Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

أسلوب عيانية تناظرية لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية في كثافة الغازات والسوائل

Published: December 4, 2017 doi: 10.3791/56632
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, University of North Carolina at Charlotte

Summary

ويقدم أسلوب تمثيلي موجوداً تجريبيا لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية في السوائل الكثيفة. التقنية تستخدم الجسيمات الصورة فيلوسيميتري أكوام الحبوب صدى، ورد عالية ويسمح المراقبة العيانية، ومباشرة العمليات الديناميكية المعروفة ومن المتوقع أن توجد في التفاعل بشدة، وارتفاع كثافة الغازات والسوائل.

Abstract

يتم وصف أسلوب تمثيلي العيانية لدراسة العمليات الجزيئية الحجم الهيدروديناميكي في كثافة الغازات والسوائل. الأسلوب الذي ينطبق قياسية السوائل حيوية تشخيصية، جسيمات صورة فيلوسيميتري (PIV)، لقياس: ط) سرعات الجسيمات الفردية (الحبوب)، قائما في تصادم الحبوب قصيرة، وجداول زمنية، وثانيا) سرعات نظم الجسيمات، على حد سواء قصيرة الاصطدام-الوقت-وثالثاً طويلة ومتواصلة-تدفق--جداول زمنية،) وسائط هيدرودينامية الجماعية المعروفة موجودة في السوائل الجزيئية الكثيفة، ورابعاً) مقياس قصيرة وطويلة عن الوقت مهام ترابط تلقائي السرعة، المركزية لفهم ديناميات الجسيمات الحجم في نظم السوائل الكثيفة، والتفاعل بشدة. يتألف النظام الأساسي نظام تصوير، ومصدر الضوء، والمجسات الذبذبات، نظام الذبذبات مع برامج وسائط الإعلام، و PIV والتحليل معروفة. هي أبرز القياسات التجريبية المطلوبة ومخططا للأدوات النظرية اللازمة عند استخدام هذه التقنية التناظرية إلى دراسة جزيئية الحجم الهيدروديناميكي العمليات. هذا الأسلوب المقترح يوفر بديلاً بسيطاً نسبيا إلى الضوئية والنيوترون شعاع نثر الأساليب المستخدمة تقليديا في دراسات هيدرودينامية الجزيئية.

Introduction

الدراسات الهيدروناميكا الجزيئية ديناميات والميكانيكا الإحصائية من الجزيئات الفردية ومجموعات من الجزيئات داخل السوائل. من بين العديد من التقنيات التجريبية المتقدمة لدراسة نظم هيدرودينامية الجزيئية1،2، تشتت الضوء1،2،3، المحاكاة الديناميكية الجزيئية4، 5،،من67 وإلى حد أقل، تم استخدام النيوترونات غير مرن نثر8 الأكثر شيوعاً. ولسوء الحظ، إرفاق قيود كبيرة لهذا الأخير اثنين من التقنيات. المحاكاة وديناميات الجزيئية (MD)، على سبيل المثال: ط) هي المحدودة الصغيرة المكانية والزمانية Equation 1 المجالات التي تحتوي على جزيئات قليلة نسبيا Equation 2 ، ثانيا) تتطلب استخدام التقريبي الجسيمات بين الإمكانات، ثالثا) عادة إدخال الدوري شروط الحدود، غير صالحة تحت ظروف التدفق الأكبر عدم التوازن، ورابعاً) لا يمكن، في الوقت الراهن، الإجابة على السؤال الأساسي ديناميات الجزيئية مقياس كيف، التي تنطوي على جزيئات مفردة أو مجموعات من الجزيئات، وتتأثر، وزوجين مرة أخرى الجزء الأكبر، عدم التوازن في تدفق السوائل. الحد الرئيسية المرتبطة بتشتت النيوترونات مرتبط بصعوبة الوصول إلى العدد المحدود من النيوترون شعاع المصادر المتاحة.

بغية توفير سياق التناظرية التقنية التجريبية المعروضة في هذه المقالة، نسلط الضوء التقنيات المطبقة للسوائل الكثيفة الغاز والسائل-الدولة البسيطة. في تجربة نموذجية تشتت ضوء، يوجه شعاع ضوء ليزر استقطاب إلى وحدة تخزين استجواب صغيرة التي تحتوي على عينة السائل ثابتة. ثم يتم الكشف عن الضوء المتناثرة من الجزيئات داخل العينة في بعض زاوية ثابتة بالنسبة إلى شعاع الحادث. اعتماداً على نظام الفائدة الحيوية الجزيئية، يتضمن كشف وتحليل الإشارات الخفيفة المتناثرة الخفيفة التصفية أو خلط أساليب الكشف عن الضوء. كما يتضح من برن وبيكورا1، تصفية التقنيات، التي التحقيق في حالة السوائل ديناميات الجزيئية في الوقت المناسب جداول أقصر من Equation 3 s، يعرض على السابر بعد بعثرة أو حيود [غرتينغ]، والسماح للمسح الضوئي للكثافة الطيفية الضوء المتناثرة. البصرية خلط التقنيات المستخدمة لديناميات مقياس الوقت بطيء، Equation 4 s، على النقيض من ذلك، إدراج محلل أوتوكوريلاتور أو الطيف بعد بعثرة، الذي يتم استخراج محتوى الطيفية إشارات متفرقة من قياس الضوء المتناثرة كثافة.

وبصفة عامة، الليزر تحقيقات، على الأقل تلك التي تعمل في النطاق المرئي من الطيف، ولها أطوال موجية أطول من تباعد مميزة بين جزيئات السائل-الدولة. وفي ظل هذه الظروف، يثير شعاع التحقيق خمسة الجماعية، ومقياس الوقت بطيء، وسائط هيدرودينامية طويل--طول الموجه2،9،10 (بطيئة بالنسبة لتردد التصادم المميزة): اثنان فيسكوسلي ثبط، مكافحة نشر الموجات الصوتية، وضعي الدردوريه أونكوبليد، انتشارية بحتة، ووضع واحد انتشارية حراري (الانتروبيا). وسائط الصوت متحمسون في الاتجاه (الطولي) شعاع الحادث، بينما وسائط دوامة متحمسون في الاتجاه العرضي.

دراسة تجريبية بحتة تناثر التقنيات، سؤالين الأساسية، الواقعة في قلب التوازن وعدم التوازن ميكانيكا إحصائية الجزيئية، نظم الدولة السائل، تبقى خارج الضوء وقياسات تشتت النيوترونات:
1) صرامة الوسائط9،11 تبين أن ديناميات التصادم-ودون-كوليسيون-مقياس الوقت عشوائي، جزيئات السائل-الدولة الفردية، رهنا بديناميات نيوتن الكلاسيكية أو ديناميات الكم، يمكن أن تعاد في شكل معمم لانجفان المعادلات (GLE). وفي المقابل، تضم GLE، أداة نظرية محورية في دراسة الميكانيكا الإحصائية غير متوازنة من الجزيئات في كثافة الغازات والسوائل. ولسوء الحظ، نظراً لديناميات الجزيئات الفردية (غير الجزيئات) لا يمكن حلها بأسلوب نثر أما، يوجد حاليا أية طريقة مباشرة، وراء المحاكاة ودكتوراه في الطب، لاختبار صحة GLE ل.
2) فرضية أساسية الواقعة في قلب ديناميات السوائل متوالية العيانية، كذلك microscale الهيدروناميكا الجزيئية، يفترض أن على طول-والمقاييس الزمنية الكبيرة بالنسبة لأقطار جزيئية والتصادم أحياناً، ولكن صغيرة بالنسبة للتواصل طول ومقاييس زمنية، يسود المحلية توازن دينامي حراري (LTE). في استمرارية التدفق والحرارة نقل النماذج، مثل معادلات نافيير-ستوكس (NS)، هو افتراض LTE المطلوب9 للزوجين جوهرها عدم التوازن، وتدفق متواصلة على نطاق وسمات النقل الطاقة — مثل لزوجة القص تؤكد و التوصيل الحراري – بدقة خصائص توازن دينامي حراري، مثل درجة الحرارة والطاقة الداخلية. وبالمثل، في حين نقل الطاقة والزخم microscale العمليات جوهريا عدم التوازن، مما يعكس مظهر المتباعدة، microscale الجماهيري، الزخم، وتيارات الطاقة، نماذج من هذه العمليات عبارة تفترض أن التيارات وتمثل الاضطرابات الصغيرة من LTE9. ومرة أخرى، على حد علمنا، لم أي اختبارات تجريبية مباشرة من افتراض التطور طويل الأمد. على وجه الخصوص، يبدو أن لا تجارب التشتت الهيدروديناميكي الجزيئية جربت داخل كثيفة، تتحرك، وعدم التوازن في تدفق السائل.

