Аналоговый макроскопических методика для изучения молекулярных гидродинамические процессы в плотных газов и жидкостей
Summary
Представлен экспериментально доступных аналоговых метод для изучения молекулярных гидродинамических процессов в густой жидкости. Техника использует Велосиметрия изображение частиц вибрации, высокой реституции зерна свай и позволяет прямой, макроскопической наблюдения динамических процессов, известных и предсказал существование в сильно взаимодействующих, высокая плотность газов и жидкостей.
Abstract
Описан аналоговый, макроскопической метод для изучения молекулярных масштаба гидродинамические процессы в плотных газов и жидкостей. Метод применяет стандартные жидкости динамической диагностики, частиц изображения Велосиметрия (PIV), измерить: i) скоростей отдельных частиц (зерна), сохранившиеся на короткие, зерно столкновение времени весы, ii) скорости систем частиц, на обоих короткие столкновение-время – и длинные, континуум поток время весы, iii) коллективные гидродинамического режимов, знаны, что существуют в плотных молекулярных жидкостей и iv) кратко – и долгосрочной-времени-шкалы скорости автокорреляционной функции, центральное значение для понимания динамики частиц масштаба в сильно взаимодействующих, густой жидкости системы. Базовая система состоит из изображений системы, источник света, вибрационные датчики, колебательной системы с известных СМИ и PIV и анализа программного обеспечения. Будут выделены необходимые экспериментальные измерения и изложение теоретических инструменты, необходимые при использовании аналоговой техники для изучения молекулярных масштаба гидродинамические процессы. Предлагаемая техника обеспечивает сравнительно простой альтернативой фотонные и нейтрон пучка рассеяния методы традиционно используется в молекулярной гидродинамические исследования.
Introduction
Молекулярные гидродинамики исследования динамики и статистической механики отдельных молекул и коллекции молекулы в жидкости. Среди многих экспериментальных методов, разработанных для изучения молекулярных гидродинамических систем1,2, рассеяние света1,2,3, молекулярные динамического моделирования4, 5,6,7 , и, в меньшей степени, наиболее часто использовались неупругого нейтронного рассеяния8 . К сожалению существенные ограничения придают последних двух методов. Моделирования молекулярной динамики (MD), например: i) являются ограничивается небольших пространственных и временных 
доменов, содержащих относительно небольшое число молекул 
, ii) требуют использования приблизительное межчастичных потенциалов, iii) обычно ввести периодический граничные условия, недопустимые в условиях неравновесной массового потока и iv) нельзя в настоящее время ответить на основополагающий вопрос о как молекулярном уровне динамики, с участием одной молекулы или коллекции молекул, подвержены и пара обратно, сыпучие, неравновесного потока жидкости. Основные ограничения, связанные с нейтронного рассеяния связана трудность доступа к ограниченное количество доступных источников света нейтронов.
Для того, чтобы обеспечить контекст для аналоговых экспериментальной техники, представленные в этой статье, мы подчеркиваем рассеяние света методы, применяемые для простой плотного газа и жидкости состояние жидкости. В эксперименте типичный рассеяния света поляризованный лазерный луч света направляется небольшой допроса тома, содержащего образец стационарных жидкости. Затем свет рассеянный от молекул внутри образца обнаруживается на некоторых фиксированным углом по отношению к падающего луча. В зависимости от молекулярной динамического режима интерес обнаружения и анализа рассеянного светового сигнала включает легкий фильтрации или свет, смешивая методы обнаружения. Как указано в Берне и Печора1, фильтрация методы, который зонд молекулярной динамики жидкости государства на время весы короче, чем 
s, ввести пост рассеивающих интерферометр или дифракционной решетки и позволяют сканирование спектральной плотности рассеянного света. Оптические, смешивая методы, используемые для динамики медленно шкалы времени, 
s, напротив, включить после рассеивающих анализатора autocorrelator или спектра, в котором спектральная содержание рассеянного сигнала добывается из измеренных рассеянного света интенсивность.
Как правило, лазерные зонды, по крайней мере те, которые действуют в видимом диапазоне спектра, у волн гораздо дольше, чем характерное расстояние между молекулы жидкости государство. В этих обстоятельствах, зонд луч возбуждает пяти коллективных, медленно шкалы времени, -длина длинные волны гидродинамического режимов2,9,10 (медленно относительно частоты характерные столкновения): два viscously затухают, противодействию распространения звуковых волн, два центровку, чисто диффузионное завихренность режимы и режим единого диффузионное тепловой (энтропия). Звуковые режимы возбужденных в (продольное) направлении падающего пучка, в то время как в поперечном направлении возбуждаются вихревые режимы.
Учитывая исключительно экспериментальным рассеяния методы, два фундаментальных вопросов, лежащих в сердце равновесной и неравновесной статистической механики, молекулярной, жидкость государственных систем, остаются вне света и измерения рассеяния нейтронов:
1) строгий аргументы9,11 показывают, что случайные, столкновения и суб-collision-время масштаба динамики отдельных молекул жидкость государства, при условии классической ньютоновской динамики или квантовой динамики, можно сформулировать в форме Обобщенные уравнения Ланжевена (GLE). GLE, в свою очередь, составляют центральный теоретический инструмент исследования неравновесной статистической механики молекул в плотных газов и жидкостей. К сожалению так как динамика отдельных молекул (не макромолекулярные) не могут быть решены либо рассеяние техника, в настоящее время не прямой путь за пределами MD моделирования, чтобы проверить действительность GLE.
