Snabb bildteknik för att studera Drop Impact Dynamics av ​​icke-newtonska vätskor

Summary

Drop inverkan av icke-newtonska vätskor är en komplicerad process, eftersom olika fysikaliska parametrar påverkar dynamiken under en mycket kort tid (mindre än en tiondel av en millisekund). En snabb avbildningsteknik införs för att karakterisera de slag beteenden av olika icke-Newtonska vätskor.

Abstract

Inom området för fluidmekanik, många dynamiska processer förekommer inte bara under en mycket kort tidsintervall, utan också kräver hög rumslig upplösning för detaljerad observation, scenarier som gör det svårt att observera med konventionella avbildningssystem. En av dessa är den minskade inverkan av vätskor, som vanligen sker inom en tiondels millisekund. För att ta itu med denna utmaning, är en snabb bildteknik introducerades som kombinerar en höghastighetskamera (kan upp till en miljon bilder per sekund) med ett makroobjektiv med långa arbetsavstånd för att få den rumsliga upplösningen på bilden ner till 10 um / pixel. Den bildteknik möjliggör exakt mätning av relevanta fluiddynamiska kvantiteter såsom flödesfältet, spridningsavstånd och stänk hastighet, från analys av den inspelade videon. För att visa möjligheterna med denna visualiseringssystem, slagdynamik när droppar av icke-newtonska vätskor inkräktar på ett plant och hårt underlag är characteserad. Två situationer beaktas: för oxiderade vätskedroppar metall vi fokuserar på att sprida beteende och för tätt packade suspensioner vi bestämmer uppkomsten av stänk. Mer allmänt, kombinationen av hög tids-och rums avbildning upplösning introduceras här ger fördelar för att studera snabba dynamiken inom ett brett spektrum av mikroskala fenomen.

Introduction

Drop påverkan på en fast yta är en viktig process i många tillämpningar där elektronisk tillverkning ^1, sprutbeläggning ^2, och additiv tillverkning med hjälp av bläckstråleutskrifter ^3,4, där en exakt kontroll av droppspridning och stänk önskas. Emellertid är direkt observation av fallstöt tekniskt utmanande för två skäl. För det första är det en invecklad dynamisk process som sker inom en tidsskala för kort (~ 100 ^ sek) som ska avbildas lätt med konventionella bildsystem, som optiska mikroskop och DSLR kameror. Fotografering med blixt kan naturligtvis bild mycket snabbare, men inte tillåter kontinuerlig inspelning, vilket krävs för detaljerad analys av utvecklingen med tiden. För det andra kan den längdskala inducerad av konsekvens instabiliteter vara så liten som 10 | im ^5. Därför, för att kvantitativt studera effekten processen ett system som kombinerar ultra avbildning tillsammans med någorlunda hög rumslig upplösning är oftaönskas. I avsaknad av ett sådant system, tidiga arbete med dropp inverkan fokuserade främst på den globala geometrisk deformation efter träff ^6-8, men var oförmögen att samla information om den tidiga tiden, nonequilibrium processer i samband med påverkan, till exempel uppkomsten av stänk. Senaste framstegen inom CMOS höghastighets videography av vätskor ^9,12 har drivit bildhastighet på upp till en miljon bilder per sekund och exponeringstider ned under 1 ps. Dessutom kan nyutvecklade CCD-avbildningstekniker driva bildhastighet långt över en miljon fps ^9-12. Rumslig upplösning på andra sidan, kan ökas till storleksordningen 1 mikrometer / pixel med hjälp av förstoringsglas ^12. Som en följd av detta har det blivit möjligt att undersöka i oöverträffad detaljrikedom påverkan av en lång rad fysiska parametrar på olika stadier av drop effekter och att systematiskt jämföra experiment och teori ^5,13-16. Till exempel stänk övergången i newtonska vätskor var found som ska fastställas av atmosfärstryck ^5, medan den inneboende reologi bestämmer spridnings dynamiken i avkastnings-stress vätskor ^17.

