Summary
विभिन्न शारीरिक मापदंडों एक बहुत ही कम समय (एक millisecond के कम से कम एक दसवें) से अधिक गतिशीलता को प्रभावित के बाद से गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ की बूंद प्रभाव एक जटिल प्रक्रिया है. एक तेज इमेजिंग तकनीक विभिन्न गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ के प्रभाव व्यवहार को चिह्नित करने के क्रम में शुरू की है.
Abstract
द्रव यांत्रिकी के क्षेत्र में, कई dynamical प्रक्रियाओं एक बहुत ही कम समय के अंतराल पर होते हैं, लेकिन यह भी विस्तृत अवलोकन के लिए उच्च स्थानिक संकल्प, पारंपरिक इमेजिंग सिस्टम के साथ पालन करने के लिए यह चुनौतीपूर्ण है कि परिदृश्यों की आवश्यकता नहीं है. इनमें से एक आम तौर पर मिलीसेकंड का दसवां के भीतर होता है जो तरल पदार्थ की बूंद प्रभाव है. इस चुनौती से निपटने के लिए एक तेज इमेजिंग तकनीक / नीचे 10 मीटर करने के लिए छवि के स्थानिक संकल्प लाने के लिए लंबे समय तक काम दूरी के साथ एक मैक्रो लेंस के साथ एक उच्च गति कैमरा (प्रति सेकंड अप करने के लिए एक लाख फ्रेम में सक्षम) को जोड़ती है कि शुरू की है पिक्सेल. इमेजिंग तकनीक रिकॉर्ड वीडियो के विश्लेषण से, इस तरह के प्रवाह क्षेत्र, प्रसार दूरी और splashing गति के रूप में प्रासंगिक द्रव गतिशील मात्रा का सटीक माप सक्षम बनाता है. इस दृश्य प्रणाली की क्षमताओं का प्रदर्शन करने के लिए, गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ की बूंदों एक फ्लैट कठिन सतह पर टकराना जब प्रभाव गतिशीलता characte हैंrized. दो स्थितियों पर विचार कर रहे हैं: ऑक्सीकरण तरल धातु बूंदों के लिए हम प्रसार व्यवहार पर ध्यान देते हैं, और घनी पैक निलंबन के लिए हम splashing की शुरुआत का निर्धारण. आम तौर पर, यहाँ पेश उच्च अस्थायी और स्थानिक इमेजिंग संकल्प के संयोजन microscale घटना की एक विस्तृत श्रृंखला में तेजी से गतिशीलता के अध्ययन के लिए लाभ प्रदान करता है.
Introduction
एक ठोस सतह पर प्रभाव ड्रॉप ड्रॉप का एक सटीक नियंत्रण के प्रसार और splashing वांछित है जहां 3,4, inkjet मुद्रण का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक निर्माण 1, स्प्रे कोटिंग 2, और additive विनिर्माण से जुड़े कई अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है. हालांकि, ड्रॉप प्रभाव का प्रत्यक्ष अवलोकन दो कारणों के लिए तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है. सबसे पहले, यह एक timescale के भीतर इस तरह के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप और DSLR कैमरों के रूप में पारंपरिक इमेजिंग सिस्टम, के द्वारा आसानी से imaged किया जा करने के लिए बहुत कम (~ 100 μsec) होती है जो एक जटिल गतिशील प्रक्रिया है. फ़्लैश फोटोग्राफी बहुत तेजी से पाठ्यक्रम छवि के सकता है, लेकिन समय के साथ विकास का विस्तृत विश्लेषण के लिए आवश्यक के रूप में, सतत रिकॉर्डिंग के लिए अनुमति नहीं है. दूसरा, प्रभाव अस्थायित्व से प्रेरित लंबाई पैमाने 10 माइक्रोन के रूप में 5 के रूप में छोटा किया जा सकता. इसलिए, मात्रात्मक प्रभाव प्रक्रिया यथोचित उच्च स्थानिक संकल्प के साथ ultrafast इमेजिंग जोड़ती है एक प्रणाली का अध्ययन करने के लिए अक्सर हैवांछित. इस तरह के सिस्टम, प्रभाव 6-8 के बाद वैश्विक ज्यामितीय विरूपण पर ज्यादातर ध्यान केंद्रित किया है, लेकिन इस तरह के splashing की शुरुआत के रूप में जल्दी समय के बारे में जानकारी, प्रभाव के साथ जुड़े nonequilibrium प्रक्रियाओं, इकट्ठा करने में असमर्थ था छोटी बूंद प्रभाव पर जल्दी काम के अभाव में. तरल पदार्थ 9,12 के CMOS उच्च गति वीडियोग्राफी में हाल के अग्रिमों नीचे 1 μsec नीचे एक लाख एफपीएस और जोखिम बार अप करने के लिए फ्रेम दर मजबूर कर दिया है. इसके अलावा, नव विकसित सीसीडी इमेजिंग तकनीक अच्छी तरह से एक लाख एफपीएस 9-12 ऊपर फ्रेम दर धक्का कर सकते हैं. दूसरी ओर स्थानिक संकल्प, शीशा लेंस 12 का उपयोग करते हुए 1 माइक्रोन / पिक्सेल की व्यवस्था के लिए बढ़ाया जा सकता है. एक परिणाम के रूप में, यह अभूतपूर्व विस्तार से ड्रॉप प्रभाव के विभिन्न चरणों पर शारीरिक मापदंडों की एक विस्तृत श्रृंखला के प्रभाव का पता लगाने के लिए और व्यवस्थित ढंग से प्रयोग और सिद्धांत 5,13-16 तुलना करने के लिए संभव हो गया है. उदाहरण के लिए, न्यूटन के तरल पदार्थ में splashing संक्रमण fou थाआंतरिक rheology उपज तनाव तरल पदार्थ 17 के प्रसार गतिशीलता का फैसला करता है, जबकि एन डी, वातावरण दबाव 5 द्वारा स्थापित किया जाना है.