في هذه الورقة، ونحن الخطوط العريضة لأسلوب تجريبي تناظرية التي يمكن استخدامها بالجسيمات العيانية، واحد وديناميات الجسيمات الجماعية من أكوام الحبوب صدى، تقاس باستخدام معيار الجسيمات التصوير فيلوسيميتري (PIV)، للتنبؤ بشكل غير مباشر، تفسير، وفضح الهيدروناميكا أحادية ومتعددة ملكال في كثافة الغازات والسوائل. يتم ذكر العناصر المادية والنظرية التي تمكن هذه التقنية المقترحة في ورقة صدرت مؤخرا نشرتها لدينا مجموعة12. تجريبيا، يجب أن يحمل النظام العيانية: ملاحظة (ط) اتجاه المطرد نحو المحلي والتوازن الميكانيكي الإحصائية ماكروسكالي الصغيرة (ثانيا)، خطي الخروج عن التوازن التي تحاكي تقلبات غير متوازنة (ضعيفة) في نظم هيدرودينامية الجزيئية. نظرياً: نماذج microscale (ط (الكلاسيكية تصف التوازن وميكانيكا إحصائية ضعيفة-عدم التوازن كثيفة، نظم N-الجسيمات المتفاعلة يجب أن تعاد في شكل ماكروسكالي، ويجب (ثانيا) نماذج ماكروسكالي الناتجة موثوق بها التنبؤ بديناميات الجسيمات أحادية ومتعددة، من قصيرة، الجسيمات-تصادم-المقاييس الزمنية إلى طويلة، واستمرارية-تدفق-المقاييس الزمنية.

نقدم هنا، بروتوكول تجريبي مفصلة، فضلا عن الممثل النتائج التي حققتها هذه التقنية الجديدة. على النقيض من المحاكاة MD والضوء وأساليب تشتت النيوترونات، يسمح تقنية جديدة، للمرة الأولى، دراسة مفصلة للعمليات هيدرودينامية الجزيئية داخل المتدفقة وعدم التوازن بشدة، وكثافة الغازات والسوائل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-إعداد نظام اهتزازي

  1. إعداد نظام اهتزازي كما هو مبين في الشكل 1. يتكون هذا النظام من حلقية البولي يوريثان السلطانية (بعد قطر خارجي 600 مم)، يعلق على واحد--سرعة (1740 لفة في الدقيقة)، المحرك غير متوازن، حيث يولد هذا الأخير عملية الاهتزازات. وهذا هو تعلق على قاعدة مرجحة ومفصولة بواسطة مجموعة من الينابيع الثمانية (وعاء وقاعدة مرجح يتم شراؤها تجميعها كقطعة واحدة). تولي الجمعية السلطانية لموقفها وآمنة مع اثنين هوكس المطاط التي تم توفيرها. مضخة تمعجية مكانة على طاولة بالقرب من الوعاء وإرفاق خرطوم مضخة منفذاً وعاء تزييت مدخل نقطة.
    1. إرفاق التسارع triaxial لدائرة نصف قطرها الداخلي من وعاء حلقية لوعاء مسجل الاهتزازات تحت ظروف السعة منخفضة وسلك مقياس التسارع لاستشعار إشارات مكيف. مكان مكيف إشارة على طاولة بعيداً عن نظام اهتزازي. ويسيطر مكيف التسارع/إشارة الجمع بين البيانات اقتناء معدات وبرامج مثبتة على جهاز كمبيوتر قياسية.
  2. تحضير الوسائط الذي تم اختياره بالغسيل في المياه والسماح لتجف. وقد استخدمت عدة أنواع من وسائل الإعلام خلال تجارب مختلفة. لهذه الورقة، استخدم سيراميك التلميع الوسائط مباشرة قص المثلث (10 مم × 10 مم × 10 مم مثلث كما ينظر من الجبهة وسمكه 10 مم).
    1. تحديد وسائل الإعلام التعبئة الكثافة عن طريق وضع كيس بلاستيك فارغ أولاً على نطاق مختبر ترينج المقياس. ملء كيس بلاستيك مع وسائط الإعلام المختارة (لا أن تزيد 18.927 لتر (5 غال) وتسجيل الوزن من وسائط الإعلام (g أو كجم). لهذا النوع من وسائل الإعلام وإعداد التجريبية الحالية، كان الوزن 22.68 كغ (50 رطل).
      1. مكان الدلو في بالوعة كبيرة، أو خارج المبنى بعيداً عن غيرها من المعدات. ملء الدلو (ولهذا الغرض أنشأت، دلو 18.927 L (5 gal) استخدمت) مع الماء إلى علامة كاملة وببطء أقل كيس بلاستيك كامل لوسائل الإعلام في الدلو. مجرد الكيس من وسائل الإعلام هو مغمورة تماما، ببطء رفع الكيس من الماء لتجنب الرش ووضع الكيس جانبا. استخدم اسطوانة 1000 مل تخرج لإعادة ملء الدلو بصمتها الكامل الأصلي، تسجيل إجمالي كمية المياه المضافة. وستكون هذه الكمية من المياه المضافة Equation 5 حيث Equation 5 هي مواد التعبئة حجم وسائل الإعلام (لهذا إعداد، 13,750 مل مياه تم إضافتها مرة أخرى إلى الدلو). كمية المياه المضافة سوف تعتمد على نوع الوسائط المستخدمة.
      2. حساب كثافة التعبئة لوسائط الإعلام بالمعادلة التالية:
        Equation 6
        حيث Equation 7 هو كثافة التعبئة لوسائط الإعلام و Equation 8 هو الكتلة من وسائط الإعلام (لهذه الوسائط، حسبت الكثافة لتكون 1649 Equation 9 ).
    2. تفعيل نظام اهتزازي بتوصيله مقبس الطاقة الكهربية (هذا النموذج لديه خياران، 1) قم بتوصيل الجدار أو 2) تشغيل جهاز ضبط الوقت يعلق على الوقوف). تنشيط البيانات اقتناء البرمجيات على جهاز الكمبيوتر عن طريق الضغط على السهم "ابدأ" على المستخدم كتابة البرنامج وجمع البيانات لمدة 1 دقيقة. تسريع البيانات كل عرض من أجل المراجعة الفورية (في كل من المجال الوقت والمجال التردد) وتخزينها تلقائياً إلى ملف.csv لتجهيز المحتملة. قم بإلغاء توصيل الوحدة من مأخذ التيار الكهربائي لإلغاء تنشيط نظام اهتزازي.
    3. إضافة الوسائط إلى وعاء اهتزازي.
    4. إعداد مركبة، تتألف من 3880 مل من المياه و 120 مل من الانتهاء من حل (المجلد 3%) (FC) مركب. تعيين مضخة تمعجية إلى 1.9 لتر/ساعة (سرعة تدوير الاتصال الهاتفي إلى 27 لتحقيق معدل تدفق هذا)، ولكن لا تبدأ التدفق. وهذا يضمن أن الحل هو تعميم لا، ولكن غير كافية للحفاظ على وسائل الإعلام الرطب. (هذا الحل حل تشطيب اهتزازي استخداماً). الحل بمثابة عامل التشحيم ويضمن وسائل الإعلام لا العصا معا أو ارتداء أسفل أثناء الإجراء.
    5. تفعيل نظام اهتزازي بتوصيله مقبس الطاقة الكهربية. جمع بيانات التسارع على النحو المحدد في الخطوة 1.2.2. قم بإلغاء توصيل الوحدة من مأخذ التيار الكهربائي لإلغاء تنشيط نظام اهتزازي.

2-عالية السرعة التصوير

ملاحظة: للحبوب السرعة القياسات الميدانية، التي تم الحصول عليها بتصوير جزء من سطح الفرن الحبوب المتدفقة، وفي مجال التصوير، Equation 10 يناظر حقل الرؤية (FOV) تحديد في الخطوة 2.2.4 أدناه. قياس الوقت متفاوتة، يمكن الحصول على سرعات الحبوب الفردية (على السطح كومة) عن طريق اختيار منطقة فرعية صغيرة، ثابتة، Equation 11 ، وداخل Equation 12 فيها، كما هو مفصل أدناه، Equation 11 هي حدود المنطقة المتوقعة الحبوب الفردية.