2) основные гипотезы, лежащих в основе динамики жидкости макроскопических континуума, а также микромасштабной молекулярной гидродинамики, полагает, что на длину – и время весы, большой относительно молекулярной диаметров и столкновения, но небольшие по отношению к континуум Длина – и время весы, локального термодинамического равновесия (LTE) преобладает. В континуум потока тепла передачи модели и, как уравнений Навье-Стокса (NS), LTE подразумевается требуется9 для того, чтобы пара неразрывно неравновесной, континуум шкала потока и энергии транспортные возможности — как вязких напряжений сдвига и теплопроводность — строго равновесия термодинамических свойств, как температура и внутренней энергии. Аналогичным образом, в то время как микромасштабной импульса и энергии транспорта являются неразрывно неравновесных процессов, отражая появление спаренных, микромасштабной массы, импульса и энергии течения, модели этих процессов микромасштабной предполагают, что токи представляют собой малые возмущения от LTE9. Опять же в меру наших знаний, было не прямых экспериментальных испытаний Успения LTE. В частности похоже, что предпринимались попытки не молекулярного рассеяния гидродинамические эксперименты в плотной, движущихся, неравновесность потоков жидкости.
В этой статье мы приводим аналоговый экспериментальный метод, в котором макроскопических, одной частицы и динамика коллективных частицы зерна уплотненного свай, измеряется с помощью стандартных частиц Imaging Велосиметрия (PIV), может использоваться для прогнозирования косвенно, интерпретировать и разоблачить сингл и мульти – molecule гидродинамики в плотных газов и жидкостей. В недавней статье, опубликованной в нашей группе12указаны физические и теоретические элементы, позволяющие предлагаемой техники. Экспериментально, макроскопической системы должны exhibit: (i) устойчивой тенденцией к местных, статистической Механическое равновесие macroscale и малых (ii), линейных отклонений от равновесия которые имитируют (слабый) неравновесного колебания наблюдаются в молекулярные гидродинамических систем. Теоретически: (i) классической микромасштабной модели, описывающие равновесия и слабо неравновесной статистической механики плотной, взаимодействующих систем N-частиц необходимо сформулировать в форме macroscale, и (ii результирующие модели macroscale должны надежно прогнозировать динамику одного и нескольких частиц, от короткого, частиц столкновения время весы для длиной, континуум поток время весы.
Здесь мы представляем подробный экспериментальный протокол, а также представителя результаты, полученные новой техники. В отличие от MD моделирования и свет и методы нейтронного рассеяния новая методика позволяет, в первый раз, детальное изучение молекулярного гидродинамических процессов в пределах течет, сильно неравновесных, плотные газов и жидкостей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Чтобы использовать сваи уплотненного зерна как макроскопические аналогов для изучения молекулярных гидродинамических процессов, экспериментатор должен, с одной стороны, узнать и использовать четыре основных измерений и с другой стороны, мастер несколько основных элементов равновес…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Управлением военно-морских исследований (ОНР N00014-15-1-0020) [Tkacik и Keanini] и исполнена в университете Северной Каролины в Шарлотты Motorsports исследований Lab. полировки СМИ был подарен Розлер.
Materials
| Vibratory Polishing Bowl | Raytech | AV-75 | |
| Flow Meter | Peristaltic Pumps | 913 Mity Flex | |
| Scale | Pelouze | 4040 | |
| Triaxial Accelerometer | PCB Piezotronics | PCB 356B11 | Accelerometer with Sensor Signal Conditioner |
| Data Acquisition Computer | IBM | Thinkpad | Used with high speed camera |
| High Speed Camera | Redlake | Motionxtra HG-XR | |
| Zoom Lens | Tamron | Model A18 | 18-250mm F/3.5-6.3 |
| High intensity Light | ARRI | EB 400/575 D | |
| Data Processing Computer | Dell | Dell Precision Tower 7910 | |
| PIV Software | Dantec Dynamics | Dynamic Studio 2013 | version 3.41.38 |
| Data Acquisition Hardware | National Instruments | SCXI | SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter |
| Data Acquisition Software | National Instruments | LabVIEW 2012 | |
| Data Processing Software | MATHWORKS | MATLAB | |
| Polishing Media | Rosler | RSG 10/10S | Multiple media types used (mixed, spherical, triangular) |
| Polishing Solution | Rosler | FC KFL (3%) | 3% soap solution with water |
| Ruled Scale | Swiss Precision Instruments | 13-911-3 | |
| Graduated Cylinder | Global Scientific | 601082 |
References
- Berne, B. J., Pecora, R. . Dynamic Light Scattering. , (1976).
- Boon, J. P., Yip, S. . Molecular Hydrodynamics. , (1980).
- Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles. J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).
- Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
- Evans, D. J., Morriss, G. P. . Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , (2007).
- Levesque, D., Verlet, L. Computer “experiments” on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
- Levesque, D., Ashurst, W. T. Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles. Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).
- Lovesey, S. W., Lovesey, S. W., Springer, T. . Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. , (1977).
- Forster, D. . Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , (1990).
- Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
- Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
- Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658 (2017).
- Kushick, J., Berne, B. J. Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids. J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).
- Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
- Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. G., Mullany, B. Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing. J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).
- Navare, J. . Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , (2017).
- Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421 (2012).
- Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193 (2016).
- Pathria, R. K., Beale, P. D. . Statistical mechanics. , (2011).
- Gibbs, J. W. . Elementary principles in statistical mechanics. , (1902).
- Toda, M., Kubo, R., Saito, N. . Statistical physics I. , (1992).
- Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
- Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. . Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , (1991).