यहाँ एक सरल अभी तक शक्तिशाली तेज इमेजिंग तकनीक शुरू की है और प्रभाव गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ के दो प्रकार की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए लागू किया जाता है: तरल धातु और घनी पैक निलंबन. हवा के संपर्क के साथ अनिवार्य रूप से (पारा) को छोड़कर सभी तरल धातुओं अनायास उनकी सतह पर एक ऑक्साइड त्वचा का विकास होगा. यंत्रवत्, त्वचा प्रभावी सतह तनाव और धातु 18 के गीला क्षमता को बदल पाया है. पिछले एक कागज 15 में, लेखकों के कई मात्रात्मक प्रसार की प्रक्रिया का अध्ययन किया और त्वचा प्रभाव प्रभाव गतिशीलता, प्रभाव मापदंडों के साथ अधिकतम प्रसार त्रिज्या का विशेष रूप से स्केलिंग को प्रभावित करती है कि कैसे व्याख्या कर रहे थे. तरल धातु उच्च सतह प्रतिबिंब है, इसलिए प्रकाश की सावधान समायोजन इमेजिंग में आवश्यक है. निलंबन एकएक तरल में छोटे कणों से बना रहे हैं. यहां तक कि साधारण न्यूटोनियन तरल पदार्थ के लिए, विशेष रूप से निलंबित कणों की उच्च मात्रा अंश पर यानी घने निलंबन, में स्पष्ट हो जाता है जो गैर न्यूटोनियन व्यवहार में कणों के परिणाम के अलावा. विशेष रूप से, splashing की शुरुआत एक निलंबन छोटी बूंद एक चिकना, कठोर सतह हिट जब पिछले काम 16 में अध्ययन किया गया. तरल कण और अंतर - कण बातचीत दोनों सरल तरल पदार्थ से उम्मीद की जा सकती है से काफी splashing व्यवहार को बदल सकते हैं. एक उच्च स्थानिक संकल्प की जरूरत है इन प्रयोगों में 80 माइक्रोन के रूप में छोटे कणों को ट्रैक करने के लिए.
इस तरह के उच्च अस्थायी और स्थानिक संकल्प, प्लस की ओर से और नीचे से दोनों प्रभावों के अवलोकन के लिए क्षमता के रूप में विभिन्न तकनीकी आवश्यकताओं का एक संयोजन, सब यहाँ वर्णित इमेजिंग स्थापना के साथ संतुष्ट किया जा सकता. एक मानक प्रोटोकॉल का पालन करके, नीचे वर्णित है, प्रभाव गतिशीलता जांच किया जा सकता हैव्यवहार के प्रसार और splashing के लिए स्पष्ट रूप से दिखाया गया है, एक नियंत्रित फैशन में tigated.
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Protocol
1. फास्ट इमेजिंग सेटअप (1 चित्र देखें)
- अध्ययन किया जा तरल पदार्थ से भरा एक कंटेनर आज़ादी प्रभाव वेग को समायोजित करने के लिए ले जाया जा सकता है, जो अपने साथ एक खड़ी ट्रैक की स्थापना के द्वारा शुरू करो. द्रव एक नोजल के माध्यम से कंटेनर के नीचे छोड़ देता है और उसके बाद मुक्त गिरावट में प्रवेश करती है. इस काम के लिए गिरने ऊंचाई 0.15 मीटर / सेकंड ± एक प्रभाव वेग वी = (0.4-6.3) 0 देने के लिए 1-200 सेमी से अलग किया गया था.