  1. إعداد كاميرا عالية سرعة (الكاميرا لديه القرار 1504 x 1128 تصل إلى 1,000 الإطارات في الثانية (fps)) التقاط الصور بوضعه على ترايبود أو بناء إطار جامد مع عدسة عمودي على السطح مفتوحة نظام اهتزازي (عندما يكون الوعاء أنجليس لفات تينغ) كما هو مبين في الشكل 1. هذا الإطار الجامد هو منفصل عن نظام الذبذبات ويضمن أن لا تؤثر على الاهتزازات من النظام التصوير.
    1. إرفاق عدسة مناسبة لمجال التكامل المنشود السطحية والقرار. للوضع الراهن، استخدم مع عدسة تكبير 18-250 مم، ونسبة عدسة 1:3.6-6.3.  إرفاق إمدادات الطاقة، ونظام تحديد المواقع الهوائي للكاميرا.  إرفاق الكاميرا إلى الكمبيوتر باستخدام كابل CAT5.  مكان الكاميرا حتى نهاية العدسة حوالي 550 ملم فوق السطح لوسائط الإعلام.
      ملاحظة: وضع الكاميرا قريبة جداً من وسائل الإعلام سوف يسبب زيادة تأثيرات الحافة ووضع الكاميرا بعيداً جداً سوف تتسبب في الصور أن تكون داكنة جداً عملية. في المسافة المحددة، الأخطاء بسبب تأثيرات الحافة وانحناء الشاملة لمنطقة الاختبار < 2%.
    2. إزالة غطاء العدسة والبدء في برنامج الكاميرا. عند تشغيلها، انقر فوق الزر "الكاميرات" ومن ثم انقر فوق موافق. عند ملء قائمة الكاميرا، حدد الكاميرا من القائمة وانقر فوق فتح.
    3. في برنامج الكاميرا على جهاز الكمبيوتر، ضمن علامة التبويب "لايف"، انقر فوق الزر "لايف" (السهم الأزرق) لعرض فوف الكاميرا. بدوره على مصدر الضوء لإضاءة المنطقة تصويرها. يمكن أن يكون هذا أي الضوء الساطع طالما أنه ينير منطقة الاختبار بالتساوي. ويبين الشكل 1 في الكاميرا وتكوين الضوء فيما يتعلق بنظام اهتزازي.
    4. لتحديد وتوقف، إلقاء نظرة على شاشة الكمبيوتر مع تيار مباشر من الكاميرا وضبط وتوقف إلى الإعداد الحد الأدنى (السطوع كحد أقصى). إذا تم تعيين وتوقف انخفاض، والنتيجة عمق ضحل من الميدان. إذا تم تعيين وتوقف إلى مرتفع، الشاشة مظلمة جداً. لهذه التجربة، تم تعيين وتوقف إلى 3.6.
    5. ضبط البعد البؤري في العدسة لتوفير المطلوب فوف (210 ملم × 160 ملم لهذه القضية). لهذه التجربة، تعيين البعد البؤري في 180 ملم مع الكاميرا لتعيين 550 مم فوق سطح وسائط الإعلام. ويبين الشكل 2 أ فوف من خلال الكاميرا.
    6. تكبير رقمياً إلى 500 X التكبير باستخدام برنامج الكاميرا. ضبط حلقة التركيز على العدسة لأفضل التركيز البصري. العودة الرقمية التكبير/التصغير إلى 100% (العرض العادي).
    7. تحت "حيازة الإعدادات الموجودة" على الكمبيوتر، انقر فوق "معدل [هرتز]" وتعيين إلى 500 من إطارات في الثانية الواحدة.
      ملاحظة: من أجل حل ديناميات التصادم الحبوب-مقياس الوقت، Equation 14 ، يجب أن تكون على الأقل حجم أكبر من تواتر الاهتزاز المفروضة، Equation 15 (هنا، Equation 16 هرتز)
    8. قبل التقاط الصور، وضع مقياس قضت في مجال الرؤية؛ وهذا يوفر مقياس طول لمعالجة بيانات الصور اللاحقة. تحت "إعدادات الحصول" على برنامج الكاميرا، حدد علامة التبويب "السجل" تحت "لايف". تعيين "تسجيل وضع" إطارات "دائري" وتعيين إلى 1. انقر فوق دائرة حمراء تحت علامة التبويب "حية" لتسجيل صورة واحدة كما هو مبين في الشكل 2.
    9. حفظ الصورة المكتسبة كملف TIFF إلى موقع دليل ملف مناسب (مثل محرك الأقراص الصلبة الخارجية) بواسطة النقر فوق "ملف"، ومن ثم انقر فوق "حفظ المقتنيات". سوف يظهر مربع حوار خيارات متعددة. بجوار نوع الملف في مربع الحوار، حدد.tiff من القائمة المنسدلة.
      1. حدد علامة التبويب "خيارات التحميل" في الجزء السفلي من مربع الحوار وانقر فوق "استعراض". في الجزء العلوي من مربع الحوار، إضافة اسم المجلد من أجل الاختبار. في مربع الحوار "استعراض"، البحث عن واختيار الموقع المطلوب (مثل محرك الأقراص الصلبة الخارجية) والمجلد المناسب. مرة واحدة وقد تم اختيار مجلد، انقر فوق "موافق" ثم "حفظ". سوف يظهر مربع مدير تحميل. سوف يبدأ الملف نقلها وحفظها في موقع الملف المحدد في مجلد فرعي 001. مرة واحدة وقد نقل الصورة، مربع حالة "Done" سوف تظهر على الشاشة.
      2. حذف الصور من الكاميرا بواسطة النقر فوق الزر حذف أحمر.
        ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.

3-جمع البيانات

ملاحظة: إذا تم إيقاف البروتوكول، الكاميرا سوف تحتاج إلى إعادة تشغيل. اتبع الخطوة 3.1. إذا لم تم الإيقاف المؤقت للبروتوكول، تخطي إلى الخطوة 3.1.2.

  1. بدء تشغيل برنامج الكاميرا وقم بتشغيل الإضاءة كما هو محدد في الخطوة 2.
    1. مع تنشيط برنامج الكاميرا، التحقق من ظروف الإضاءة وتشغيل مباشر كما هو مفصل في خطوة 2.2.2. لضمان التركيز السليم.
    2. اختيار مجموع وقت تشغيل تجريبي،Equation 17
      ملاحظة: يجب أن تطابق المتطلبات المتنافسة اثنين: ط) Equation 18 يجب أن تكون طويلة بما يكفي أن الحبوب ثابتة إحصائيا تدفق الشروط المحددة، والثاني) Equation 18 لا ينبغي أن يكون وقتاً طويلاً فيما يتعلق بإنتاج كميات كبيرة من بيانات زائدة عن الحاجة. يجب تحديد مقياس الوقت التي تظهر ظروف ثابتة بالتجربة والخطأ. يمكن استخدام أساليب مختلفة، متفاوتة من الصرامة،. سبيل، ط) التأكد من أن سرعة الحبوب متوسط الوقت في نقطة ثابتة، أو في نقاط ثابتة متعددة، تصل إلى حجم ثابت اسمياً أو مقادير أو الثاني) أن تكفل، بالإضافة إلى وسائل ثابتة، الفروق المقابلة أيضا تحمل اسمياً الثابتة مقادير. لهذه التجربة، تم جمع البيانات ل 10.12 s، المقابلة للحصول على إطارات 5060. تعيين الشروط المطردة في تدفق الحبوب بعد حوالي 1 ثانية.
  2. تنشيط وعاء اهتزازي.
    1. نشر 150 مل مجمع التشطيب/التشحيم (الخطوة 1.2.4) بالتساوي حول وعاء لتقديم ترطيب الأولية لوسائط الإعلام؛ ومن ثم ضع إبريق مع المتبقية مجمع على الكلمة بخرطوم يعلق على مضخة تمعجية. تنشيط مضخة تمعجية (كما في الخطوة 1.2.4) عن طريق التقليب التبديل من "إيقاف" إلى "عقارب الساعة".
    2. تشغيل وعاء اهتزازي بتوصيله بمقبس الطاقة الكهربية والانتظار على الأقل دقيقة واحدة لضمان حتى التبول ومطرد حركة السوائل في جميع أنحاء وسائل الإعلام (حركة السوائل مطردا يحدث عندما يكون تدفق السائل إدخال الوعاء من مضخة تمعجية مساوية تقريبا لتدفق السائل استنزاف من استنزاف السلطانية.
  3. التقاط الفيديو وجمع البيانات.
    1. مرة واحدة يصل السائل إلى الحركة ثابتة (الخطوة 3.2.2)، تحريك الكاميرا بالنقر على أيقونة سجل أحمر على شاشة الكمبيوتر، وثم انقر فوق علامة حمراء الزناد للصور سجل الوقت المختار المدة، Equation 18 . سوف تسجل الكاميرا الصور للمحدد Equation 18 وحفظ تلك الصور إلى الذاكرة الداخلية الخاصة به. الشكل 2 أ مثال لصورة واحدة من بين مجموعة من الصور 5060 المتخذة.
    2. حالما يتم جمع البيانات، إيقاف نظام اهتزازي بتوصيله من مأخذ التيار الكهربائي وتعطيل مضخة تمعجية من التقليب التبديل من "عقارب الساعة" إلى "إيقاف التشغيل".
      ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.