Här en enkel men ändå kraftfull snabb avbildningsteknik introduceras och tillämpas för att undersöka effekterna dynamiken i två typer av icke-newtonska vätskor: flytande metaller och tätt packade suspensioner. Med exponering för luft, i princip alla flytande metaller (utom kvicksilver) kommer spontant utvecklar ett oxid huden på deras yta. Mekaniskt är huden befunnits ändra effektiv ytspänning och vätningsförmåga av metallerna ^18. I en tidigare uppsats ^15, flera av författarna studerade spridningsprocessen kvantitativt och kunde förklara hur skineffekten påverkar slag dynamik, särskilt skalningen av den maximala spridningsradien med konsekvensparametrar. Eftersom flytande metall har hög yta reflektivitet noggrann justering av belysningen som krävs i den avbildning. Suspensioner enre består av små partiklar i en vätska. Även för enkla newtonska vätskor, tillägg av partiklar resulterar i icke-newtonskt beteende, vilket blir särskilt uttalad i täta suspensioner, dvs vid hög volymfraktion av suspenderade partiklar. Särskilt, var uppkomsten av stänk när en suspension droppe träffar en slät, hård yta studeras i tidigare arbete ^16. Både vätske-partikel och inter-partikel interaktioner kan ändra stänk beteende avsevärt från vad som kan förväntas från enkla vätskor. För att spåra partiklar så små som 80 | im i dessa experiment en hög rumslig upplösning behövs.

En kombination av olika tekniska krav såsom hög tids-och rumsupplösning, plus förmågan att observera effekter både från sidan och underifrån, kan alla vara nöjda med bildinställningar som beskrivs här. Genom att följa ett standardprotokoll, som beskrivs nedan, kan de slagdynamiken vara untigated på ett kontrollerat sätt, såsom visas explicit för spridning och stänk beteende.

Protocol

1. Snabb Imaging Setup (se figur 1)

1. Börja med att sätta upp en vertikal bana längs vilken en behållare fylld med den vätska som ska studeras kan fritt flyttas för att justera anslagshastigheten. Fluiden lämnar botten av behållaren genom ett munstycke och därefter inträder fritt fall. För detta arbete den fallande höjd varierades från 1 till 200 cm för att ge en anslagshastighet V ₀ = (0,4-6,3) ± 0,15 m / sek.
2. Konstruera och montera en ram för att hålla det horisontella inverkan planet, typiskt en glasplatta, på vilken en lutande reflekterande spegeln är positionerad för att visualisera den fallstöt från botten.
3. Placera en ren och slät glasskiva på hållaren. Se till att plattan är planat horisontellt.
4. Montera en sprutpump på det vertikala spåret.
5. För flytande metall effekt, placera en transparent papper diffusor bakom munstycket för sidan-view imaging. Samtidigt, bifoga ett vitt ogenomskinligt papper ovanför sprutpump för att genererareflektion för botten visning (se figur 1). Därefter letar du upp ljuskällan bakom munstycket.
6. För tät fjädring effekt behövs ingen diffusor. Istället bara placera ljuskälla framför avbildningsplanet.
7. Välj makroobjektiv med en lämplig brännvidd för önskad förstoring och optisk arbetsavstånd. Anslut sedan objektivet till kameran.
8. Montera kameran på ett stativ och justera höjden på kameran enligt bildperspektiv (sida eller botten).

