הידרוכלורית (HCl; "זהירות") של ריכוזים שונים לכביסה מוקדמת מדגם eGaIn ולשלוט חמצון פני השטח. באופן ספציפי, גזירה המדגם, בזמן שהוא באמבטיה החומצה, בשיעור שניות -1 גזירה 60 עם rheometer. לאחר 10 דקות של גזירה, רמת חמצון פני השטח במדגם מגיעה לשיווי משקל, שנקבע על ידי 15,18 ריכוז HCl.
- לאחר כביסה מוקדמת זו, להשתמש במזרק פלסטיק עם קצה נחיר פלדה כדי לחלץ eGaIn מהאמבטיה.
- הר את המזרק על משאבת המזרק ולהיות מוכן לניסוי.
- הכנת תרחיפים צפופים
- חותכים את הקצה של מזרק מסחרי (4.5 מ"מ או 2.3 מ"מ ברדיוס) ולהשתמש בו כצינור גלילי מחלק ההשעיה הצפופה.
- למשוך בחזרה את הבוכנה ולמלא את המזרק עם מים כל הדרך עד לסוף הפתוח, מה שהופך את יםיור אין בועת אוויר לרכבת.
- שים ZrO 2 או זכוכית חרוזים כדוריים לתוך המזרק. עם שקיעה של חלקיקים, מים יישפכו החוצה מהנחיר. מלא את המזרק עם חלקיקים כל הדרך עד לסוף הפתוח. ההשעיה תהיה פקק תחת כובד.
- השתמש בסכין גילוח כדי להסיר חלקיקים רטוב נוספים מלמעלה כדי לשמור על סופו של דבר שדירה.
- פליפ מעל הנחיר ולעלות אותו על משאבת המזרק. מתח פנים ימנע את החלקיקים מהנפילה מתוך 16.
3. כיול
לפני איסוף קטעי וידאו, את הפרמטרים של מכשיר ההדמיה צריכים להיות מוגדרים ויישור תאורה צריך להסתיים. כמו כן, ברזולוציה מרחבית צריכה להיות מכוילת.
- הפעל את משאבת המזרק במהירות של 20 מיליליטר / שעה כדי לדחוף את הנוזלים (מתכת נוזלית או השעיה) מהנחיר.
- חכה לנוזל להתנתק מהמזרק, בצורת טיפה ונפילתו שלf כדי לעשות השפעה מבחן על גבי מצע הזכוכית.
- התאם את מיקום המצלמה, כולל המצב האנכי שלה ונטייה הדמיה, כדי למצוא את מעיכה בצג המחשב המתחבר למצלמה. שנה את מרחק העבודה כדי לסדר את התמונה להיות במישור המוקד כאשר יחס הרבייה של העדשה קבוע ב1:1.
- לשנות את גודל הצמצם, זמן חשיפה וזווית תאורה כדי להשיג את איכות התמונה הטובה ביותר כאשר במסגרת השיעור הוא גבוהה מספיק (> 6,000 תמונות בשנייה). איור 2 (א) מציג תמונות טיפוסיות שצולמו על ידי המצלמה עבור שני eGaIn הנוזלי והשעיה צפופה.
- הנח שליט בשדה הראייה (ראה איור 2 (ב)) ולחשב את הרזולוציה מרחבית על ידי לספור כמה פיקסלים שיתאימו לרוחב 1 סנטימטר. ודא שאין הבדל ברזולוציה בין כיוונים אופקיים ואנכיים.
- עקוב תהליך 3 שלבים כדי למדוד את שבר האריזה של טיפת השעיה צפופה:
- למדוד את המסה של entתקין זעם מעיכה לאחר ההשפעה (למשל על ידי ומאפשרות ירידת הנפילה לתוך כוס מדידה שיכולה להישקל באופן מדויק).
- לאחר מכן, תתאדה כל הממס עם דוד ולשקול את מעיכה שוב כדי להשיג את המסה של החלקיקים.
- חישוב הנפח של חלקיקים ונוזל כדי לקבל את החלק יחסי האריזה. בדרך כלל, בר נפח זה צריך להיות סביב 60%.
- בהתאם לכיוון תצפית (בחלק תחתון או בצד), מקם את המצלמה כראוי. בפרט, לשים את המצלמה לצד המצע של המבט מהצד או באותה הרמה של המראה רעיוני להדמית תחתית.
4. הקלטת וידאו ונתונים רכישה
- לאחר כיול הדמיה, להפעיל מחדש את משאבת המזרק. במקביל, פתח את תוכנת המצלמה שליטה לפקח על תהליך ההשפעה.