4-معالجة بيانات الفيديو مع PIV

  1. تحضير صور كاميرا عالية السرعة لتجهيز PIV.
    1. حفظ الصور المكتسبة كملفات TIFF باتباع الإجراءات الموضحة في الخطوة 2.1.9. (في النظام الحالي، جمعت 5060 إطارات الصور أكثر 10.12 s يأخذ أكثر من ساعة لنقل). حالما يتم نقل الصور، وسوف تظهر مربع حالة "Done" على الشاشة. سيتم حفظ الملفات في نفس الدليل كملف المعايرة في مجلد فرعي اسمه 002. حذف الصور من الكاميرا.
    2. تحويل الصور الملونة إلى صور رمادية لتمكين معالجة البرامج PIV. تحميل الصور في برامج تحليل البيانات باستخدام وظيفة "imread()". تحويل نسخة من الصور باستخدام الدالة "rgb2gray()"، وحفظ وكتابة هذه الصور الجديدة إلى مجلد جديد باستخدام الدالة "imwrite()".
      ملاحظة: هذه الدالة تحليل العملية والبيانات المتوفرة لأنواع متعددة من برامج تحليل البيانات وكتبها الباحث كبرنامج كامل. الشكل 2 (ج) مثال صورة أسرع في بعد أن تم تحويلها إلى درجات الرمادي وتم معالجتها بواسطة PIV.
  2. استخدام البرمجيات PIV لحساب حقول السرعة.
    1. استخدام معالج استيراد لاستيراد مجموعة الصور الرمادية كصور إطار واحد إلى بيئة البرامج PIV. بدء عملية الاستيراد عن طريق النقر على "ملف"، ومن ثم حدد "استيراد" و "استيراد الصور".  سوف يظهر مربع الحوار معالج استيراد الصورة.  اختر خيار استيراد "إطار واحد" من القائمة وانقر فوق الزر "إضافة الصور".  حدد صورة المعايرة، وانقر فوق "فتح"، الذي يضيف الصورة إلى مربع الحوار "استيراد إلى الصور" قائمة.  عند استيراد الصور وإضافة الصورة المعايرة (الخطوة 2.1.9) أولاً حيث تكون الصورة أعلى في قائمة الاستيراد.  انقر فوق الزر "إضافة الصور" مرة أخرى وتسليط الضوء على جميع بيانات الصور، وانقر فوق "فتح" لإضافتها إلى مربع الحوار "استيراد إلى الصور".  انقر فوق "التالي" عندما يتم تحديد كافة الصور المطلوبة. إدخال إعدادات الكاميرا المستخدمة، وتشمل الملعب بكسل ومعدل الإطار في مربعات الحوار. انقر فوق "التالي" ثم "إنهاء" لإكمال عملية الاستيراد.
    2. فصل الصورة المعايرة من مجموعة الصور وطول الإدخال مقياس المعلمات إلى البرنامج PIV.
      1. إذا لم يتم عرض قائمة المحتويات الفعل، الحق فوق مجموعة الصور المستوردة وحدد "إظهار قائمة المحتويات" على الجانب الأيسر من الشاشة في شجرة قاعدة البيانات. تحمل الصورة المعايرة كان أول صورة تم استيرادها، الحق فوق الصورة الثانية في القائمة وحدد "انقسام فرقة من هنا". سحب وإسقاط الصورة التي تم إنشاؤها حديثا تعيين (التي تحتوي على صورة المعايرة فقط) إلى الموقع الموجود على اليسار الشاشة المسمى "المعايرة الجديدة".
      2. الحق انقر فوق تعيين الصورة الموضوعة حديثا المعايرة وحدد "عامل مقياس قياس". عندما تظهر الصورة المعايرة على الشاشة، ضع علامات "ألف" و "باء" في صورة المسطرة (أو كائن آخر لمعرفة حجم إذا لم تستخدم المسطرة) وإدخال المسافة بين العلامات في مربع النص "المسافة المطلقة". انقر فوق "موافق" في مربع الحوار "عامل مقياس قياس"، الذي سيتم حفظ إعدادات المعايرة وإغلاق مربع الحوار والصورة المعايرة.
    3. إنشاء مجموعة من أزواج الصورة عن طريق تحديد مجموعة صورة تم استيرادها وانقر فوق "تحليل". بعد ذلك حدد "جعل إطار مزدوج" من قائمة أساليب التحليل المتاحة. اختر "(1-2 و 2-3 3-4،... (N-1) نقراً مزدوجاً الصور) "أسلوب الخيار.
      1. افتح أي صورة في مجموعة الصور (باستثناء صورة المعايرة) وانقر على الحق في الصورة وحدد "كثافة الجسيمات". عرض مربع حوار الاعتراف بالجسيمات وسوف تظهر على الشاشة. وسوف تظهر أسرع نظراً لمنطقة لتحقيق. انقر فوق علامة التبويب إعدادات في مربع الحوار هذا، وتغيير "منطقة حجم المسبار" حتى الحد ني جسيمات 3 تعتبر دائماً في مجال التحقيق.  هذا الحجم مجال التحقيق سيكون حجم منطقة الاستجواب بإدخاله في الخطوة 4.2.5.
    4. استخدم الأمر "تحليل" على الصورة المحددة لاختيار PIV معالجة خوارزمية ومعلمات مقترنة. حدد أسلوب "التكيف الارتباط" وتحديد منطقة بكسل التي سوف تستخدم لتعريف ناقل في الفضاء في خطوة 4.2.5. (هذه العملية بتقسيم الصور إلى شبكة بكسل ن × ن "المناطق الاستجواب")
    5. تعيين حجم منطقة الاستجواب بتحديد علامة التبويب "المناطق الاستجواب" وتحديد أي من أحجام مجال الاستجواب المتاحة بين الحد الأدنى من 8 بكسل والحد الأقصى 256 بكسل (لكان استخدام هذا الأسلوب، 32 بكسل بكسل 32). أدخل القيمة المحددة في الخطوة 4.2.3.1.
      1. لزيادة كثافة ناقلات تم إنشاؤها، إضافة الاستجواب منطقة "تداخل" النسبة المئوية عن طريق اختيار التداخل 0% أو 25% أو 50% أو 75% من القائمة المنسدلة.
    6. إجراء تحليل المؤدية إلى الحبوب قياس السرعة الحقل عن طريق تحديد "موافق" في مربع الحوار "ارتباط التكيف". وستبدأ النظام التحليل.  كما النظام معالجة البيانات، ستظهر خريطة الموجه الأولى على الشاشة. فحص حقول السرعة عدة أولاً لتحديد إذا كانت تبدو مرضية بالسرعة المقدرة والاتجاه كما هو موضح في الشكل 2 (ج). إذا لم يظهر الحقل سرعة واقعية، إلغاء الدورة التحليل، كرر الخطوة 4-2-4، وتغيير إعدادات تحليل. (عند اكتمال التحليل، حقل فيكتورينج، التي تمتد فوف، سيتم إنشاء لكل زوج الصورة في المجموعة (الخطوة 4.2.3)). يبين الشكل 2 (ج) حقل مكافحة ناقلات مرض مثال أثناء عملية التحليل التي قد تم مضافين على صورة اللون رمادي.
      ملاحظة: لكل مجال الاستجواب بكسل ن × ن، البرنامج PIV يقارن نمط شبه جرين-مقياس النقاط المضيئة داخل منطقة الاستجواب ضد أنماط المقابلة في الصورة التالية. من هذه المقارنة، يحدد البرنامج PIV متجه تشرد بلغ متوسط المساحة، Equation 21 ، وأخيراً، بتقسيم Equation 21 بزيادة وقت بين الإطارات، Equation 22 ، سرعة منطقة المتوسط، Equation 23 حيث Equation 24 يشير إلى مجال الاستجواب Equation 24 . وفي التجارب الحالية، كل مجال الاستجواب تتألف من س ن ن = 32 × 32 بكسل؛ وكان العدد الإجمالي للمناطق الاستجواب تقسيم كل 210 ملم × 160 ملم فوف هكذا 47 × 35، تناظر 1504 x 1128 بكسل.

5-معالجة البيانات الذبذبات

ملاحظة: الخطوة 5 قد يجري في وقت واحد مع الخطوة 4 إذا كان يتم استخدام أنظمة الكمبيوتر المختلفة أو برمجيات التحليل.

  1. فتح برامج تحليل البيانات وإفراغ البيانات التي تم الحصول عليها عندما كان وعاء اهتزازي باستخدام الدالة "load()" لتحقيق في التسارع (الخطوة 1.2.2). القيام بتحويل فورييه سريع البيانات باستخدام الدالة "الاتحاد". قم بإنشاء شكل للبيانات باستخدام الدالة "المؤامرة". كرر مع البيانات التي تم الحصول عليها عندما كان وعاء اهتزازي وسائل الإعلام الحالية (الخطوة 1.2.5).
    ملاحظة: هذه الدالة تحليل العملية والبيانات المتوفرة لأنواع متعددة من برامج تحليل البيانات وكتبها الباحث كبرنامج كامل.
    1. من أجل دراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية، عددا من عمليات معالجة البيانات مطلوبة عادة. راجع المقاطع الممثل النتائج ومناقشتها أدناه للخطوط العريضة لإجراءات المعالجة الرئيسية؛ انظر كيانيني، وآخرون. (2017) 12 لمزيد من التفاصيل حول كيفية قياس PIV بيانات يمكن استخدامها لاستخراج المعلومات الديناميكية في نظم هيدرودينامية الجزيئية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

في تقديم النتائج التمثيلية، نشير إلى عمليات متوالية-مقياس الوقت كتلك الملحوظة والمتوقعة على مدى فترات زمنية، Equation 25 التي فترة طويلة بالنسبة لمقياس الوقت تصادم الحبوب المميزة، Equation 26 Equation 27 و الجسيمات-الوقت-مقياس عمليات كتلك التي لاحظت وتوقع على مدى فترات زمنية، Equation 28 ، التي في أمر من، أو أصغر من Equation 29 Equation 30 حيث Equation 31 هو تواتر الاهتزاز حاوية الوسائط الحبوب.