- निर्माण और एक झुका परावर्तक दर्पण नीचे से ड्रॉप प्रभाव दृश्यमान करने के लिए तैनात है, जिसके तहत क्षैतिज प्रभाव विमान, आम तौर पर एक गिलास प्लेट, पकड़ करने के लिए एक फ्रेम माउंट.
- धारक पर एक स्वच्छ और चिकनी ग्लास प्लेट रखें. थाली क्षैतिज समतल किया जाता है सुनिश्चित करें.
- खड़ी ट्रैक पर एक सिरिंज पंप माउंट.
- तरल धातु प्रभाव के लिए, ओर देखने इमेजिंग के लिए नोजल के पीछे एक पारदर्शी कागज विसारक जगह है. इसी समय, उत्पन्न करने के लिए सिरिंज पंप के ऊपर एक सफेद अपारदर्शी पत्र संलग्नदेखने के नीचे (चित्रा 1 देखें) के लिए प्रतिबिंब. फिर, नोजल के पीछे प्रकाश स्रोत का पता लगाने.
- घने निलंबन प्रभाव के लिए, कोई विसारक जरूरत है. इसके बजाय, सिर्फ इमेजिंग विमान के सामने प्रकाश स्रोत जगह है.
- वांछित बढ़ाई और ऑप्टिकल काम दूरी के लिए एक उपयुक्त फोकल लंबाई के साथ मैक्रो लेंस का चयन करें. फिर, कैमरे के लेंस से कनेक्ट.
- एक तिपाई पर कैमरा माउंट और इमेजिंग परिप्रेक्ष्य (पक्ष या नीचे) के अनुसार कैमरे की ऊंचाई समायोजित करें.
2. नमूना तैयार
- ऑक्सीकरण तरल धातु की तैयारी
- एक मोहरबंद कंटेनर में स्टोर गैलियम ईण्डीयुम गलनक्रांतिक (eGaIn). इसके पिघलने तापमान लगभग 15 डिग्री सेल्सियस है, eGaIn कमरे के तापमान पर एक तरल अवस्था में रहता है.
- कंटेनर से 3 मिलीग्राम eGaIn निकालने और एक एक्रिलिक थाली पर बाहर निकालना एक विंदुक का प्रयोग करें. नमूना पूरी तरह से हवा में ऑक्सीकरण होने के लिए 30 मिनट तक प्रतीक्षा करें. एक conseque रूपnce, झुर्रियों ऑक्सीकरण त्वचा की एक पतली परत पूरी तरह से नमूना सतह को शामिल किया गया.
- EGaIn नमूना prewash करने और सतह ऑक्सीकरण को नियंत्रित करने के विभिन्न सांद्रता की, हाइड्रोक्लोरिक एसिड ("चेतावनी" एचसीएल) का प्रयोग करें. यह एसिड स्नान में है, जबकि विशेष रूप से, एक rheometer साथ 60 सेकंड -1 कतरनी दर पर, नमूना कतरनी. कतरनी के 10 मिनट के बाद, नमूने में सतह ऑक्सीकरण के स्तर एचसीएल एकाग्रता 15,18 से सेट, संतुलन तक पहुँचता है.
- इस prewash के बाद स्नान से eGaIn निकालने के लिए एक इस्पात नोजल टिप के साथ एक प्लास्टिक सिरिंज का उपयोग करें.
- सिरिंज पंप पर सिरिंज माउंट और प्रयोग के लिए तैयार हो.
- घने निलंबन की तैयारी
- एक वाणिज्यिक सिरिंज (4.5 मिमी या त्रिज्या में 2.3 मिमी) के अंत कट और घने निलंबन के वितरण के लिए बेलनाकार ट्यूब के रूप में इसका इस्तेमाल करते हैं.
- पिस्टन वापस खींचो और पानी के साथ सिरिंज खुले अंत के लिए सभी तरह भरने, एस बनानेure entrained कोई हवा का बुलबुला है.
- सिरिंज में गोलाकार 2 ZrO या कांच के मोती रखो. कणों के अवसादन के साथ, पानी की नोक से बाहर गिर जाएगा. कणों के साथ खुले अंत के लिए सभी तरह सिरिंज भरें. निलंबन गुरुत्वाकर्षण के तहत जाम करेंगे.
- फ्लैट कि अंत रखने के लिए ऊपर से अतिरिक्त गीला कणों को दूर करने के लिए एक रेजर ब्लेड का प्रयोग करें.
- नोक पर पलटें और सिरिंज पंप पर माउंट. सतह तनाव 16 बाहर गिरने से कणों को रोकने जाएगा.
