Summary
Farklı fiziksel parametrelerin çok kısa bir süre (bir milisaniyeden daha az onda biri) üzerinde dinamiklerini etkileyebilecek beri non-Newtonian akışkanların Bırak etkisi karmaşık bir süreçtir. Bir hızlı görüntüleme tekniği farklı non-Newtonian akışkanların etkisi davranışlarını karakterize etmek amacıyla tanıtıldı.
Abstract
Akışkanlar mekaniği alanında, birçok dinamik süreçleri çok kısa bir zaman aralığında meydana ama aynı zamanda detaylı gözlem için yüksek uzaysal çözünürlüğü, geleneksel görüntüleme sistemleri ile gözlemlemek için zorlu hale senaryoları gerektirmez sadece. Bunlardan biri genellikle milisaniye onda biri içinde olur sıvıların damla etkisi vardır. Bu sorunun üstesinden gelmek için hızlı bir görüntüleme tekniği / aşağı 10 um görüntünün uzaysal çözünürlüğü getirmek için uzun çalışma mesafesi olan bir makro lens ile yüksek hızlı bir kamera (saniyede bir milyon kare yeteneğine) birleştiren tanıtıldı piksel. Görüntüleme tekniği kaydedilen videonun analizi, bu tür akış alanına yayılan mesafe ve sıçramasına hızı gibi ilgili akışkan dinamik miktarlarda, hassas ölçüm sağlar. Bu görselleştirme sisteminin yeteneklerini göstermek için, non-Newtonian akışkanların damlacıkları düz ve sert bir yüzeye çarpacak etki dinamikleri characte vardırrized. Iki durum olarak kabul edilir: oksitlenmiş sıvı metal damlacıkları için biz yayılan davranış odaklanmak ve yoğun paketlenmiş süspansiyonlar için biz sıçramasına başlangıcını belirler. Daha genel olarak, burada tanıtılan yüksek zamansal ve mekansal görüntüleme çözünürlük kombinasyonu microscale olayların geniş bir yelpazesinde hızlı dinamiğini çalışmak için avantajlar sunuyor.
Introduction
Katı bir yüzey üzerine etki damla damla kesin bir kontrol yayılma ve sıçrama istendiği 3,4, mürekkep püskürtmeli baskı kullanarak elektronik imalat 1, sprey kaplama 2, ve katkı maddesi içeren bir çok üretim uygulamalarında önemli bir işlemdir. Ancak, damla etkisinin doğrudan gözlem iki nedenden dolayı teknik olarak zordur. Birincisi, bir zaman ölçeği içinde böyle optik mikroskoplar ve DSLR fotoğraf makineleri gibi geleneksel görüntüleme sistemleri, kolayca yansıması için çok kısa (~ 100 mikro-saniye) oluşur karmaşık bir dinamik bir süreçtir. Flaş fotoğrafçılık çok daha hızlı ders görüntünün kutu, ama zamanla evrim ayrıntılı analizi için gerekli olan, sürekli kayıt için izin vermez. İkincisi, darbe istikrarsızlıkların neden uzunluk ölçeği 10 mikron 5 kadar küçük olabilir. Bu nedenle, kantitatif darbe sürecini oldukça yüksek uzaysal çözünürlüğü ile birlikte ultra hızlı görüntüleme birleştiren bir sistemi incelemek için sık sıkİstenilen. Bu tür bir sistem, darbe 6-8 sonra küresel geometrik deformasyon üzerinde duruldu, ama bu tür sıçrama başlangıcı olarak erken zaman hakkında bilgi, etkisi ile ilişkili nonequilibrium süreçleri, toplamak edemedi damlacık etkisi erken çalışmalarının yokluğunda. Sıvıların 9,12 CMOS yüksek hızda videografisi son gelişmeler aşağı 1 mikro saniye olduğu aşağıda bir milyon fps ve pozlama süreleri kadar kare hızını itti. Ayrıca, yeni geliştirilen CCD görüntüleme teknikleri de bir milyon fps 9-12 yukarıdaki kare hızını zorlayabilir. Öte yandan uzamsal çözünürlük, büyütücü lensler 12 ile 1 mikron / piksel sırasına arttırılabilir. Bunun bir sonucu olarak, benzeri görülmemiş ayrıntılı olarak damla etki çeşitli aşamalarında ilgili fiziksel parametreleri geniş bir aralık etkisini araştırmak ve sistematik deney ve teori 5,13-16 karşılaştırmak mümkün hale gelmiştir. Örneğin, Newton tipi sıvılarda sıçramasına geçiş fou olduiçsel reoloji verim akışkanların gerilimi 17 yayılmasını dinamiklerini karar verir iken nd, atmosfer basıncında 5 tarafından ayarlanmalıdır.