يوفر الأسلوب المقترح المتزامنة، المتكاملة، مطابق المعلومات التجريبية على الجسيمات أحادية وديناميات الجسيمات متعددة وعشوائية، وبلغ متوسط الوقت قائما على نطاقات زمنية تتراوح بين معدل العينة الكاميرا PIV معكوس، Equation 32 إلى طول أي نظراً للتشغيل التجريبي، Equation 33 للنتائج المعروضة هنا، Equation 34 الكاميرا الإطارات في الثانية الواحدة و Equation 35 = 10.12 s.

يتم تنظيم النتائج كما يلي. أولاً، نعرض، باستخدام مقطع فيديو تمثيلي، أن يتم الحصول على قياسات جميع الظروف بشدة عدم التوازن الذي نقل وسائل الإعلام صدى الحبوب في التدفق الجماعي، مثل السوائل؛ مشاهدة "أفلام تكميلية" 1a-ج . ثم يتضح وجود المحلية توازن دينامي حراري، LTE، لوحظ في منطقة استجواب التعسفي، محدود مكانياً كاميرا على سطح تدفق الحبيبية،؛ انظر الشكل 3. أدلة ضعيفة من الخروج على عدم التوازن LTE – تجري في جداول الجسيمات الفردية، والتي تنتجها حقن دورية للطاقة الذبذبات في وسائط الإعلام الحبوب – ثم قدم؛ انظر الشكل 4. وأخيراً، كوسيلة لإظهار أن تدفقات الحبيبية الطويل بعد مقياس الوقت، وعدم التوازن يمكن معقول التنبؤ باستخدام إصدارات خشن الحبيبات حجم الجسيمات الدقيقة، منفصلة، الكتلة والزخم المحافظة على القوانين، هنا، نافيير-ستوكس (NS) المعادلات، نقدم مقارنة للحبوب بلغ متوسط الوقت لوحظ تدفق الحقول ضد تلك المتوقعة من المعادلات NS؛ انظر الشكل 6.

في تجاربنا، نتحرى ديناميات الاهتزاز يحركها ثمانية الحبوب مختلف وسائل الإعلام، كل نوع من أنواع وسائل الإعلام تتسم بشكل معين، أو خليط من الأشكال وكثافة جماعية مميزة وثابتة لمجموعة من الأبعاد. في جميع التجارب، وسائل الإعلام وعاء مليء بكتلة مجموع ثابت من الحبوب وسائط الإعلام، وتواتر الاهتزاز والسعة من الوعاء يتم إصلاحها 29.3 هرتز ومم 2، على التوالي. كما صورت في فيلم تكميلية 1a، ولاحظ أنماط تدفق الحبوب، هي لجميع الوسائط ثمانية، مماثلة نوعيا: تدفق حلزونية بطيئة، ومطرد، ثلاثية الأبعاد، مما يعكس مكون المهيمنة، واشعاعيا في الداخل، في أي تدفقات الوسائط من الوعاء الخارجي الحدود إشعاعيا إلى الداخل تجاه الحدود الداخلية في الوعاء، جنبا إلى جنب مع عنصر ثانوي ضعيفة. وهكذا، خلافا للقياسات تشتت الضوء والنيوترون، وقياسات حجم الجسيمات أحادية ومتعددة عن particle الميكانيكا الإحصائية يجب أن هنا يتم حضور التدفق غير متوازنة.

تسمح أنظمة الحبوب صدى ما نعتقد أن تكون أول مظاهرة تجريبية من توازن دينامي حراري المحلية داخل تدفق السائل عدم التوازن. كما هو موضح في الشكل 3، رسوم بيانية تم تسويتها من الحبوب غريبة الأفقية المقاسة بسرعة، التي تم الحصول عليها في منطقة استجواب ثابتة 4 x 4 مم على سطح كومة الحبوب، احتواء جيدا بمهام توزيع ماكسويل-بولتزمان (ميغا بايت). توزيعات ميغابايت، دورة في تقديم أدلة قوية من العديد من الخصائص الديناميكية الأساسية: ط) فتتفق مع وجود الاصطدام-الوقت-مقياس ديناميات هاملتون (ديسيباتيونلس)، والثاني) هم المثل يتفق مع وجود الطاقات المحتملة إينتيربارتيكلي مستقلة عن السرعة، فضلا عن إمكانات مستقلة الطاقات الحركية، والثالث) أنها توفر أدلة قوية على التوازن المحلي، العيانية، والميكانيكية. الأهم من ذلك، كل هذه الميزات يمكن أن يفسر ماكروسكالي تجسد الخصائص الديناميكية يفترض تقليديا في التوازن سائل-الدولة نظم هيدرودينامية الجزيئية.

من أجل فضح الميكانيكا الإحصائية من الحبوب الفردية، يجب استخراج سرعة الحبوب غريبة المحلية من سرعة الحبوب المحلية المقاسة: أنا) المكونات الطيفية أولاً، دورية حدود السرعة المقاسة المحلية، مما يعكس يجب أن تتم تصفيته الاهتزاز مطاطا الصلبة مثل كومة الحبوب، من (PIV-) لاحظ السرعة المقاسة، واختلاف الوقت عند نقطة الاستجواب. ثانيا) وبعد ذلك، سجل السرعة المحلية التي تمت تصفيتها ، تمثل عنصر تدفق السوائل تشبه بحتة لديناميات للحبوب، ويتم استخدامه لتحديد سرعة متوسط الوقت المحلي، (طوال فترة تجريبية، Equation 36 الثالث) وأخيراً، المحلية هو طرح متوسط السرعة (المصفاة) من سرعة المصفاة المحلية الوقت متفاوتة. وهكذا يمثل السجل السرعة الناتجة عن اختلاف الوقت سرعة السوائل الخاصة المحلية، كما لاحظ عند نقطة الاستجواب.

وراء نزعة للعودة، في جميع المواقع، واتجاه التطور طويل الأمد، الأنظمة الديناميكية العيانية – إذا أريد لها أن تكون بمثابة النظير الحقيقية من نظم هيدرودينامية الجزيئية السائل-الدولة-يجب أن تملك مجموعة ثانية من خاصية حاسمة: ضعف التقلبات العشوائية من المحلي التوازن، تجري في التصادم والفرعية-كوليسيون-المقاييس الزمنية، التي تتفق مع المعمم ديناميكيات لانجفان. وهنا، كما هو مبين في الشكل 4، وظيفة ترابط تلقائي تطبيع السرعة (غريبة) واحد من الحبوب، Equation 37 ، يسلك نفس الهيكل النوعي تنبأ منذ فترة طويلة في عمليات محاكاة للعضو المنتدب لكثافة الغازات والسوائل2،13 : ط) انحلال السريع، غير الأسى، collision الفرعية-مقياس الوقت القيم، يليه الثاني) الموسعة، السلبية قليلاً بطيئة، النهج إلى الوراء اتجاه صفر. جسديا، ومرة أخرى تمشيا مع ديناميات جزيء واحد توقع العضو المنتدب في السوائل الكثيفة2،4 ذيل طويل السلبية في هو موضح في الشكل 4 ويبدو أن تعكس التأثير الجماعي المجاورة الحبوب على الاقتراح 12من الحبوب الفردية. من الناحية النظرية، هيكل الزمني القصير-الوقت-مقياس Equation 38 تماما متسقة مع، وتفسير من حيث، المعمم لانجفان ديناميات2.

مراكز أخرى الديناميكية المقومات اللازمة لإقامة تناظرية عيانية تنبؤية لنظم هيدرودينامية الجزيئية السائل-الدولة على الهيدروناميكا الجماعية. أولاً، في جداول زمنية طويلة – طويلة نسبة إلى Equation 39 --وكبيرة طول-جداول--كبيرة بالنسبة للبعد الحبوب المميزة، Equation 40 -الهيدروناميكا العيانية النظام يجب أن يحمل نفس بنية استجابة مشروط وتوقع، ولوحظ في نظم الجزيئية السائل-الدولة2،،من910. وكما لوحظ أعلاه، استجابة أنظمة السوائل الكثيفة لتقلبات عفوية والاضطرابات المفروضة من الخارج--على سبيل المثال، عوارض الجسيمات في تجارب التشتت والاهتزازات صغيرة السعة في تجاربنا – يتألف اثنان فيسكوسلي--ثبط مكافحة نشر وسائط الصوت واثنين، فصل، وأوضاع دوامة انتشارية ووضع انتشارية حراري (الانتروبيا). ثانيا، ديناميات الجماعية الطويلة بعد مقياس الوقت، والكبيرة الحجم طول العيانية N-الجسيمات نظم يجب – كما تفعل الأنظمة الجزيئية – اتباع المعادلات NS (بما في ذلك، مرة أخرى، حفظ الطاقة والكتلة).