3. अंशांकन
वीडियो इकट्ठा करने से पहले, इमेजिंग डिवाइस के मापदंडों सेट और प्रकाश संरेखण पूरा किया जाना है किया जाना है. इसके अलावा, स्थानिक संकल्प calibrated किया जाना चाहिए.
- नोक से तरल पदार्थ (तरल धातु या निलंबन) बाहर धक्का 20 मिलीलीटर / घंटा की रफ्तार से सिरिंज पंप शुरू.
- सिरिंज से अलग करने के लिए तरल पदार्थ के लिए रुको, एक बूंद और गिरावट का फार्मग्लास सब्सट्रेट पर एक परीक्षण प्रभाव बनाने के लिए एफ.
- कैमरे को जोड़ता है कि कंप्यूटर मॉनीटर में सूचक खोजने के लिए अपने ऊर्ध्वाधर स्थिति और इमेजिंग उन्मुखीकरण सहित कैमरे की स्थिति, समायोजित करें. लेंस की प्रजनन अनुपात 1:1 में तय हो गई है जब फोकल विमान में होने की छवि की व्यवस्था करने के लिए काम दूरी सुधारे.
- फ्रेम दर (> 6,000 एफपीएस) काफी अधिक है जब सबसे अच्छी छवि गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए एपर्चर आकार, जोखिम समय और प्रकाश कोण भिन्न. चित्रा 2 (क) तरल eGaIn और एक घने निलंबन दोनों के लिए कैमरे द्वारा ली गई ठेठ छवियों को दिखाता है.
- (चित्रा 2 (ख) देख) और 1 सेमी भर में फिट कितने पिक्सल गिनती द्वारा स्थानिक संकल्प गणना देखने के क्षेत्र में एक शासक रखें. क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर दिशाओं के बीच संकल्प में कोई अंतर नहीं है सुनिश्चित करें.
- घने निलंबन ड्रॉप की पैकिंग के अंश को मापने के लिए एक 3 कदम प्रक्रिया का पालन करें:
- ईएनटी की बड़े पैमाने पर उपायप्रभाव के बाद गुस्सा सूचक सही (सही तौला जा सकता है कि एक मापने कप में बूंद गिर जानकारी के द्वारा जैसे).
- फिर, एक हीटर के साथ सभी विलायक लुप्त हो जाना और कण द्रव्यमान प्राप्त करने के लिए फिर से सूचक तौलना.
- पैकिंग अंश पाने के कणों और तरल की मात्रा की गणना. आमतौर पर, यह मात्रा अंश 60% के आसपास होना चाहिए.
- अवलोकन दिशा (नीचे या पक्ष) के अनुसार, उचित रूप से कैमरे की स्थिति. विशेष रूप से, अगले की ओर देखने के लिए या नीचे इमेजिंग के लिए परावर्तक दर्पण के समान स्तर पर सब्सट्रेट करने के लिए कैमरा लगाया.
4. वीडियो रिकॉर्डिंग और डाटा अधिग्रहण
- इमेजिंग अंशांकन के बाद, सिरिंज पंप को पुनः आरंभ. इसी समय, प्रभाव प्रक्रिया पर नजर रखने के लिए कैमरे को नियंत्रित सॉफ्टवेयर खुला.
- वीडियो लंबाई के लगभग आधे पर बाद ट्रिगर फ्रेम संख्या निर्धारित करें. बूंद फार्म और मैन्युअल trig शुरू होता है जब ध्यान से देखोजीईआर पल में कैमरा बूंद नोक से अलग हो जाता है. डेटा रिकॉर्डिंग से पहले कुछ अभ्यास परीक्षण प्रदर्शन करते हैं.
- डेटा दर्ज करने के बाद, प्रभाव युक्त भाग के लिए वीडियो नीचे ट्रिम और विश्लेषण के लिए छवि दृश्यों के रूप में वीडियो को बचाने.
5. छवि पोस्ट प्रोसेसिंग और विश्लेषण
- यह () आंकड़े 3 (एबी देखें) औसत पिक्सेल मूल्य में तेजी से संक्रमण से मेल खाती है, फैलता है के रूप में तरल eGaIn के चलते सामने लगाने के लिए एक सीमा का पता लगाने विधि का प्रयोग करें.
- नीचे और पक्ष दोनों छवियों से, घने निलंबन की splashing शुरुआत निर्धारित करते हैं.
- () चित्रा 3 (ग देखें) सूचक से भाग जाने वाले व्यक्ति के कणों के निशान प्राप्त करने के कण ट्रैकिंग एल्गोरिदम प्रदर्शन करना. तो, इस तरह के प्रक्षेप पथ से बाहर खदेड़ना वेग (चित्रा 3 (डी)) की गणना.