İşte basit ama güçlü, hızlı görüntüleme tekniği tanıttı ve darbe non-Newtonian akışkanların iki tip dinamiklerini incelemek için uygulanır: Sıvı metaller ve yoğun dolu süspansiyonlar. Havaya maruz kalma ile, esasen (cıva hariç) tüm sıvı metaller kendiliğinden kendi yüzeyinde bir oksit cilt geliştirmek olacaktır. Mekanik olarak, cilt etkili yüzey gerilimi ve metallerin 18 ıslatma yeteneğini ortadan bulunmuştur. Bir önceki yazıda 15, yazarların çeşitli kantitatif yayma sürecini okudu ve deri etkisi darbe dinamiklerini, darbe parametreleri ile maksimum yayılma yarıçapının özellikle ölçeklendirme nasıl etkilediğini açıklamak başardık. Sıvı metal, yüksek yüzey yansıtma sahip olduğu için, aydınlatma dikkat ayar görüntüleme gereklidir. Süspansiyonlar, birbir sıvı içinde küçük parçacıklardan oluşan re. Hatta basit Newton sıvılar için, özellikle de asılı partiküllerinin yüksek miktarda kısmını, yani yoğun süspansiyonlar, belirgin hale Newtonian olmayan davranışlar, partiküller sonuçlarının eklenmesi. Özel olarak, sıçrama başlangıcı bir süspansiyon damla pürüzsüz, sert bir yüzeye isabet önceki çalışmaları 16 incelenmiştir. Sıvı-parçacık ve parçacık-arası etkileşimleri hem basit sıvılardan Beklenenin anlamlı sıçrama davranışını değiştirebilir. Yüksek uzamsal çözünürlük gereklidir, bu deneylerde, 80 mikron kadar küçük parçacıkları izlemek için.
Böyle yüksek temporal ve uzaysal çözünürlüğü, artı yan ve alttan hem de etkilerini gözlemlemek için yeteneği gibi çeşitli teknik gereksinimleri bir arada, hepsi burada anlatılan görüntüleme kurulum ile memnun olabilir. Standart bir protokol izlenerek, aşağıda açıklanan dinamik darbe araş olabilir,davranışı yayılması ve sıçraması için açıkça gösterildiği gibi, kontrollü bir şekilde tigated.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.. Hızlı Görüntüleme Kurulum (Bakınız Şekil 1)
- Incelenecek sıvı ile dolu bir kap serbestçe etki hızını ayarlamak için hareket edilebilir boyunca dikey bir parça kurarak başlayın. Akışkan bir meme boyunca, kabın alt yaprakları ve sonra serbest düşme girer. Bu iş için düşme yüksekliği 0.15 m / sn ± bir çarpma hızı V = (0,4-6,3) 0 vermek için 1-200 cm arasında değişiyordu.
- Construct ve eğimli bir yansıtıcı ayna alttan açılan etkisini görselleştirmek için konumlandırılmış altında yatay etki uçağı, genellikle bir cam plaka, tutmak için bir montaj çerçevesi.
- Tutucuya temiz ve pürüzsüz cam tabak koyun. Plaka yatay tesviye olduğundan emin olun.
- Dikey parça üzerine bir şırınga pompası monte edin.
- Sıvı metal etki için, yan görünüm görüntüleme için memenin arkasında şeffaf bir kağıt difüzör yerleştirin. Aynı zamanda, elde etmek için şırınga pompası üzerinde bir beyaz opak kağıt takmakgörüntüleme altındaki (bkz. Şekil 1) için yansıma. Ardından, memenin arkasına ışık kaynağını bulun.
- Yoğun süspansiyon etki için, hiçbir difüzör gereklidir. Bunun yerine, sadece görüntüleme düzlemin önünde ışık kaynağı yerleştirin.
- İstediğiniz büyütme ve optik çalışma mesafesi için uygun bir odak uzunluğuna sahip makro objektifi seçin. Ardından, kamera objektifi bağlayın.