في الوقت الحاضر، وفيما يتعلق باستجابة مشروط العيانية، لدينا أدلة غير مباشرة فقط تجريبية من صيغ الصوتية ثبط السائل-الدولة : كما هو مبين في الشكل 5، الحالة الصلبة الصوتية موجات دائمة، مدفوعة في الاهتزاز المفروضة التردد، Equation 41 ، وكذلك إزاء التوافقيات من Equation 41 ولوحظت في أكوام الحبوب صدى لدينا. لسوء الحظ، بسبب أوجه القصور في النظام الحالي للتجريبية، لا نلاحظ وسائط الصوتية في أطياف سرعة غريبة المحلية السائل . من أجل إثارة مثل هذه الأوضاع، وتجارب جديدة ستنفذ التي ستخضع لوعاء وسائل الإعلام أثر دوري. استناداً إلى وجود وسائط الصوتية الحالة الصلبة لا لبس فيها، ونحن نتوقع أن هذا النهج سوف يعرض السائل-حالة وسائط الصوتية.

على النقيض من ذلك، لدينا أدلة قوية على أن ديناميات جماعية والعيانية، ومنذ فترة طويلة وواسعة النطاق من أكوام الحبوب صدى تطيع المعادلات NS. كما هو موضح في الشكل 6، يتوقع توزيعات السرعة تقاس PIV الدولة ثابت يقاس على سطح كومة فيبراتيد جيدا ب المعادلات NS14. هنا، كما هو مفصل في Mullany et al. 14، حل المعادلات عددياً ضمن مجال مستطيلة، ثنائي الأبعاد المقابلة فوف السطح المستخدمة في PIV السرعة مجال القياسات14. المحاكاة استخدام الحبوب فعالة تجريبيا قياس اللزوجة وفرض مكانياً متفاوتة السرعة شروط الحدود، تحددها قياسات PIV، على ثلاثة من أربعة حدود المجال. على الرغم من أن المحاكاة يفترض دقة اثنين الأبعاد التدفق، حيث التدفق الفعلي هو ثلاثي الأبعاد، ويهمل وجود وسائل الإعلام وعاء للمحور المركزي (هذا الأخير إعطاء الوعاء دونات/حلقية شكل)، متوسط الأخطاء بين المتوقع والفعلي مقادير السرعة فقط في حدود 15%.

Figure 1
رقم 1: إنشاء نظام اهتزازي تجريبية مع الكاميرا، والإضاءة- يتكون هذا النظام من وعاء البولي يوريثان حلقية لها قطر خارجي من 600 مم، مع واحد-بسرعة (1740 لفة في الدقيقة)، المحرك غير متوازن. نظام الإضاءة والكاميرا علقت فوق وعاء اهتزازي وتعلق على دعم هياكل أو حوامل ليس على اتصال مع نظام اهتزازي. وهذا ما يضمن أن الاقتراح بالوعاء لا تسبب حركة الكاميرا أو الضوء. مضخة تمعجية تقدم مطرد تدفق السوائل تليين وسائط الإعلام. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

فيلم تكميلية 1: الحبوب النموذجية تدفق الفيديو. () بمقطع نموذجي من تدفق الحبوب كما الملتقطة بواسطة الكاميرا عالية السرعة. (ب) البطيء الفيديو من وسائل الإعلام التي تشهد تدفق عرضية حولها شغل ثابتة (ج) البطيء الفيديو من وسائل الإعلام التي تشهد تدفق عادي إلى شغل ثابتة. تتم مقارنة الحقول PIV قياس السرعة في (ج) ضد حقول السرعة المحسوبة نظرياً في الشكل 6. اضغط هنا لتحميل هذه الملفات.

Figure 2
الشكل 2: مثال على معالجة وتجهيز الصور آخر. () A نموذجية فوف صورة واحدة اتخذتها كاميرا عالية السرعة. (ب) صورة المعايرة النموذجية مع مسطرة المحجمة. (ج) Zoomed نظراً لسرعة ناقل خريطة مضافين على الإطار الأول من إطار مزدوج الصور المستخدمة لحساب ناقلات المرض. وتمثل الناقلات حركة الجسيمات بين الإطارات الأول والثاني من إطار مزدوج. وتتراوح السرعة ~ 0 م/ث (أحمر داكن) إلى 0.17 m/s (أصفر) في هذا الشكل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: أدلة تجريبية للتوازن الميكانيكي الإحصائية المحلية- توزيعات من الحبوب (عشوائية) غريبة الأفقي بسرعة، يقاس عند نقطة سيظهر في (واو)، ملائمة بتوزيعات السرعة ماكسويل-بولتزمان (ميغابايت) الأبعاد اثنين. (أ-ه) يصور بسرعة (v)، ووظائف الكثافة الاحتمالية (pdf) في وحدات سم s-1 وق سم-1، على التوالي، وجداول الحمراء التي تمثل 1 سم حسب نوع الحبوب. الحبوب تظهر: () RS19K؛ (ب) وسائط مختلطة؛ (ج) RS1010؛ (د) RCP0909؛ و RS3515 (e). وقد تم تعديل هذا الرقم من كيانيني et al. ويفيد في العلوم (2017)12. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: حبة واحدة، وديناميات الجدول الزمني القصير-- وظيفة ترابط تلقائي السرعة، Equation 42 ، للحبوب واحد، رسم كوظيفة من وظائف مميزة عدد الاصطدامات الحبوب، Equation 43 ، حيث t هو الزمن المنقضي و Equation 31 هو تواتر الاهتزاز. الاصطدام-مقياس الوقت، ديناميات الحبوب واحد يحمل اتجاهات نوعيا محاكاة تلك التي توقع في الجزيئية السوائل والغازات الكثيفة، بما في ذلك: (ط) المحاصرين ديناميات الجسيمات، وهنا تحدد استجابة متواصلة السائل الحبوب للذبذبات مما اضطر12من الاضمحلال السريع، غير الأسية (الثاني) في Equation 38 ، بما يتسق مع ديناميكيات لانجفان المعمم12، ومظاهر كثافة الغاز، مراحل دينامي حراري السائلة-الصلبة السائلة والمختلطة12(الثالث). وقد تم تعديل هذا الرقم من كينيني et al. ويفيد في العلوم (2017)12. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الرقم 5: استجابة الذبذبات للاهتزاز. السعة الأطياف15، مصممة من قياسات السرعة الحبوب PIV المحلية ومن قياسات تسارع حاوية المتزامنة، ترد في ( و ب)، على التوالي. موقع قياس PIV موضح في الشكل 3f؛ يتم الحصول على الحبوب الحاوية التسارعات من السطح الخارجي للحاوية. الموجات الصوتية الرنانة داخل نظام الحاويات كومة الحبوب، يتجلى في قمم الطيف ()، اسمياً تتزامن مع أوضاع الصوتية الرنانة متحمس داخل حاوية فارغة، المبينة في (ب). ديناميات السوائل من الحبوب الفردية على حد سواء ومن كومة الحبوب كامل يتعرض بتصفية الاستجابة الصوتية الصلبة الشبيهة. وقد تم تعديل هذا الرقم من كيانيني et al. ويفيد في العلوم (2017)12. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
رقم 6: مقارنة بين PIV تقاس و PIV توقع مجالات السرعة. () PIV-ميدان قياس السرعة للتدفق الطبيعي حولها شغل ثابتة (كانت فوف المحدودة إلى 91 مم × 198 مم لمطابقة عقود الفروق في تحديد المنطقة) مضافين على الصورة من الاهتزاز الوسائط المستخدمة لإنشاء الخريطة ناقلات الأمراض؛ (ب) سرعة سي إف دي-وتوقع الميدانية للتدفق الطبيعي حول الشغل ثابتة. لقد تم تعديل هذا الشكل 6b من الأطروحة الصغرى نافاري ج.16. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

من أجل استخدام أكوام الحبوب صدى النظير العيانية للتحقيق في عمليات هيدرودينامية الجزيئية، experimentalist يجب من ناحية، تعلم واستخدام القياسات الأساسية الأربعة وأخرى، السيطرة على بعض العناصر الأساسية للتوازن و الميكانيكا الإحصائية غير متوازنة. التركيز أولاً على القياسات التجريبية، وهذه تشمل: ط) قياس ديناميات الحبوب الفردية من خلال قياس سرعة الجسيمات أحادية ترابط تلقائي وظيفة، ثانيا) قياس سرعة الحبوب السطحية في المتوسط/الطويل-الوقت-مقياس الوقت الحقول، وثالثاً) قياس اللزوجة فعالية وسائل الإعلام الحبوب، ورابعاً) قياس الأطياف الاهتزاز من وعاء وسائط الإعلام، فارغة ومليئة بوسائل الإعلام على حد سواء.