2. Provberedning

1. Framställning av oxiderad flytande metall
   1. Butiks Gallium-Indium Eutectic (eGain) i en sluten behållare. Sedan dess smälttemperatur är ca 15 ° C, stannar eGain i ett flytande tillstånd vid rumstemperatur.
   2. Använd en pipett för att utvinna 3 ml eGain från behållaren och pressa den på en akrylplatta. Vänta i 30 min för det prov som skall fullständigt oxideras i luft. Som consequence, ett tunt lager av rynkig oxiderade huden helt täcker provets yta.
   3. Användning av klorvätesyra (HCl; "FÖRSIKTIGHET") med olika koncentrationer för att förtvättas eGain prov och att reglera yt-oxidation. Specifikt skjuvning provet, samtidigt som den är i syrabadet, vid 60 sek ^-1 skjuvhastighet med en reometer. Efter 10 min av skjuvning, nivån på ytan oxidation i provet når jämvikt, fastställs av koncentrations ^15,18 HCI.
   4. Efter denna fördisk, använd en plastspruta med en stålmunstycke tips att extrahera eGain från badet.
   5. Montera sprutan på sprutpumpen och vara redo för experimentet.
2. Beredning av täta suspensioner
   1. Skär av änden av en kommersiell spruta (4,5 mm eller 2,3 mm i radie) och använda det som cylindriska röret för utmatning den täta suspensionen.
   2. Dra tillbaka kolven så att sprutan fylls med vatten hela vägen till den öppna änden, vilket gör sure finns det ingen luftbubbla fångas.
   3. Sätt sfäriska ZrO ₂ eller glaspärlor i sprutan. Med sedimentering av partiklar, kommer vatten att läcka ut från munstycket. Fyll sprutan med partiklar hela vägen till den öppna änden. Upphävandet kommer att fastna under gravitation.
   4. Använd ett rakblad för att ta bort extra fuktade partiklar från toppen för att hålla detta syfte platt.
   5. Vänd över munstycket och montera den på sprutpumpen. Ytspänning kommer att hindra partiklarna från att falla ut ^16.

3. Kalibrering

Innan samla videoklipp, parametrarna för bildenheten måste ställas in och belysning anpassning måste slutföras. Dessutom måste den rumsliga upplösningen som skall kalibreras.

1. Starta sprutpump med en hastighet av 20 ml / h för att pressa ut fluid (flytande metall eller suspension) från munstycket.
2. Vänta för fluiden att lossna från sprutan, bildar en droppe och fallf för att göra ett test inverkan på glassubstrat.
3. Justera kamerapositionen, inklusive dess vertikala position och bildbehandling orientering, för att hitta den splat på datorskärmen som ansluts till kameran. Ändra arbetsavståndet för att arrangera bilden att vara i fokalplanet när avbildningsskala på objektivet har fastställts till 01:01.
4. Variera bländarstorleken, exponeringstid och ljusvinkel för att få bästa bildkvalitet när bildfrekvensen är tillräckligt hög (> 6.000 fps) Figur. 2 (a) visar typiska bilder som tas med kameran för både vätska eGain och en tät suspension.
5. Placera en linjal i synfältet (se figur 2 (b)) och beräkna den rumsliga upplösningen genom att räkna hur många bildpunkter passar över 1 cm. Se till att det inte finns någon skillnad i upplösning mellan horisontell och vertikal riktning.
6. Följ en 3-stegs process för att mäta packningen bråkdel av tät fjädring drop:
   1. Mäta massan av entire splat direkt efter påverkan (t.ex. genom att låta droppen faller i ett mått som kan vägas noggrant).
   2. Sedan avdunsta all vätska med en värmare och väga splat igen för att erhålla partikelmassan.
   3. Beräkna volymen av partiklar och vätska för att få den packningsfraktion. Normalt bör denna volymfraktion vara runt 60%.
7. Enligt observationsriktningen (botten eller sida), placera kameran på lämpligt sätt. I synnerhet placera kameran bredvid substratet för sidovy eller på samma nivå av den reflekterande spegeln för botten avbildning.

4. Video Recording and Data Acquisition

1. Efter bildbehandling kalibrering, starta om sprutpumpen. Samtidigt, öppna kameran kontrollerande programvara för att övervaka påverkan processen.
2. Ställ in eftertrigg ramnummer på ungefär hälften av den video längd. Titta noga när nedgången börjar bildas och manuellt triggerar kameran i det ögonblick då droppe lossnar från munstycket. Utför några övningsprov före datainsamling.
3. Efter att data registreras, trimma ner videon till den del som innehåller effekten och spara videoklipp som bildsekvenser för analys.

5. Image Efterbearbetning och analys

1. Använd en begränsningsdetektionsmetod för att lokalisera det rörliga framför vätske eGain när det sprids, vilket motsvarar en skarp övergång i det genomsnittliga pixelvärde (se figurerna 3 (AB)).
2. Från både botten-och sidobilder, bestämma stänk uppkomsten av tät suspension.
3. Utför partikelspårningsalgoritmer för att erhålla spår av enskilda partiklar som rymt från splat (se figur 3 (c)). Därefter beräknar utstötningshastighet från sådana banor (fig 3 (d)).