- הגדר את מספרי המסגרת מפעילה-הודעה כבמחצית אורך וידאו. צפה בזהירות בעת הירידה מתחילה להיווצר וידני trigגר במצלמה ברגע שבו טיפה מתנתקת מהנחיר. לבצע כמה בדיקות בפועל לפני הקלטת נתונים.
- לאחר שהנתונים שנרשמו, לקצץ את הווידאו לחלק המכיל את ההשפעה ולשמור את קטעי הווידאו כרצפי תמונה לניתוח.
5. לאחר עיבוד תמונה וניתוח
- השתמש בשיטת זיהוי גבול כדי לאתר את החזית מרגשת של eGaIn הנוזלי כפי שהוא מתפשט, אשר תואם את מעבר חד בערך פיקסל הממוצע (ראה איורים 3 (AB).)
- מתמונות הן תחתונה וצד, לקבוע את תחילת ההתזות של השעיה צפופה.
- לבצע אלגוריתמי חלקיקי מעקב להשיג עקבות של חלקיקים בודדים שנמלטו מהמעיכה (ראה איור 3 (ג)). לאחר מכן, לחשב את המהירות ולהוציא ממסלולים כאלה (איור 3 (ד)).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
טכניקת ההדמיה מהירה ניתן להשתמש כדי לכמת מתפשט ומתיז לתרחישי השפעה שונים. איור 4 (א), למשל, מציג רצפי תמונת השפעה אופייניים לeGaIn נוזל עם חוזק עור תחמוצת שונה. על ידי ולהוציא eGaIn מאותו הנחיר באותו הגובה נופל, טיפין עם V מהירות השפעה לשעתק 0 = 1.02 ± R 0.12 מ '/ השני והרדיוס 0 = 6.25 ± 0.10 מ"מ נוצרו. העמודה השמאלית מראה את ההשפעה של ירידת eGaIn חמצון אוויר לא prewashed בחומצה. זנב ארוך בקצה העליון של הטיפה נוצר כאשר הנוזל מתנתק מהנחיר. שונה מנוזלים רגילים, עור תחמוצת מונע את הנוזל ממרגיע את אנרגיית פני השטח באופן חופשי, ולכן הגיאומטריה nonspherical זה תישאר ללא שינוי בשלב הנפילה. לאחר הפגיעה מתרחשת, סדין דק מתכת נוזלית (lamella) מתרחב במהירות לאורך המצע החלק. כביסה הדגימות בחומצה מפחיתה את השורIDE ומחליש את אפקט העור. האמצע והעמודות הנכונות באיור 4 (א) להראות תמונות של טיפות prewashed ב0. 01 M ו 0. 2 M HCl, בהתאמה. כאשר החומצה הופכת להיות חזקה מספיק כדי למנוע כל השפעת עור הנצפית באופן מלא, eGaIn מראה שום הבדל בהתנהגות מתפשט מנוזלים רגילים (עמודה ימנית).
כדי לאפיין את הרחבת רדיאלי לאחר השפעה, גורם הפצה יכול להיות מוגדר כמ P = מ 'R 0 / R, שבו לכל היותר מתפשט רדיוס הוא מ' ר. קנה המידה של ההתנהגות מ 'P בתנאי חמצון שונים היא להתוות באיור 4 (ב) בדרך מקובלת לנוזלים הניוטונית, שבי Re הוא מספר ריינולדס ואנחנו * הוא מספר ובר יעיל שמהווה מתח פני השטח הנגרם על ידי העור המושרה . כאן, מספר ריינולדס ומספר ובר היעיל לeGaIn מוגדרים בקנה המידה של כל הטיפה. במיוחד, Re= 2V 0 R 0 / ν בי ν הוא הצמיגות ואנחנו * = 2ρV 0 2 R 0 / σ EFF עם ρ כצפיפות נוזל וEFF של σ כמתח פנים היעיל. 15 נתונים יפה להתמוטט על הקלאסי דרוג 6 . הדבר מצביע על כך התפשטות eGaIn חמצון תואמת את טיעון מאזן האנרגיה משמש כדי להסביר מתפשט לנוזלים הניוטונית, כל עוד האנרגיה אלסטית מאוחסנת בעור מטופל. באופן כללי, אין להתיז של eGaIn הוא ציין שכן מתח הפנים (> 400 MN / מ ') הוא הרבה יותר גדול מאשר בנוזלים רגילים.