- Bir tripod üzerine kamera monte ve görüntüleme perspektif (yan veya alt) göre kameranın yüksekliğini ayarlayın.
2. Numune Hazırlama
- Oksitlenmiş sıvı metalin hazırlanması
- Kapalı bir kapta saklayın Galyum-İndiyum Eutectic (EGAIN). Erime sıcaklığı yaklaşık 15 ° C olduğu için, EGAIN, oda sıcaklığında sıvı halde kalır.
- Kabından 3 mi EGAIN özü ve bir akrilik plaka üzerine ekstrüde etmek için bir pipet kullanın. Numune tamamen havada okside edilmesi için 30 dakika bekleyin. Bir conseque olaraknce, kırışık okside deri ince bir tabaka tamamen numune yüzeyini kapsamaktadır.
- EGAIN örnek ön yıkama ve yüzey oksidasyonu kontrol etmek için farklı konsantrasyonlarda, hidroklorik asit ("Dikkat" HCl) kullanın. Bu asit banyosuna iken Spesifik olarak, bir reometre ile 60 saniye-1 kesme hızında, örnek kesme. Kesme 10 dakika sonra, numune yüzey oksidasyon seviyesi HCI konsantrasyonu, 15,18 tarafından belirlenen, dengeye ulaşır.
- Bu ön-yıkamadan sonra, banyosundan EGAIN çıkarmak için bir çelik meme ucu ile plastik bir şırınga kullanın.
- Şırınga pompa üzerine monte şırınga ve deney için hazır.
- Yoğun bir süspansiyon hazırlanması
- Ticari bir şırınga (4.5 mm ya da 2,3 mm çapında) ucunu kesin ve yoğun süspansiyonunun dışarı verilmesi için silindirik bir tüp olarak kullanın.
- Pistonu geri çek ve su ile şırınga açık ucuna tüm yol dolgu, s yapmaure sürüklenmiş hava balonu olduğunu.
- Şırıngaya küresel ZrO 2 veya cam boncuk koydu. Partiküllerin sedimantasyonu ile, su, memeden dışarı dökülür. Parçacıkları ile açık ucuna tüm yol şırınga doldurun. Süspansiyon yerçekimi altında reçel olacak.
- Düz o ucunu tutmak için üst ekstra ıslatılmış parçacıkları kaldırmak için bir jilet kullanın.
- Meme üzerine çevirmek ve şırınga pompası üzerine monte. Yüzey gerilimi 16 düşmesini partikülleri önlemek olacaktır.
3. Ayarlama
Video toplama önce, görüntüleme cihazı parametreleri ayarlamak ve aydınlatma hizalama tamamlanmış olması gerekir. Ayrıca, uzaysal çözünürlük kalibre edilmesi gerekir.
- , Memeden sıvı (sıvı metal ya da süspansiyon) dışarı itmek için, 20 ml / st 'lik bir hızda şırınga pompası başlatın.
- Şırınga ayırmak için akışkan için bekleyin, bir damla ve düşme formununcam alt tabaka üzerine bir test etki yapmak f.
- Kameraya bağlayan bilgisayar monitörü uyarısı bulmak için, dikey konumda ve görüntüleme yön dahil kamera konumunu, ayarlayın. Lensin üreme oranı 1:1 sabit zaman odak düzleminde olmak için görüntü düzenlemek için çalışma mesafesi değiştirin.
- Kare hızı (> 6,000 fps) yeterince yüksek olduğunda, en iyi görüntü kalitesini elde etmek için diyafram boyutunu, pozlama süresini ve aydınlatma açısı değişir. Şekil 2 (a) sıvı EGAIN ve yoğun bir süspansiyon hem kamera tarafından çekilen tipik görüntüleri gösterir.
- (Şekil 2 (b)) ve 1 cm çapında uygun kaç piksel sayarak uzamsal çözünürlük hesaplamak görüş alanında bir cetvel yerleştirin. Yatay ve düşey doğrultular arasındaki çözünürlük farkı yok emin olun.
- Yoğun süspansiyon damla paketleme kısmını ölçmek için 3 aşamalı bir süreç takip edin:
- Ent kütlesini ölçündarbeden sonra ire uyarısı doğru (doğru olarak tartılır edilebilir bir ölçü kabı içine düşmek düşürmek sağlayarak örneğin).