Representative Results

Den snabba bildteknik kan användas för att kvantifiera spridning och stänk för olika effektscenarier. Figur 4 (a), till exempel, visar typiska effekter bildsekvenser för flytande eGain med olika oxid huden styrka. Genom att mata ut eGain från samma munstycke och på samma fallhöjd, droppar med reproducerbar stöthastighet V ₀ = 1,02 ± 0,12 m / sek och radien R ₀ = 6,25 ± 0,10 mm alstrades. Den vänstra kolumnen visar effekten av en luft-oxiderad eGain släpp inte förspolats i syra. En lång svans vid den övre änden av droppen bildas när vätskan lossnar från munstycket. Till skillnad från vanliga vätskor, förhindrar oxid huden vätskan från fritt avkopplande ytan energi, så denna icke-sfärisk geometri hålls oförändrad under den fallande scenen. Efter påverkan sker, en tunn flytande metall plåt (lameller) expanderar snabbt längs den släta underlaget. Tvätta proverna i syra minskar oxeide och försvagar huden effekten. Den mellersta och högra kolumnerna i figur 4 (a) visar bilder av droppar förspolats i 0. 01 M och 0. 2 M HCl, respektive. När syran blir stark nog för att helt eliminera någon observerbar hud effekt, visar eGain ingen skillnad i att sprida beteende från vanliga vätskor (höger kolumn).

För att karakterisera den radiella expansionen efter påverkan, kan spridningsfaktorn definieras som P _m = R ₀ / R _m, där den maximala spridningsradien är _Rm. Det skalningsbeteende P _m under olika oxidationsbetingelser plottas i Figur 4 (b) i ett konventionellt sätt för newtonska vätskor, där Re är Reynolds tal och vi * är en effektiv Weber nummer som står för ytan stress som den inducerade huden . Här, är Reynolds tal och den effektiva Weber nummer för eGain definieras på skalan av hela droppe. Speciellt Re= 2V ₀ R ₀ / ν, där ν är den kinematiska viskositeten och Vi * = 2ρV ₀ ² R ₀ / σ _eff med ρ som vätskedensitet och σ _eff som den effektiva ytspänningen. ¹⁵ Uppgifterna kollapsa fint på den klassiska skalning ⁶ . Detta tyder på att spridningen av oxiderad eGain uppfyller energibalansen argument som används för att förklara spridning för newtonska vätskor, så länge som den elastiska energi som lagras i huden är medräknad. I allmänhet används inget stänk av eGain observerats sedan ytspänningen (> 400 mN / m) är mycket större än i vanliga vätskor.

För täta suspensioner, försöken fokuserade på stänk debut. En icke-viskös vätska användes som lösningsmedlet, så att partikel Reynoldstal Re _p var alltid större än 400. I denna regim, är trögflytande avledning försumbar jämfört med tröghetseffekter. Figur 5 p och radier _rp. Eftersom de enskilda partikeldynamik dominerar effekten är både Reynolds tal och Weber nummer definieras på enda partikel skalan. Nämligen Re _p = V ₀ R _p / ν och Vi _p = ρ _p V ₀ ² R _p / σ, där R ^ _är partikelns radie. Här ändrar effekten hastigheten varierar partikel Weber numret Vi _sid. För varje punkt i ytan, upprepades experimentet för 10 gånger. De röda ihåliga cirklarna är de fall där stänk alltid finns, och de fasta blå prickar motsvarar situationen då ingen splash hittas. De öppna gröna rutorna tyder dock scenarierna när både stänk och inga stänk observeras i 10 repetitioner. I samtliga fall, övergången till stänk händer på samma värde av Vi _p ≈ 14. Detta överensstämmer med ett argument sompartikelbaserade Weber numret är den relevanta parametern för stänk debut ^16. Den inläggningar visar representativa bilder av stänk och inga stänk situationer. Genom att jämföra resultaten med stänk övergången för newtonska vätskor, framträder en distinkt skillnad. Konventionellt stänk debut för newtonska vätskor fastställs av dimensions mängd K = vi ^1/2 Re ^1/4, där Weber nummer, vi, och Reynolds tal, Re, definieras för hela drop ^7. Emellertid, genom tillsats av partiklar in i vätskan, en extra längd skala, partikelstorlek, införes i systemet. Som ett resultat, i fallet där suspensioner är så tät som stör punkt, dynamiken hos individuell partikel bestämmer stänk debut.