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Representative Results
तेज इमेजिंग तकनीक. चित्रा फैल रहा है और विभिन्न प्रभाव परिदृश्यों के लिए splashing यों इस्तेमाल किया जा सकता है 4 (क), उदाहरण के लिए, अलग ऑक्साइड त्वचा ताकत के साथ तरल eGaIn के लिए विशिष्ट प्रभाव छवि दृश्यों से पता चलता है. एक ही नोक से और एक ही गिरने ऊंचाई पर eGaIn बाहर खदेड़ना करके, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य प्रभाव वेग वी 0 के साथ बूंदों = ± 0.12 मीटर / सेकंड और त्रिज्या आर 0 = 6.25 ± 0.10 मिमी 1.02 उत्पन्न किया गया. बाएँ स्तंभ एसिड में prewashed नहीं एक हवाई ऑक्सीकरण eGaIn बूंद के प्रभाव को दर्शाता है. द्रव नोक से detaches जब बूंद के शीर्ष के अंत में एक लंबी पूंछ का गठन किया है. साधारण तरल पदार्थ से भिन्न ऑक्साइड त्वचा आज़ादी से सतह ऊर्जा आराम से तरल पदार्थ से बचाता है, तो इस nonspherical ज्यामिति गिरने चरण के दौरान अपरिवर्तित रखा है. प्रभाव होने के बाद, एक पतली तरल धातु शीट (लामेल्ला) चिकनी सब्सट्रेट के साथ तेजी से फैलता है. एसिड में नमूने वॉशिंग बैल कम कर देता हैआईडीई और त्वचा प्रभाव कमजोर. चित्रा 4 में मध्यम और सही कॉलम (एक) क्रमश 0. 01 एम और 0. 2 एम एचसीएल, में prewashed बूंदों की तस्वीरें दिखा. एसिड पूरी तरह से किसी भी नमूदार त्वचा प्रभाव को खत्म करने के लिए पर्याप्त मजबूत हो जाता है, eGaIn साधारण तरल पदार्थ (सही कॉलम) से व्यवहार के प्रसार में कोई अंतर को दर्शाता है.
प्रभाव के बाद रेडियल विस्तार के लिए चिह्नित करने के लिए, प्रसार कारक के रूप में परिभाषित किया जा सकता पी एम = त्रिज्या प्रसार अधिकतम आर एम है जहां आर 0 / आर एम,. विभिन्न ऑक्सीकरण परिस्थितियों में पी एम की स्केलिंग व्यवहार पुन रेनॉल्ड्स संख्या है और हम * जहां न्यूटोनियन तरल पदार्थ, के लिए एक पारंपरिक तरीके में चित्रा 4 (ख) में प्लॉट प्रेरित त्वचा द्वारा प्रेरित सतह तनाव के लिए खातों कि एक प्रभावी वेबर संख्या है . इधर, eGaIn के लिए रेनॉल्ड्स संख्या और प्रभावी वेबर संख्या पूरे बूंद के पैमाने पर परिभाषित कर रहे हैं. विशेष रूप से, पुनः= 2V 0 आर ν कीनेमेटीक्स चिपचिपापन है और हम प्रभावी सतह तनाव के रूप में तरल घनत्व और σ EFF के रूप में ρ साथ = 2ρV 0 2 आर 0 / σ EFF * कहाँ 0 / ν. 15 डेटा अच्छी तरह से शास्त्रीय 6 स्केलिंग पर गिर . इस ऑक्सीकरण eGaIn के प्रसार के रूप में लंबे समय तक त्वचा में संग्रहीत लोचदार ऊर्जा के लिए जिम्मेदार है, के रूप में न्यूटन के तरल पदार्थ के लिए प्रसार की व्याख्या करते थे ऊर्जा संतुलन तर्क के अनुरूप है कि पता चलता है. आम तौर पर, eGaIn का कोई splashing सतह तनाव (> 400 करोड़ / मी) साधारण तरल पदार्थ की तुलना में ज्यादा बड़ा है क्योंकि मनाया जाता है.