להשעיות צפופות, הניסויים התמקדו בתחילת הפתיחה. נוזל nonviscous שימש כממס, כך שחלקיקי מספר ריינולדס Re עמ 'תמיד היה גדול מ400. במשטר זה, פיזור הצמיג הוא זניח בהשוואה להשפעות אינרציה. איור 5 p ו p r רדיוס. מאז את דינמיקת החלקיק היחיד שולטת בהשפעה, הן במספר ריינולדס ומספר ובר מוגדר בסולם החלקיק היחיד. כלומר, עמ 'Re = V 0 p R / ν ואנו p = ρ V p 0 2 p R / σ, כאשר p R הוא הרדיוס של החלקיקים. כאן, לשנות את מהירות ההשפעה משתנה p מספר ובר החלקיקים. עבור כל נקודה בעלילה, הניסוי חזר על עצמו במשך 10 פעמים. העיגולים חלולים האדומים הם מקרים שבם להתיז נמצאו תמיד, והנקודות בצבע כחול מלאה מתאימות למצב שבו אין להתיז הוא נמצא. הריבועים הירוקים הפתוחים, לעומת זאת, מצביעים על התרחישים כאשר שתי סנסציה ולא להתיז הם נצפו ב10 החזרות. בכל המקרים, המעבר להתזות שקורה באותו הערך של ≈ עמ 14. זה עולה בקנה אחד עם טענה כימספר ובר חלקיקים מבוסס הוא הפרמטר הרלוונטי לתחילת סנסציה 16. ריבועי להציג תמונות מייצגות של סנסציה ולא מצבי פתיחה. על ידי השוואת התוצאות למעבר ההתזות של נוזלים הניוטונית, הבדל ייחודי עולה. כמקובל, תחילת מתיזה לנוזלים הניוטונית נקבעה על ידי כמות K הממדים = אנחנו 1/2 Re 1/4, שבו מספר ובר, אנחנו, ומספר ריינולדס, הנדון, מוגדרים עבור כל הירידה של 7. עם זאת, על ידי הוספת חלקיקים לתוך הנוזל, בקנה מידה נוספת אורך, גודל החלקיקים, הוא הציג לתוך המערכת. כתוצאה מכך, במקרה שבו מתלים הם צפופים כמו נקודת השיבוש, הדינמיקה של חלקיק יחיד קובע את תחילתה התזה.
אחת התכונות ייחודיות של מתלים צפופים הוא המבנה דמוי התחרה נוצר בתקופה שלאחר הפגיעה (איור 6 (א)). כדי לאפיין סוג זה חדש של חוסר יציבות, האזורשל החורים נפתחו הוא לכמת באמצעות ניתוח הדמיה. ראשית, ניתן לקבל את התפלגות המהירויות בשכבה מתפשטת באמצעות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV). ואז, הטבעות צהובות באיור 6 (א) מוגדרות עם חלקיקי p המספר ובר = 10, 75, ו920, שכל להרחיב רדיאלית עם זמן. על ידי הדמיה ניתוח, באזור של החורים והשטח הכולל בין כל טבעת מתקבלים כחור S ו-S 0, בהתאמה. היחס של חור S ל S 0 זממו נגד זמן באיור 6 (ב). מהעלילה, זה ברור שחוסר יציבות פתיחת החור מתרחש בעיקר במשטר החיצוני של הפצה.
איור 1. איור סכמטי של התקנת ההדמיה.מצלמה מהירה המשמשת לעבודה זו יכולה להשיג (fps) 6,242 מסגרות לשנייה ב1,280 x 800 רזולוציה מסך רחב; קצב המסגרות המקסימאלי הוא 10 6 תמונות בשניה ברזולוציה מופחתת (128 × 8). במהלך הניסוי, הטיפות היו נמתחים באיטיות מנחיר באמצעות משאבת מזרק. התאורה של המערכת המסופקת על ידי שני מקורות אור לבנים. האורות הקדמיים והאחוריים משמשים למתכת נוזלית והשפעת השעיה צפופה, בהתאמה.