Ett av de utmärkande dragen i täta suspensioner är spetsliknande struktur som bildas i efterdyningarna av effekten (Figur 6 (a)). För att karakterisera denna nya typ av instabilitet, områdetav de öppnade hålen kvantifieras genom bildanalys. För det första kan den hastighetsfördelning i spridningsskiktet erhållas genom användning av Particle Image Velocimetry (PIV). Sedan, de gula ringarna i figur 6 (a) definieras med partikel Weber nummer Vi _p = 10, 75 och 920, som alla expanderar radiellt med tiden. Genom att avbilda analys, är området för hålen och den totala ytan mellan varje ring erhålls som S _hål och S _0, respektive. Förhållandet S _hål till S ₀ är avsatt mot tiden i fig. 6 (b). Från diagrammet är det uppenbart att hålet öppnande instabilitet sker oftast i den yttre regim av spridnings.

Figur 1. Schematisk illustration av bildinställningar. Densnabb kamera som används för detta arbete kan uppnå 6242 bilder per sekund (fps) vid 1.280 x 800 widescreen-upplösning, den maximala bildfrekvensen är 10 ⁶ bps vid reducerad upplösning (128 x 8). Under experimentet var dropparna sakta extruderas från ett munstycke med hjälp av en sprutpump. Belysningen av systemet åstadkommes av två vita ljuskällor. De främre och bakre lampor används för flytande metall och tät fjädring påverkan, respektive.

Figur 2. (A) Typiska bilder som tas med kameran för flytande eGain (vänstra kolumnen) och en tät suspension av partiklar i en vätska (höger kolumn). Observation kan utföras från både botten och sida. För att markera objektets profil, är nedgången belysta i en riktning vinkelräträtt mot bildplanet. Specifikt för vätska eGain är nedgången belyst för att öka kontrasten vid vätske / luftgränsen. För täta suspensioner provet belyst framifrån, så att enskilda partiklar i nedgången kan urskiljas. (B) Ett exempel på rumslig upplösning kalibrering vid 10000 bps. Här finns det 192 pixlar över en sträcka av 1 cm. Således är den rumsliga upplösningen för denna siffra 1 cm/192 pixlar ≈ 52 nm / pixel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. Image Analysis. För flytande droppar metall, vi första tröskel bilderna för varje ram (se (a)). Den genomsnittliga pixelvärdet utmed en ring vid radiell position r (se den heldragna cirkeln i (a)) visar placeringen av spridningsgräns. Konventionella, vita motsvarar noll och svart till en. Som ett resultat av den plot av medelvärdet pixel (b) visar en skarp övergång. Den position som motsvarar 0,5 ger lokaliseringen av gränsen, där osäkerheten kommer från bredden. Den rörliga främre är nyckelparametern för studien av spridning. Däremot, för tät fjädring effekt, inte bara spridning utan även stänk debut är oroande. Panel (c) visar resultatet från partikelspårning för stänk partiklar, där de gula svansar fästa partiklarna visar sina banor. Kurvan i (d) ger ett spår av partiklar inringad i (c). Eftersom tiden steget är 1/10, 000 sek, är den utströmmande hastigheten konstant på ca 1,5 m / sek, vilket väl motsvarar anslagshastigheten.f = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg" target = "_blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. Spreading dynamik vätska eGain. (A) Typisk bildsekvens av eGain droppar impacting på ett glassubstrat (fångas av en färgkänslig snabb kamera. I detta fall är den rumsliga upplösningen reduceras till 59 ^ m / pixel vid 7600 fps). Droppar initialt förspolats i HCl-lösning som anges i texten. För alla bildsekvenser som visas ovan, var effekten hastigheten hålls vid V ₀ = 1,02 ± 0,12 m / sek och den initiala droppdiametern var R ₀ = 6,25 ± 0,10 mm. (B) kapillär till viskös övergång för påverkan beteende eGain droppar förtvättad wed olika syrakoncentrationer. Den dimensionslösa parametern K = Vi * / ^{Re: 4/5} används för att komprimera all data. klicka gärna här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5. Stänk insättande Weber antal Vi _p som en funktion av partikelradien r _p och densiteten ρ _sid. De röda ihåliga cirklar är de fall där stänk alltid hittats, och de fasta blå punkter motsvara situationen när ingen stänk påträffas i 10 på varandra följande upprepningar. De öppna gröna rutorna visar de scenarier då både stänk och inga stänk observeras i 10 repetitioner. De infällda tomter är typiska bilder av stänk och nonsplashing fall. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6. Instabilitet i upphängnings sprider dynamik. Panel (a) visar en typisk bild under påverkan. Under spridning, hål öppna mellan partikelkluster grund av hastighetsgradienten i monolager. De tre gula ringarna i bilden indikerar de radiella positioner som motsvarar olika partikel Weber nummer (Vi _p = 10, 75, 920). (B) Förhållandet mellan yta hål (S _hål) på den totala arealen ₍₀₎ mellan varje ring. S _hål / S ₀ plottas mot tiden, t.