- Daha sonra, bir ısıtıcı ile bütün solvent buharlaşır ve tanecik kütlesi elde etmek için tekrar uyarısı tartın.
- Paketleme kısmını almak için parçacıklar ve sıvı hacmini hesaplayın. Tipik olarak, bu hacim fraksiyonu% 60 civarında olmalıdır.
- Gözlem yönü (alt ya da yan) göre, uygun kamerayı yerleştirin. Özellikle, aşağıdaki yan görünüm ya da alt görüntüleme için yansıtıcı aynanın aynı düzeyde substrata kamera koymak.
4. Video Kayıt ve Veri Toplama
- Görüntüleme kalibrasyon sonra, şırınga pompası yeniden başlatın. Aynı zamanda, çarpma işlemini izlemek için, kamera kontrol yazılımı açın.
- Video uzunluğu kabaca yarısı post-tetikleme çerçeve numaralarını ayarlayın. Damla formu ve elle süslemek başladığında dikkatle izleyinger an kamera damla, memeden ayrılır zaman. Veri kayıt önce birkaç uygulama testleri gerçekleştirin.
- Veriler kaydedildikten sonra, etkisini içeren kısmına videoyu aşağı düzeltme ve analiz için görüntü dizileri gibi video kaydedebilirsiniz.
5. Post Görüntü işleme ve Analiz
- O () Şekiller 3 (ab bakınız) ortalama piksel değeri keskin bir geçiş karşılık gelir yayılır gibi sıvı EGAIN hareketli ön bulmak için bir sınır algılama yöntemi kullanın.
- Alt ve yan hem görüntüleri, yoğun süspansiyon sıçramasına başlangıcını belirler.
- () Şekil 3 (C) bir uyarıyla kaçan bireysel partiküllerin izlerini elde etmek için partikül izleme algoritmaları gerçekleştirin. Daha sonra, bu yörüngeler arasındaki çıkarma hızı (Şekil 3 (d)) hesaplar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hızlı görüntüleme tekniği. Şekil yayılması ve çeşitli etki senaryoları için sıçramasına ölçmek için kullanılabilecek 4 (a), örneğin, farklı oksit ten gücü sıvı EGAIN için tipik etki görüntü dizilerini göstermektedir. Aynı memeden ve aynı düşen yükseklikte EGAIN kovarak, tekrarlanabilir çarpma hızı V 0 ile damlacıklar = ± 0.12 m / sn ve yarıçapı R 0 = 6.25 ± 0.10 mm 1.02 oluşturulmuştur. Sol sütun asit içinde yıkanmış olan bir hava oksitlenmiş EGAIN damla etkisini gösterir. Sıvı, memeden ayrılır zaman damla en sonunda bir uzun kuyruk oluşturulur. Sıradan sıvılardan farklı olarak, deri serbestçe oksit yüzey enerjisini rahatlatıcı sıvı engeller, bu nedenle bu nonspherical geometri düşen aşamasında sabit tutulur. Darbe gerçekleştikten sonra, ince bir sıvı metal sac (lamel) düzgün alt tabakası boyunca hızla genişler. Asit örnekleri Yıkama öküz azaltıride ve deri etkisi zayıflar. Şekil 4'te orta ve sağ sütunlar (a) sırasıyla 0. 01 M ve 0. 2 M HCI, ön yıkamaya tabi damla görüntüleri göstermek. Asidin tamamen gözlenebilir herhangi bir cilt etkisini ortadan kaldırmak için yeterince güçlü olduğunda, EGAIN sıradan sıvılar (sağ sütun) gelen davranış yayılan hiçbir farklılık gösterir.
Darbeden sonra radyal genişleme karakterize etmek amacıyla, yayılma faktörü olarak tanımlanabilir P m = yarıçapı yayılan en fazla R m, 0 R / R m,. Farklı oksidasyon koşulları altında P m ölçekleme davranışı Re Reynolds sayısı ve Biz * Newton sıvılar için geleneksel bir şekilde Şekil 4 (b) 'de çizilmiştir uyarılan cilt tarafından indüklenen stres hesaplar etkili Weber sayıdır . Burada, EGAIN için Reynolds sayısı ve etkin Weber sayısı tüm damla ölçeğinde tanımlanır. Özel olarak, Re= 2V 0 R ν kinematik viskozite ve Biz etkili yüzey gerginlik gibi sıvı yoğunluğu ve σ eff gibi ρ ile = 2ρV 0 2 R 0 / σ eff * 0 / ν. 15. veri güzel klasik 6 ölçekleme üzerine çökmeye . Bu okside EGAIN yayılmasını sürece ciltte depolanan elastik enerji muhasebeleştirilir gibi, Newton sıvıları için yayılmasını açıklamak için kullanılan enerji dengesi argüman uygun olduğunu göstermektedir. Genel olarak, EGAIN hiçbir sıçrama yüzey gerilimi (> 400 mN / m) sıradan sıvılar içinde daha büyük olduğu görülmektedir.