איור 2. (א) תמונות טיפוסיות שצולמו על ידי המצלמה לeGaIn נוזלי (בעמודה שמאלית) והשעיה צפופה של חלקיקים בנוזל (עמודה ימנית). תצפית יכולה להתבצע משני תחתון וצד. כדי להדגיש את הפרופיל של האובייקט, הטיפה מוארת בכיוון perpendicular למישור התמונה. באופן ספציפי, לeGaIn הנוזלי, הירידה היא תאורה אחורית כדי להגדיל את החדות בגבול נוזל / האוויר. להשעיות צפופות, המדגם מואר מהחזית, באופן שניתן להבחין בין חלקיקים בודדים בירידה. (ב) דוגמא לכיול רזולוציה מרחבית ב10,000 תמונות בשנייה. הנה, יש 192 פיקסלים על פני מרחק של 1 סנטימטר. לפיכך, ברזולוציה מרחבית לנתון זה היא 1 52 מיקרומטר / פיקסל cm/192 פיקסלים ≈. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. ניתוח תמונה. לטיפי מתכת נוזלית, אנו הסף הראשון את התמונות לכל מסגרת (ראו (א)). ערך פיקסל ממוצע לאורך טבעת בr עמדת רדיאלי (ראה העיגול המלא ב( א)) מציין את מיקומו של הגבול מתפשט. מתאים כמקובל, לבן ושחור לאפס לאחד. כתוצאה מכך, את העלילה של ערך פיקסל ממוצע (ב) מראה מעבר חד. העמדה המתאימה ל0.5 נותנת מיקום של הגבול, שבו חוסר הוודאות היא בא מהרוחב. הקדמי נעו הוא הפרמטר המרכזי ללימוד מתפשט. בניגוד לכך, להשפעת השעיה צפופה, לא רק מתפשט אלא גם את תחילת ההתזות היא דאגה. הלוח (ג) מראה את התוצאה ממעקב אחר חלקיקים של חלקיקים המתיזים, שבו הזנבות הצהובים הצמודים לחלקיקים מצביעים על המסלולים שלהם. העלילה ב( ד) נותנת את העקבות של חלקיקים בעיגול (ג). מאז צעד הזמן הוא 1/10, 000 שניות, מהירות הבריחה היא קבועה בכ -1.5 מ '/ שנייה, אשר תואם גם למהירות ההשפעה.f = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg" target = "_blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. הפצת דינמיקה של eGaIn הנוזלי. (א) תמונה ברצף אופייני של eGaIn טיפות משפיע על גבי מצע זכוכית (שנתפס על ידי מצלמה מהירה צבע רגיש. במקרה זה, ברזולוציה מרחבית מצטמצם 59 מיקרומטר / פיקסל ב7,600 תמונות בשנייה). טיפות לראשונה prewashed בפתרון HCl כפי שצוינו בטקסט. לכל רצפי התמונה מוצגים לעיל, מהירות ההשפעה נשמרה בV 0 = 1.02 ± 0.12 מ '/ שנייה וקוטר הירידה הראשוני היה R 0 = 6.25 ± 0.10 מ"מ. (ב) נימי למעבר צמיג להשפעת התנהגות של eGaIn טיפות prewashed wריכוזי חומצה שונים ה-i. K הפרמטר חסר הממדים = אנחנו * / בעניין 4/5 משמש לכיווץ של כל הנתונים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5. Splash תחילת עמ 'המספר וובר כפונקציה של p r רדיוס החלקיקים וצפיפות ρ p. העיגולים חלולים האדומים הם מקרים שבם להתיז נמצאו תמיד, והנקודות בצבע כחול מלאה מתאימות למצב שבו אין להתיז נמצאת 10 חזרות רצופות. הריבועים הירוקים הפתוחים מצביעים על התרחישים כאשר שתי סנסציה ולא להתיז הם נצפו ב10 החזרות. חלקות הבלעה הן תמונות אופייניות של התזות וnonsplashing המקרים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. חוסר יציבות בדינמיקת השעיה מתפשטת. לוח (א) מציגה תמונה אופיינית בהשפעה. במהלך התפשטות, חורים פתוחים בין אשכולות חלקיקים בשל שיפוע המהירות בשכבה. שלוש הטבעות צהובות בתמונה מצביעות על עמדות רדיאלי המקביל למספרים וובר חלקיקים שונים (p = אנו 10, 75, 920). (ב) היחס שבין השטח של חורים (חור S) לשטח הכולל (S 0) בין כל טבעת. חור S / S 0 זממו נגד זמן, לא.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
כמה צעדים הם קריטיים לביצוע נכון של ההדמיה מהר. ראשית, מצלמה ועדשה צריכה להיות מוגדרות כראוי ומכוילות. בפרט, על מנת לקבל רזולוציה מרחבית גבוהה, יחס הגדלה של העדשה חייבת להיות כל הזמן קרוב ל1:1. זה חשוב במיוחד להדמיה של השעיות צפופות. כמו כן, גודל הצמצם צריכה להיות שנבחר בקפידה להדמיה. למשל, התבוננות מהצד באופן כללי דורשת עומק ארוך יותר של שדה, ולכן גודל צמצם קטן יותר. כדי לשמור על הבהירות של הווידאו, צריך להגדיל את זמן חשיפה ובכך להפחית את קצב הפריימים (~ 6,000 תמונות בשנייה). לעומת זאת, השקפה תחתונה דורשת רק את המצלמה כדי להתמקד במטוס אחד. כתוצאה מכך, ניתן להשיג ברזולוציה זמן גבוה יותר (~ 10,000 fps).