Discussion

Flera steg är avgörande för korrekt genomförande av den snabba avbildning. Först, kamera och objektiv måste vara korrekt inställd och kalibrerad. I synnerhet, i syfte att få hög rumslig upplösning, reproduktionsförhållandet av linsen måste hållas nära 1:01. Detta är särskilt viktigt för visualisering av täta suspensioner. Dessutom måste öppningsstorlek för att väljas med omsorg för avbildning. Exempelvis observation från sidan i allmänhet kräver en längre skärpedjup, därför mindre öppningsstorlek. För att bibehålla ljusstyrkan på videon, ett behov att öka exponeringstiden och därmed minska bildhastighet (~ 6.000 fps). Däremot underifrån kräver endast att kameran att fokusera på ett enda plan. Som en följd kan högre tidsupplösning erhållas (~ 10.000 fps).

För det andra, är ordentlig belysning setup en nyckelfaktor för att få en skarp gräns av dropparna. Sedan alla prover tändes antingen från baksidan eller front, ljuskällorna måste riktas lodrätt mot bildplanet. Om belysningsvinkeln lutar, kan skuggan i bilden och ytan reflektion från provet (t.ex. från blanka ytor såsom flytande metaller) gör exakt gräns upptäckt omöjlig.

För det tredje, är kameran utlöser viktigt vid videoinspelning. Användarna måste uppskatta hur många bildrutor bör registreras innan utlösning. Den specifika inställningar kan variera med individer, beroende på olika reaktionstider. Således flera tester rättegång för att öva är nödvändig innan faktiska mätningar.

En begränsning inbegriper en rumslig upplösning kompromiss. För de flesta bilder tagna i försöken, upplösningen var runt 50 pm, vilket tyder på att det är ganska svårt att tydligt visualisera partiklar mindre än 50 nm (även om spårning avancerad partikel algoritmer kan hjälpa i detta avseende, beroende på den specifika experimentella DETAils ^10-12). En annan potentiell begränsning är den kraftiga minskningen av tidsupplösning när det krävs synfältet blir stor. För splat sträcker sig till flera centimeter, kan bildhastigheten sjunker under 5000 fps, vilket kanske inte är tillräckligt snabb för att fånga snabba dynamik.

Sammanfattningsvis, det snabba bildsystem (snabb kamera + makroobjektiv) beskrivs här är ett lovande verktyg för att studera snabba dynamik processer. Fokus var på inverkan av icke-newtonska vätskor, men undersökningar av många andra forskningsområden, till exempel flytande droppe uppbrott ^19,20, granulat jets ^21, och flytande droppe sammansmältning ^22, dra nytta av en liknande teknik. En sådan experimentell metod gör det möjligt att bildmikroskala fenomen och samtidigt få insikt i de medföljande dynamiken på omfattningen av mikrosekunder, en regim som är utmanande för konventionella avbildningsmetoder.

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