Yoğun süspansiyonlar için, deneyler sıçrama başlangıcında üzerinde duruldu. P Re parçacık Reynolds sayısı, her zaman 400'den daha büyük olduğu şekilde bir yapışkan olmayan sıvı çözücü olarak kullanılmıştır. Bu rejimde, viskoz yayılma atalet etkileri ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilir düzeydedir. Şekil 5 p ve yarıçapları p için sıçramasına faz diyagramı görülmektedir. Tek parçacık dinamiği etkisi hakim yana, Reynolds sayısı ve Weber sayısı hem tek parçacık ölçekte tanımlanır. Yani, Re p = 0 V R p / ν ve p = ρ p V 0 2 R p / σ, R p parçacık yarıçapıdır. Burada, darbe hızı değişen parçacık Weber sayısı Biz p değişir. Arsa içinde her bir nokta için, deney 10 kez tekrarlanmıştır. Kırmızı içi boş halkalar sıçrama daima bulunan durumlardır ve hiçbir sıçrama bulunduğunda katı mavi noktalar duruma gelmektedir. Açık yeşil kareler, ancak, sıçrama ve hiçbir sıçrama hem de 10 tekrarlar gözlenen senaryolar göstermektedir. Tüm durumlarda, sıçrama için bir geçiş p ≈ 14 ile aynı değerde olur. Bu bir argüman ile tutarlı olduğunu,parçacık-tabanlı Weber sayısı sıçrama başlangıcı 16 için ilgili parametredir. Takmalar temsilcisi sıçrama görüntüleri ve hiçbir sıçrama durumları gösteriyor. Newton sıvılarının sıçramasına geçiş sonuçları karşılaştırarak, belirgin bir fark ortaya çıkar. Geleneksel olarak, Newton sıvılar için sıçramasına başlangıçlı boyutsuz büyüklük K tarafından ayarlanır = Biz 1/2 Weber sayısı, Biz, ve Reynolds sayısı, Re, tüm damla 7 için tanımlanan Re 1/4,. Bununla birlikte, sıvı içine parçacıkları eklenerek, ilave bir uzunluk skalası, parçacık boyutu, sisteme sokulur. Bunun bir sonucu olarak, süspansiyonlar, sıkışma noktası olarak yoğun olduğu durumda, tek tek parçacık dinamikleri sıçramasına başlangıcını belirlemektedir.
Yoğun süspansiyonlar ayırt edici özelliklerinden biri etkisinin sonrasında (Şekil 6 (a)) oluşturulan dantel benzeri bir yapıdır. Istikrarsızlık bu yeni tip bölgeyi karakterize etmek amacıyla,açılan deliklerin görüntüleme analizi ile ölçülür. İlk olarak, yayılan tabakadaki hız dağılımı Parçacık Hızı (PIV) kullanılarak elde edilebilir. Daha sonra, Şekil 6'da sarı halka (a) ile tarif edildiği parçacık Weber sayısı Biz p = her zaman radyal olarak genişletmek 10, 75 ve 920,. Görüntüleme analizi ile, deliklerin alanı ve her bir halkası arasındaki toplam alan, sırasıyla bir delik ve S, S, 0, olarak elde edilir. 0, S, S delik oranı, Şekil 6 zamana karşı taslak haline getirilir (b). Arsa itibaren, bu delik açma instabilite yayılma dış rejiminde daha çok meydana geldiği açıktır.