قياس الجسيمات واحد سرعة ترابط تلقائي وظيفة

يتم دراسة ديناميات العشوائية للجزيئات الفردية، أما الجزيئات في نظم microscale أو الحبوب التي تجد لها صدى في الأسلوب الحالي، عن طريق قياس سرعة الجسيمات واحد ترابط تلقائي وظيفة، Equation 38 2. الصغيرة, مثلاً, الجزيئات دياتوميك وترياتوميك، Equation 38 في السوائل الجزيئية لا يمكن تحديده إلا من خلال MD محاكاة2،،من67. وفي المقابل، Equation 38 للحبوب الفردية في سائل مثل الحبوب صدى أكوام يمكن تحديده من تجريبيا. على وجه التحديد، من أجل قياس موثوق بها Equation 38 ، العدد من الصور، Equation 45 التي تم الحصول عليها لأي الحبوب معين يمر عبر المختار (كاميرا) مجال الاستجواب، Equation 46 ينبغي أن يكون على أمر من، أو ينبغي أن يتجاوز عدد مميزة الحبوب الاصطدامات، Equation 47 المطلوبة ل Equation 38 إلى الاضمحلال من حجم أولى من 1، Equation 48 ، إلى بعض من حجم صغير، وتقترب من الصفر. للحبوب التي توجد في حالة سائلة فعالة12، Equation 38 يضمحل سريعاً سلبية طفيفة المقادير – انظر، مثلاً، الشكل 4 – وبعد ذلك ببطء ريابرواتشيس صفر. في ظل هذه الظروف، Equation 49 يمكن أن تقدر كرقم مميزة من الاصطدامات الحبوب التي تحدث حتى اللحظة، Equation 50 عند Equation 51 وهكذا، Equation 52 حيث Equation 53 هو تواتر الاهتزاز وعاء الحبوب المفروضة. وأخيراً، Equation 45 يمكن تقدير ك Equation 54 حيث Equation 55 يمثل أما الجانب-طول منطقة الاستجواب (مربعة)، Equation 56 أو بعدا مميزة المرتبطة ب Equation 46 Equation 57 يقاس (PIV-) حجم متوسط الوقت السرعة في centroid من Equation 46 و Equation 58 معدل الإطار الكاميرا. ملاحظة، في تجاربنا، Equation 59 Equation 60 Equation 61 Equation 62 Equation 63 ، حيث أن Equation 64 ، ومن ثمEquation 65

القياسات المطلوبة لفضح الهيدروناميكا الحالة السائلة الحبيبية

موجه مطاطا وسائط، وسائط فونون على وجه التحديد، متحمس بكل الوسائل الخارجية والتقلبات الحرارية العشوائية، معروفة موجودة في السوائل17،18. كما هو موضح في الشكل 5، يحمل أكوام الحبوب صدى المثل الصلبة مثل استجابة مرنة لإجبار الذبذبات. بغية عزل خصائص السوائل تشبه كومة الحبوب صدى، يجب إجراء قياسات اثنين: أنا) وسائط موجه مرنة داخل الفرن يجب أن يحدد قياس الطيف تسارع حاوية وسائل الإعلام، تحت كل (وسائل الإعلام-) تحميل و شروط إلغاء تحميله، والثاني) يجب أن تقاس سرعة الحبوب مرة في المتوسط، أما في centroid لمنطقة صغيرة من الاستجواب إذا كان التحقيق ديناميات السائل-الدولة من الحبوب الفردية، أو على مساحة أكبر (كبير) استجواب إذا كانت الدراسة الجماعية ، ديناميات الاستمرارية في مجال تدفق السائل الحبوب.

حالما يتم الحصول على هذه القياسات، ومن ثم وصفها بالتفصيل في كينيني et al. 12 ، يتم تصفية المكونات الطيفية بحتة مطاطا/الصلبة-مثل PIV قياس إجمالي سرعة – الحبوب مفردة أو مجموعات من الحبوب – من الأطياف قياس السرعة تعتمد على المكان والوقت الإجمالي،. الأهم من ذلك، يفترض النتيجة لتمثيل ديناميات السوائل تشبه بحتة من الحبوب فيبراتيد. نظراً لسرعة السوائل الحبوب المصفاة تعتمد على المكان والوقت – في نقطة أو على مساحة ممتدة –، ثم تبعاً للمهمة، يمكن أن يؤديها عدد من إجراءات تجهيز البيانات مباشرة. على سبيل المثال، إذا كان أحد مهتم في مقارنة متوالية لوحظ تدفق الحبوب ميداني ضد أولئك وتوقع بنموذج هيدرودينامية معين، مثلاً، المعادلات NS، وثم يمكن تحديد مجال الموقع تعتمد على الوقت-متوسط السرعة ببساطة الحوسبة متوسط الوقت لكل تعتمد على الموقع، الوقت متفاوتة، تصفية السرعة. انظر، على سبيل المثال، الرقم 6، أعلاه. إذا كانت القوى المحركة للموقع-وغريبة تعتمد على الوقت، أيمجال السرعة العشوائية التي تهم، وتعتمد على موقع الوقت-متوسط السرعة (المصفاة) يخصم من السرعة الإجمالية (المصفاة) تعتمد على المكان والوقت. مطلوب خطوة معالجة هذا، على سبيل المثال، من أجل تحديد مهام ترابط تلقائي سرعة الجسيمات مفردة، Equation 66 على سبيل المثال، انظر الشكل 4.

أخيرا، فعالية حركية أو ديناميكية اللزوجة، Equation 67 أو Equation 68 حيث Equation 69 و Equation 7 هو صدى يمثل المركزية عدم التوازن14 كثافة السوائل الحبوب فعالة النقل هيدرودينامية الخاصية المقترنة تدفقات الحبوب. على سبيل المثال، قيم تجريبيا أو نظرياً-يتحدد من Equation 67 أو Equation 70 مطلوبة في المحاكاة الحاسوبية هيدرودينامية تدفقات الحبوب. ومن ناحية أساسية، القيم التجريبية من Equation 67 أو Equation 70 ضرورية للتحقق من صحة التنبؤات الإحصائية الميكانيكية لهذه الخصائص12. الأهم من ذلك، سيتم قريبا تقرير مجموعتنا تقنية لزوجة واضحة لقياس اللزوجة الدينامية والحركية الفعالة لعائلة كبيرة من الحبوب صدى، كما هو ملاحظ في نظامنا التجريبية.

العناصر النظرية

في هذا القسم، نسلط الضوء على مجموعة الحد أدنى من الأفكار النظرية وأساليب experimentalist ينبغي التعرف على عند محاولة استخدام أكوام الحبوب صدى تمثيلي للدراسة والتنبؤ الهيدروناميكا الجزيئية للسائل الجزيئية نظم. فيما يلي ينطبق على الكلاسيكية، خلافا لأنظمة السائل الكم؛ المراجع المقترحة، في معظم الحالات، ممثلا لعدد كبير من الأوراق والدراسات، والكتب. هذه الأفكار والأساليب الأكثر شيوعاً تنقسم إلى فئتين والتوازن وعدم التوازن الميكانيكا الإحصائية لنظم الجسيمات N.

في توازن الميكانيكا الإحصائية، يلزم experimentalist أول نموذج نظام هاميلتون19. هاملتون يصف ديناميات التصادم-ودون-كوليسيون-مقياس الوقت نظام الجسيمات N، ويتكون عادة من مصطلح النمذجة مجموع الطاقة للنظام متعدية الحركية، مصطلح النمذجة مجموع الطاقة الكامنة للنظام، وفي الحالات حيث تخضع الجزيئات حركة دورانية كبيرة، مدة التقاط مجموع الطاقة الحركية الدورانية. بغية الاتصال ديناميات النظام الجسيمات N هاملتون بمهام دينامي حراري توازن المرتبطة بها، مثل الطاقة الداخلية في النظام، أو نظام فعال لدرجة الحرارة أو الضغط، واحد عادة المقبل يختار مناسب الإحصائية فرقة. لنظم الجسيمات N، مثل تلك التي درس في هذه الورقة، التي متحمسون بمصدر ثابت اسمياً للطاقة-وهنا الاهتزاز المتعدد الوسائط التي ينتجها محرك تردد واحد-19،فرقة ميكروكانونيكال الطاقة الثابتة20 , 21 المناسب. بيد نظراً لحسابات دينامي حراري، مثل حساب انتروبيا النظام، يصعب عادة في هذه الفرقة، فرقة المتعارف عليه19 عموما هو خيار أفضل و، علاوة على ذلك، ينتج نفس توازن دينامي حراري الوظائف التي تم الحصول عليها عن طريق فرقة ميكروكانونيكال.

نظراً للنظام هاميلتون ومن فرقة إحصائية مختارة، أحد ثم يبني وظيفة قسم نظام Q = Q (N, V, T)19،23، حيث V و T هي حجم التوازن للنظام ودرجة الحرارة. جسديا23من19،، س يتضمن جميع الدول الطاقة المحتملة، التي، من حيث المبدأ، يمكن الوصول إلى النظام. عمليا، نظراً Q، ونظرا لما يسمى "جسر العلاقات"19،23 الاتصال ديناميات النظام N-الجسيمات المنفصلة توازن دينامي حراري دالة19،23، وثم كل التوازن ويمكن حساب الخصائص الحرارية المرتبطة بنظام N-الجسيمات. نسلط الضوء على نقطة إضافية: في النظم المتفاعلة، مثل أكوام الحبوب عالية-رد مدفوعا بالاهتزاز منخفضة السعة12,9،الدالة علاقة زوج19 يظهر عادة (في القسم الدالة, Q) ويجب أن تكون مصممة من أجل تحديد خصائص توازن دينامي حراري.