שנית, התקנת תאורה נכונה היא גורם מפתח להשגת גבול חד של הטיפות. מאז כל הדגימות היו מוארים או מהגב או fronלא, מקורות האור צריכים להיות מיושרים אנכי למישור התמונה. אם זווית התאורה מוטה, וצל בתמונה והשתקפות פני השטח מהמדגם (למשל ממשטחים מבריקים כגון מתכות נוזליים) יכולים לעשות זיהוי גבול מדויק בלתי אפשרי.
שלישית, המצלמה מפעילה היא חשובה בעת הקלטת וידאו. למשתמשים יש להעריך כמה מסגרות יש לרשום לפני מפעילה. ההתקנה הספציפית עשויה להשתנות עם אנשים, תלוי בזמני תגובה שונים. לפיכך, מספר בדיקות משפט לתרגול הן הכרחיות לפני מדידות בפועל.
מגבלה אחת כרוכה ברזולוציה trade-off מרחבית. עבור רוב התמונות שצולמו בניסויים, ברזולוציה הייתה בסביבות 50 מיקרומטר, אשר טוענת כי זה די קשה לדמיין חלקיקים קטנים יותר מאשר 50 מיקרומטר באופן ברור (אם כי אלגוריתמי מעקב אחר חלקיקים מתקדמים עשויים לעזור בעניין זה, בהתאם לdeta הניסוי הספציפיILS 10-12). מגבלה נוספת היא פוטנציאל הירידה החדה ברזולוציה זמן שבו השדה נדרש מבט הופך להיות גדול. למעיכה הארכה לכמה סנטימטרים, מסגרת הדולר יכול לרדת מתחת 5,000 תמונות בשניה, אשר לא יכול להיות מהיר מספיק עבור לכידת דינמיקה מהירה.
לסיכום, מערכת ההדמיה מהירה (מצלמה מהירה + עדשת מאקרו) שתוארה כאן הוא כלי מבטיח לחקר תהליכי דינמיקה מהירה. הדגש כאן היה על השפעה של נוזלים שאינם הניוטונית, אבל חקירות של נושאים רבים במחקר אחרים, כגון פרידה טיפת נוזל 19,20, מטוסים גרעיניים 21, והתקבצות טיפת נוזל 22, תועלת מטכניקה דומה. גישה ניסויית כזה מאפשר לתופעות microscale תמונה ובה בעת לקבל תובנות לתוך הדינמיקה הנלווית בקנה המידה של מיקרו, משטר שמהווה אתגר עבור שיטות הדמיה קונבנציונליות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
הודות לוונדי 'אנג, Luuk Lubbers, מארק מיסקין ומישל דריסקול עבור רבים דיונים מועילים וQiti גואו לעזרה בהכנת דגימות ניסיוניות. עבודה זו נתמכה על ידי תכנית MRSEC של הקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא DMR-0,820,054.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gallium-Indium Eutectic | Sigma Aldrich | 495425-25G | |
| Hydrochloric Acid | Sigma Aldrich | 320331-2.5L | |
| Zirconium oxide | Glen Mills Inc. | 7200 | |
| Phantom V12 and V7 Fast Ccamera | Vision Research | N/A | |
| 105 mm Micro-Nikon | Nikon | N/A | |
| 12 V / 200 W light Source | Dedolight | N/A | |
| Syringe Pump | Razel | MODEL R9-9E |
References
- 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).
- Fukumoto, M., Huang, Y. Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface. J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).
- 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).
- Derby, B. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).
- Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop Splashing on a Dry Smooth Surface. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
- Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).
- Yarin, A. L. Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).
- Chandra, S., Avedisian, C. T. On the collision of a droplet with a solid surface. Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).
- Versluis, M.
- Thoraval, M. -J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. Drop impact entrapment of bubble rings. J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).
- Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G.
- Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubble. Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).
- Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. Thin film formation during splashing of viscous liquids. Phys. Rev. E. 82, (2010).
- 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).
- Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. Impact dynamics of oxidized liquid metal drops. Phys. Rev. E. 87, (2013).
- Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. Splashing onset in dense suspension droplets. Phys. Rev. Lett. 111, (2013).
- Luu, L., Forterre, Y.
- 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).
- 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).
- Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).
- Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Phys. Rev. E. 78, (2008).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Phys. Rev. Lett. 106, (2011).