घने निलंबन के लिए, प्रयोगों छप शुरुआत पर जोर दिया. पी पुन कण रेनॉल्ड्स संख्या हमेशा 400 से भी बड़ा था कि इतने में एक nonviscous तरल विलायक के रूप में इस्तेमाल किया गया था. इस शासन में, चिपचिपा अपव्यय Inertial प्रभाव की तुलना में नगण्य है. चित्रा 5 पी और त्रिज्या आर पी के लिए splashing चरण आरेख दिखाता है. एक कण गतिशीलता प्रभाव हावी के बाद से, रेनॉल्ड्स संख्या और वेबर संख्या दोनों एक कण पैमाने पर परिभाषित कर रहे हैं. अर्थात्, पुन = पी वी 0 आर पी / ν और हम पी = ρ पी वी 0 2 आर पी / σ, आर पी कण त्रिज्या है. इधर, प्रभाव वेग बदलते कण वेबर संख्या हम पी बदलता रहता है. साजिश में प्रत्येक बिंदु के लिए, प्रयोग 10 बार दोहराया गया था. लाल खोखला हलकों छप हमेशा पाया जाता है जहां मामले हैं, और कोई छप पाया जाता है जब ठोस नीले डॉट्स स्थिति के अनुरूप हैं. खुले हरे वर्गों, तथापि, छप और कोई छप दोनों 10 दोहराता में मनाया जाता है जब परिदृश्यों से संकेत मिलता है. सभी मामलों में, splashing के लिए संक्रमण हम पी ≈ 14 का एक ही मूल्य पर होता है. यह एक तर्क के साथ संगत हैकण आधारित वेबर संख्या छप शुरुआत 16 के लिए प्रासंगिक पैरामीटर है. insets प्रतिनिधि छप की छवियों और कोई छप स्थितियों दिखा. न्यूटन के तरल पदार्थ की splashing संक्रमण के लिए परिणामों की तुलना द्वारा, एक विशिष्ट अंतर उभर रहे हैं. पारंपरिक, न्यूटन तरल पदार्थ के लिए splashing शुरुआत आयामरहित मात्रा कश्मीर द्वारा निर्धारित है = हम 1/2 वेबर संख्या, हम और रेनॉल्ड्स संख्या, रे, पूरे बूंद 7 के लिए परिभाषित कर रहे हैं जहां फिर 1/4,. हालांकि, तरल में कणों को जोड़ कर, एक अतिरिक्त लंबाई पैमाने, कण आकार, प्रणाली में शुरू की है. नतीजतन, निलंबन ठेला बिंदु के रूप में के रूप में घने हैं जहां मामले में, व्यक्ति कण की गतिशीलता splashing शुरुआत निर्धारित करता है.
घने निलंबन की विशिष्ट विशेषताओं में से एक प्रभाव के बाद (चित्रा 6 (क)) में गठन फीता जैसी संरचना है. अस्थिरता के इस नए प्रकार, क्षेत्र चिह्नित करने के लिए आदेश मेंखोला छेद की इमेजिंग विश्लेषण के माध्यम से मात्रा निर्धारित है. सबसे पहले, प्रसार परत में वेग वितरण कण छवि velocimetry (PIV) का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है. फिर, चित्रा 6 में पीले रंग के छल्ले (एक) के साथ परिभाषित कर रहे हैं कण वेबर संख्या हम पी = सब समय के साथ त्रिज्यात विस्तार जो 10, 75, और 920,. विश्लेषण इमेजिंग, छेद के क्षेत्र और प्रत्येक अंगूठी के बीच कुल क्षेत्र क्रमशः एस छेद और एस 0 के रूप में प्राप्त कर रहे हैं. एस 0 एस छेद के अनुपात चित्रा 6 में समय के खिलाफ साजिश रची है (ख). साजिश से, यह छेद खोलने अस्थिरता फैलाने का बाहरी शासन में ज्यादातर तब होता है कि स्पष्ट है.
चित्रा 1. इमेजिंग सेटअप के योजनाबद्ध चित्रण.इस काम के लिए इस्तेमाल तेजी से कैमरा 1280 x 800 widescreen संकल्प पर 6242 फ्रेम प्रति सेकंड (एफपीएस) प्राप्त कर सकते हैं; अधिकतम फ्रेम दर कम संकल्प (128 x 8) पर 10 6 एफपीएस है. प्रयोग के दौरान, बूँदें धीरे धीरे एक सिरिंज पंप का उपयोग करके एक नोक से extruded थे. प्रणाली का प्रकाश दो सफेद प्रकाश स्रोतों द्वारा प्रदान की जाती है. आगे और पीछे की रोशनी क्रमशः, तरल धातु और घने निलंबन प्रभाव के लिए उपयोग किया जाता है.
चित्रा 2. (एक) एक तरल (सही कॉलम) में तरल eGaIn के लिए कैमरा (बाएँ स्तंभ) और कणों के एक घने निलंबन द्वारा उठाए गए विशिष्ट छवियाँ. अवलोकन नीचे और पक्ष दोनों से किया जा सकता है. वस्तु प्रोफाइल को उजागर करने के लिए, ड्रॉप perpen एक दिशा में प्रबुद्ध हैछवि विमान को dicular. विशेष रूप से, तरल eGaIn के लिए, ड्रॉप तरल / हवाई सीमा पर विपरीत बढ़ाने के लिए backlit है. घने निलंबन के लिए, नमूना बूंद में एक कण प्रतिष्ठित किया जा सकता है, जैसे कि सामने से जलाया जाता है. 10,000 एफपीएस पर स्थानिक संकल्प अंशांकन (ख) एक उदाहरण. इधर, 1 सेमी की दूरी भर में 192 पिक्सल कर रहे हैं. इस प्रकार, यह आंकड़ा के लिए स्थानिक संकल्प 1 cm/192 पिक्सल ≈ 52 माइक्रोन / पिक्सेल है. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.