Şekil 1. Görüntüleme kurulum şematik.Bu iş için kullanılan, hızlı kamera 1.280 x 800 geniş ekran çözünürlükte 6.242 kare-saniye (fps) elde edebilirsiniz, maksimum kare hızı düşük çözünürlükte (128 x 8) 10 6 fps. Deney esnasında, damla yavaş yavaş bir şırınga pompası kullanılarak ile bir ağızlıktan, ekstrüde edilmiştir. Sistemin aydınlatma iki beyaz ışık kaynakları ile sağlanır. Ön ve arka ışıklar, sırasıyla, sıvı metal ve yoğun süspansiyon etki için kullanılmaktadır.
Şekil 2. (A) bir sıvı (sağ kolon), sıvı EGAIN için kamera (sol sütun) ve parçacıklar yoğun bir süspansiyon tarafından alınan tipik Görüntü. Gözlem alt ve yan hem de gerçekleştirilebilir. Nesnenin profili vurgulayın, damla perpen bir yönde yanıyorgörüntü düzlemine dicular. Özellikle sıvı EGAIN için, damla sıvı / hava sınırında kontrastı artırmak için aydınlatmalı olduğunu. Yoğun süspansiyonlar, numune damla tek parçacıklar ayırt edilebilir, öyle ki ön yanar. 10000 fps uzaysal çözünürlük kalibrasyon (b) bir örnek. Burada, 1 cm'lik bir mesafe boyunca 192 piksel vardır. Böylece, bu rakam için uzamsal çözünürlük 1 cm/192 piksellerin ≈ 52 mm / piksel olduğunu. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.
Şekil 3,. Görüntü Analizi. Sıvı metal damlaları, ilk eşik her çerçeve için görüntüleri ((a)). radyal konumu r ((a) 'de katı daire) bir halka boyunca ortalama bir piksel değeri, yayma sınır konumunu göstermektedir. Geleneksel olarak, beyaz sıfıra tekabül ve bir siyah. Sonuç olarak, ortalama piksel değerinin arsa (b) keskin bir geçiş gösterir. 0.5 'e karşılık gelen pozisyon belirsizlik genişliği geliyor sınır arasında bir konuma sahiptir. Ön hareketli yayılma çalışma için en önemli parametredir. Buna karşılık, yoğun süspansiyon etki için, yayılan değil, aynı zamanda sıçramasına başlangıçlı bir endişe kaynağıdır. Panel (c) parçacıkların bağlı sarı kuyruk kendi yörüngelerini gösterir sıçramasına parçacıkların, parçacık izleme gelen sonuçları göstermektedir. (D) 'de arsa parçacıkların trace (c)' de daire içine vermektedir. Zaman adım 1/10, 000 saniye olduğu için, kaçan hız darbe hızı iyi karşılık gelen yaklaşık 1.5 m / sn, sabittir.f = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/51429/51429fig3highres.jpg" target = "_blank"> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.
Şekil 4. Sıvı EGAIN dinamiklerini Yayılma. EGAIN (a) Tipik görüntü dizisi (Bu durumda, uzaysal çözünürlüğü 7600 fps'de 59 mm / piksel indirgenmiş bir renk duyarlı, hızlı kamera ile çekilen.) Bir cam alt tabaka üzerine etkileyen damla. Metinde belirtildiği gibi damlaları ilk HCl çözeltisi içinde yıkanmış edilir. Yukarıda verilen tüm resim dizileri için, çarpma hızı V, 0 ° C'de tutuldu = 1.02 ± 0.12 m / sn 'dir ve başlangıç damla çapı R 0 = 6.25 ± 0.10 mm idi. (B) Kapiler EGAIN çarpma davranışı için yapışkan bir geçişe yıkanmış düşer wi'inci farklı asit konsantrasyonları. Boyutsuz K = Biz * / 4/5 'Re tüm verileri daraltmak için kullanılır. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.
Şekil 5. Parçacık yarıçapı r p ve yoğunluğu ρ p bir fonksiyonu olarak başlangıçlı Weber sayısı Biz p sıçrama. Kırmızı içi boş halkalar sıçrama daima bulunan durumlardır, ve hiçbir sıçrama bulunduğunda katı mavi noktalar duruma karşılık 10 ardışık tekrarları. Açık yeşil kareler sıçrama ve hiçbir sıçrama hem de 10 tekrarlar gözlenen senaryolar göstermektedir. Içerlek araziler sıçramasına ve nonsplashi tipik görüntülerdurumlarda ng. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.
Şekil 6,. Süspansiyon yayılma dinamikleri istikrarsızlık. Paneli (a) darbe sırasında tipik bir görüntü gösterir. Yayılması sırasında, tek tabaka hız eğim nedeniyle parçacık kümeleri arasında açık delikleri. Görüntüdeki üç sarı halkalar farklı parçacık Weber numaralarına karşılık gelen radyal pozisyonlarını (We p = 10, 75, 920) gösterir. (B) toplam alana delik alanında (S delik) oranı (S 0) her bir halkası arasında. S delik / S 0 zaman, t karşı çizilmiştir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Birkaç adım hızlı görüntüleme uygun yürütülmesi için kritik öneme sahiptir. Birincisi, kamera ve lens uygun kurmak ve kalibre edilmesi gerekir. Özellikle, yüksek uzamsal çözünürlük elde etmek amacıyla, lensin üreme oranı 1:1 civarındadır tutulmalıdır. Bu yoğun süspansiyonlar görüntülenmesi için özellikle önemlidir. Ayrıca, delik büyüklüğü görüntüleme için dikkatli bir şekilde seçilmiş olması gerekir. Örneğin, genel olarak yan gözlem alanında daha uzun bir derinlik, bu nedenle daha küçük açıklık boyutu gerektirir. Videonun parlaklığını korumak için, bir pozlama süresini artırmak ve böylece kare hızını (~ 6,000 fps) azaltması gerekiyor. Buna karşılık, alttan görünüş sadece tek bir düzlem üzerinde odaklanmak için kamerayı gerektirir. Sonuç olarak, yüksek zaman çözünürlüğü (~ 10.000 fps) elde edilebilir.
İkincisi, doğru aydınlatma kurulum damla keskin bir sınır almak için önemli bir faktördür. Örneklerin her arkasından veya kabinin ya da ışıklı edildi yanat, ışık kaynağı, görüntü düzlemine dikey olarak hizalanmış olması gerekir. Aydınlatma açısı kıvnldıysa, görüntüdeki gölge ve (örneğin, sıvı metaller gibi parlak yüzeyler örneğin) örnek yüzey yansıma doğru sınır tespiti imkansız hale getirebilir.
Üçüncü olarak, tetikleme fotoğraf makinesi, video kayıt önemlidir. Kullanıcılar tetikleyici önce kaydedilmiş olmalıdır kaç kare tahmin etmek zorunda. Belirli bir kurulum farklı reaksiyon süreleri ile ilgili olarak, birey ile değişebilir. Böylece, uygulamak için birkaç deneme sınavları, gerçek ölçümler önce gereklidir.
Bir sınırlama bir uzamsal çözünürlük trade-off içerir. Deneylerde alınan en görüntüler için, çözünürlük gelişmiş parçacık izleme algoritmalar belirli deneysel Deta bağlı olarak, bu konuda yardımcı olabilir ancak bunun (açıkça 50 um daha küçük parçacıklar görselleştirmek için oldukça zor olduğunu göstermektedir ki, yaklaşık 50 mikron idi), 10-12 ils. Bir diğer potansiyel sınırlama görüş gerekli alan büyük olur zaman çözünürlükte keskin azalma olduğunu. Birkaç santimetre uzanan bir uyarıyla için, kare hızı hızlı dinamiklerini yakalamak için yeterince hızlı olmayabilir ki, 5000 fps altına bırakabilirsiniz.
Özetle, hızlı görüntüleme sistemi (hızlı kamera + makro lensi) Burada tarif hızlı dinamik süreçleri incelemek için gelecek vaat eden bir araçtır. Burada odak noktası non-Newtonian akışkanların etkisi oldu, ama böyle bir sıvı damlası dağılmasından 19,20, granül jetler 21, ve sıvı damlası kaynaşma 22, benzer bir tekniği parası gibi diğer birçok araştırma konuları, incelemeleri. Bu tür deneysel yaklaşım, görüntü microscale olayların mümkün kılar ve aynı zamanda mikrosaniye ölçeği, klasik görüntüleme yöntemleri için zorlu bir rejime eşlik dinamikleri içgörüler edinin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Deneysel örneklerini hazırlamakta yardım için birçok yararlı tartışmalar ve Qiti Guo için Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin ve Michelle Driscoll teşekkürler. Bu çalışma Hibe No DMR-0820054 altında Ulusal Bilim Vakfı'nın MRSEC programı tarafından desteklenmiştir.
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).