चित्रा 3. छवि विश्लेषण. तरल धातु बूंदों के लिए, हम पहली बार सीमा प्रत्येक फ्रेम के लिए छवियों ((क) देखें). रेडियल स्थिति R ((क) में ठोस वृत्त देखें) पर एक अंगूठी के साथ औसत पिक्सेल मूल्य के प्रसार सीमा के स्थान को इंगित करता है. पारंपरिक, सफेद शून्य से मेल खाती है और एक को काले. नतीजतन, औसत पिक्सेल मूल्य की साजिश (बी) एक तेज संक्रमण से पता चलता है. 0.5 को इसी स्थिति में अनिश्चितता चौड़ाई से आ रही है जहां सीमा, के स्थान देता है. हिल के सामने प्रसार के अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण पैरामीटर है. इसके विपरीत, घने निलंबन प्रभाव के लिए, प्रसार ही नहीं बल्कि splashing शुरुआत चिंता की बात है. पैनल (ग) के कणों से जुड़े पीला पूंछ उनके प्रक्षेप पथ से संकेत मिलता है जहां splashing कणों के कण ट्रैकिंग से परिणाम से पता चलता है. (घ) में साजिश के कणों का पता लगाने (ग) में परिक्रमा कर देता है. समय कदम 1/10, 000 सेकंड है, भागने वेग प्रभाव वेग को अच्छी तरह से मेल खाती है जिसके बारे में 1.5 मीटर / सेकंड, पर स्थिर है.च = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg" लक्ष्य = "_blank"> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.
चित्रा 4. तरल eGaIn की गतिशीलता फैल. EGaIn (क) विशिष्ट छवि अनुक्रम (इस मामले में, स्थानिक संकल्प 7,600 एफपीएस पर 59 माइक्रोन / पिक्सेल के लिए कम है एक रंग के प्रति संवेदनशील तेज कैमरे द्वारा कब्जा कर लिया.) एक गिलास सब्सट्रेट पर असर पड़ चला जाता है. पाठ में संकेत बूंदों के रूप में शुरू में एचसीएल समाधान में prewashed रहे हैं. ऊपर दिखाए गए सभी छवि दृश्यों के लिए, प्रभाव वेग वी 0 पर रखा गया था = 1.02 ± 0.12 मीटर / सेकंड और प्रारंभिक बूंद व्यास आर 0 = 6.25 ± 0.10 मिमी था. (ख) केशिका eGaIn का प्रभाव व्यवहार के लिए चिपचिपा संक्रमण को prewashed बूँदें डब्ल्यूith विभिन्न एसिड सांद्रता. आयामरहित पैरामीटर कश्मीर = हम * / 4/5 पुन सभी डेटा को संक्षिप्त करने के लिए प्रयोग किया जाता है. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.
चित्रा 5. कण त्रिज्या आर पी और घनत्व ρ पी के एक समारोह के रूप में शुरुआत वेबर संख्या हम पी स्पलैश. लाल खोखला हलकों छप हमेशा पाया जाता है जहां मामले हैं, और कोई छप में पाया जाता है जब ठोस नीले डॉट्स स्थिति के अनुरूप 10 लगातार दोहराता है. खुले हरे वर्गों छप और कोई छप दोनों 10 दोहराता में मनाया जाता है जब परिदृश्यों से संकेत मिलता है. इनसेट भूखंडों splashing और nonsplashi के विशिष्ट छवियों हैंमामलों एनजी. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.
चित्रा 6. निलंबन के प्रसार गतिशीलता में अस्थिरता. पैनल (एक) प्रभाव के दौरान एक विशिष्ट छवि को दर्शाता है. प्रसार के दौरान, monolayer में वेग ढाल के कारण कण समूहों के बीच खुले छेद. छवि में तीन पीले छल्ले अलग कण वेबर संख्या को इसी रेडियल पदों (हम पी = 10, 75, 920) से संकेत मिलता है. (ख) कुल क्षेत्र को छेद का क्षेत्र (छेद) के अनुपात (एस 0) प्रत्येक अंगूठी के बीच. एस छेद / एस 0 समय, टी के खिलाफ साजिश रची है.
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Discussion
कई चरणों तेज इमेजिंग के समुचित निष्पादन के लिए महत्वपूर्ण हैं. सबसे पहले, कैमरा और लेंस उचित स्थापित करने और calibrated किया जाना है. विशेष रूप से, उच्च स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के लिए, लेंस की प्रजनन अनुपात 1:1 के करीब रखा जाना चाहिए. इस घने निलंबन के दृश्य के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है. इसके अलावा, एपर्चर आकार को ध्यान से इमेजिंग के लिए चुना जाना चाहिए. उदाहरण के लिए, सामान्य रूप में की ओर से अवलोकन क्षेत्र की एक लंबी गहराई, इसलिए छोटे छेद के आकार की आवश्यकता है. वीडियो की चमक बनाए रखने के लिए, एक जोखिम समय बढ़ाने के लिए और इस प्रकार फ्रेम दर (~ 6000 एफपीएस) को कम करने की जरूरत है. इसके विपरीत, नीचे देखने के लिए केवल एक ही विमान पर ध्यान केंद्रित करने के लिए कैमरे की आवश्यकता है. एक परिणाम के रूप में, उच्च समय संकल्प (~ 10,000 एफपीएस) प्राप्त किया जा सकता है.
दूसरा, उचित प्रकाश व्यवस्था की स्थापना की बूंदों की एक तेज सीमा प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है. नमूने के सभी पीछे से या fron या तो जला रहे थे जब सेटी, प्रकाश स्रोतों छवि विमान के लिए खड़ी गठबंधन करने की आवश्यकता है. प्रकाश कोण झुका हुआ है, तो छवि में छाया और (जैसे तरल धातु के रूप में चमकदार सतहों से उदा) नमूना से सतह प्रतिबिंब सटीक सीमा का पता लगाने के लिए असंभव बना सकते हैं.
तीसरा, ट्रिगर कैमरा जब वीडियो रिकॉर्डिंग महत्वपूर्ण है. उपयोगकर्ता को ट्रिगर से पहले दर्ज किया जाना चाहिए कि कितने तख्ते का अनुमान है. विशिष्ट सेटअप अलग प्रतिक्रिया समय पर निर्भर करता है, व्यक्तियों के साथ भिन्न हो सकते हैं. इस प्रकार, अभ्यास के लिए कई परीक्षण परीक्षण वास्तविक माप से पहले आवश्यक हैं.
एक सीमा एक स्थानिक संकल्प व्यापार बंद करना शामिल है. प्रयोगों में उठाया गया एक छवियों के लिए, संकल्प उन्नत कण ट्रैकिंग एल्गोरिदम विशिष्ट प्रयोगात्मक deta पर निर्भर करता है, इस संबंध में मदद कर सकता है, हालांकि यह (स्पष्ट रूप से 50 माइक्रोन से छोटे कणों कल्पना करने के लिए नहीं बल्कि मुश्किल है कि पता चलता है, जो लगभग 50 माइक्रोन था) 10-12 आइएलएस. एक अन्य संभावित सीमा को देखने के लिए आवश्यक क्षेत्र बड़ा हो जाता है जब समय संकल्प में तेजी से कमी है. कई सेंटीमीटर के लिए बढ़ा सूचक के लिए, फ्रेम दर तेजी से गतिशीलता पर कब्जा करने के लिए बहुत जल्दी नहीं हो सकता है, जो 5000 एफपीएस के नीचे छोड़ सकते हैं.
संक्षेप में, तेजी इमेजिंग प्रणाली (तेज कैमरा + मैक्रो लेंस) यहाँ वर्णित तेजी से गतिशीलता प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए एक आशाजनक उपकरण है. यहाँ ध्यान गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ के प्रभाव पर था, लेकिन इस तरह के तरल ड्रॉप गोलमाल 19,20, बारीक विमानों 21, और तरल ड्रॉप संघीकरण 22, एक ऐसी ही तकनीक से लाभ के रूप में कई अन्य विषयों अनुसंधान, की जांच. इस तरह की प्रयोगात्मक दृष्टिकोण छवि microscale घटना के लिए यह संभव बनाता है और एक ही समय में microseconds के पैमाने, पारंपरिक तरीकों इमेजिंग के लिए चुनौती है कि शासन में साथ गतिशीलता में अंतर्दृष्टि प्राप्त करते हैं.
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Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
Acknowledgments
प्रयोगात्मक नमूने की तैयारी के साथ मदद के लिए बहुत उपयोगी विचार विमर्श और Qiti गुओ के लिए वेंडी जांग, Luuk Lubbers, मार्क Miskin और मिशेल Driscoll के लिए धन्यवाद. इस काम अनुदान सं DMR-0820054 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन के MRSEC कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया.
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
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