دراسات الميكانيكا الإحصائية عدم التوازن العفوي، أي، الحرارية، وغير عفوية، خارجياً-تفرض الخروج من توازن دينامي حراري المحلية، حيث هذه الأخيرة تنشأ نتيجة للتدرجات المكانية في كتلة، الزخم، و/أو الطاقة. من أجل تفسير والتنبؤ بعدم التوازن ديناميات النظم صدى الحبوب، وافتراض الخروج التوازن المحلي-ضعف الصورة المفترضة، على سبيل المثال، في تدفقات السوائل متوالية تحكمها معادلات NS--ينبغي أن تكون الأدوات النظرية أربعة تعلمت واتقنت.

أولاً، نظراً لعدم التوازن ديناميات الحبوب الفردية، GLE، وأكثر بساطة، خالية من الذاكرة لانجفان المعادلة (LE)2،9،11 أساسا صارمة لدراسة هذه الميزة. على وجه الخصوص، ديناميات قصيرة، الاصطدام-مقياس الوقت، وواحد من الحبوب، في12من كثافة سائل مثل الدول، أفضل على غرار استخدام GLE، بينما في وقت أطول جداول-من يقول 10 مرات الاصطدام وتعد-LE، وصف ديناميات الجسيمات براونية، 12من المناسبة.

ثانيا، بغية التنبؤ باللزوجة الحبوب فعالة، فضلا عن فعالية الحبوب نشر الذاتي معاملات2 -الأولى، خاصية نقل أساسية المطلوبة لدقة التصميم استمرارية تدفق السوائل صدى الحبوب، الأخضر-كوبو العلاقات2،،من923 متوفرة. بغية تطبيق العلاقات الخضراء-كوبو، experimentalist أن تتعلم كيف يتم اشتقاق هذه؛ يمكن الاطلاع الاشتقاقات بسيطاً نسبيا، على سبيل المثال، في نعمة & ييب2.

الأداة الثالثة المطلوبة للدراسة عدم التوازن الإحصائية الميكانيكا نظم الحبوب صدى يناظر صرامة خشنة الحبوب إجراء9،12 أن شبه الإصدارات الدقيق، والجسيمات المنفصلة من الكتلة، قوانين حفظ الزخم والطاقة في شكل سلسلة متصلة، أي، NS،. الإجراء يشكل جسراً أساسيا صرامة اشتقاق المعادلات متوالية تحكم ديناميات السوائل الشبيهة، والجماعية الحبوب صدى النظم، فضلا عن الأساس النظري لفهم العلاقة الحميمة بين خصائص دينامي حراري توازن المحلية، مثل الضغط ودرجة الحرارة وسرعة الصوت والحرارة النوعية، إلى عدم التوازن، نقل التواصل الجماهيري، الزخم والطاقة.

رابعا، بغية كشف وتفسير طول الكبيرة الحجم، وسائط هيدرودينامية2،9 التي تعم السائل الجزيئية والحبوب صدى نظم12، experimentalist ينبغي التعرف على تحليل هذه الأوضاع. بإيجاز، استجابة متواصلة السوائل الجزيئية لنثر الحزم2،،من19، وكذلك، رد متوالية أكوام الحبوب على12من الاهتزاز، وتكشف عن الوجود (الخطي، إلى جانب خمسة، أي.، ضعيفة)، طرق جماعية. وسائط تنشأ من الخمسة، إلى جانب، التواصل الجماعي، معادلات الحفاظ على الزخم والطاقة، وجسديا، وتكشف العمليات مشروط التواصل الاختلافات المكانية في خصائص مصانة. وفي المقابل، محرك هذه الاختلافات المكانية، النقل المستمر لهذه الخصائص.

التعديلات، وإطلاق النار المتاعب

للقياسات PIV، يمكن تعديل قطر السلطانية (زاد) إلى النقطة حيث مجال الرؤية للكاميرا عمودي على مقطع مسطح تقريبا من منطقة الاختبار الذي سيقضي على المزيد من تأثيرات الحافة. ويمكن إضافة أساليب إضافية لقياس المتغيرات الأخرى مثل القوة أو الضغط.

القطع الميكانيكية لإعداد تجريبية قوية وتتطلب مشكلة سوى القليل جداً في إطلاق النار. إذا كانت وسائل الإعلام يظهر أن يكون الخلاف معا، يمكن زيادة معدل حل اللجنة التيسيرية لضمان الحركة السلسة نسبيا.

وسيكون أغلبية مشكلة إطلاق النار في نظم تحليل PIV أو البيانات. أول مشكلة شائعة تحدث عندما لا يتم استيراد الصور بالتسلسل الصحيح. قد يتم فرز مجموعة صور بشكل غير صحيح في نظام ملفات كمبيوتر إذا فإنه يتم ترقيم باستخدام الأرقام السلبية والإيجابية على السواء، كما الحال إذا تم تعيين الكاميرا إلى تحريك بعد الحصول على مخزن مؤقت أولية للصور. نظام ملفات قد وضع الصور مرقمة سلبا مباشرة بجوار صورتها إيجابية مرقمة المقابلة، التي سوف تتسبب في الصورة المحددة لاستيراد إلى بيئة البرامج PIV الترتيب خاطئ، الذي يؤدي بدوره إلى خلق سوء المزدوجة إطارات. إعادة تسمية الصور باستخدام أرقام موجبة فقط لضمان يتم فرزها بالتسلسل الصحيح.

إذا النظام PIV يعطي أخطاء عند استيراد الصور، فمن الأرجح بسبب الصور في تنسيق خاطئ. ضمان الصور الرمادية باستخدام برامج معالجة البيانات وحفظها في تنسيق TIFF قبل استيراد في بيئة البرنامج PIV.

كما يمكن أن تكون الأخطاء المعايرة المشتركة، ولكن ليس دائماً المعترف بها حتى اكتمال التجهيز. بيئة البرامج PIV يفصل بين مجموعات الصور المستوردة إلى "تشغيل"، كل منها على معايرة الفريدة الخاصة به. ولذلك، يجب أن تتضمن كل تشغيل جديد صورة معايرة (الخطوة 2.2.7). معايرة الصور لا يمكن إعادة استخدامها بين تشغيلات إذا لم يكن هناك على الإطلاق أي تغيير إلى الإعداد التجريبية أو مجال الرؤية. يمكن استيراد مجموعة جديدة من الصور إلى موجود تشغيل إذا قال هو تحديد تشغيل قبل بدء تشغيل عملية الاستيراد (الخطوة 4.2.1). هذا سوف يسمح تعيين لاستخدام الصورة المعايرة الموجودة التشغيل الصورة الجديدة، ولكن ينبغي أن يتم إلا إذا كانت كافة مجموعات الصورة في التشغيل يتم التقاطها باستخدام الكاميرا نفسها.

القيود

القيود الرئيسية لتقنية قياس PIV، في شكلها الحالي، فإنه لا يمكن قياس عنصر السرعة الحبوب الرأسية، عمودي على سطح حرة أفقي اسمياً في السرير الحبوب. ملاحظاتنا، بيد تشير إلى أن الطويل-الوقت-المقياس، استمرارية تدفق الحبوب لا يزال أساسا أفقية على سطح حرة، بينما يرجح عنصر السرعة (غريبة) عمودي، قصيرة-مقياس الوقت، وعشوائية في نفس ترتيب الحجم ( اثنين) قياس مكونات غريبة الأفقي. وهكذا، هذا القيد له تأثير ضئيل على تحليل لتدفق متوالية على سطح السرير الحبوب، في حين أنه من المعقول أن نفترض أن الحركة عشوائية عمودية قصيرة-مقياس الوقت وتشاطر نفس الخصائص الإحصائية كتلك التي تم قياس المكونات الأفقية 12.

أهمية فيما يتعلق بالأساليب القائمة

على حد علمنا، هذا هو أول دراسة تثبت أن أكوام الحبوب صدى يمكن استخدامها تناظرية تنبؤية لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية السائل-الدولة. هناك طريقتان لدراسة ديناميات الجزيئية مقياس في كثافة السوائل والغازات، واحدة منها التدابير الضوء أو النيوترونات، أو الصوت عالية التردد متناثرة من استجواب المجلد1،2، والآخر حسابياً محاكاة النظم الحيوية الجزيئية6،7 . النتائج من التجربة الحالية كبيرة نظراً لأنها تظهر أن عمليات هيدرودينامية الجزيئية ويمكن الآن مباشرة ملاحظة استخدام القياسات التجريبية العيانية لديناميات كومة الحبوب صدى. على قدم المساواة الميكانيكية إحصائية هامة، والعيانية واستمرارية تدفق النماذج التي تم تطويرها في هذه الدراسة تسمح تفسير متسق والكمية والتنبؤ بديناميات التوازن وعدم التوازن، وواحد من الحبوب والحبوب متعددة. الآن، يمكن experimentalist دراسة هذه العمليات مباشرة، تجاوز، على سبيل المثال، المحاكاة مكلفة حسابياً، أو تحديا تقنيا القياسات تشتت الجسيمات الجزيئية مقياس. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام الإطار النظري الذي وضع هنا لتبرير الحسابية السوائل الحيوية (CFD) النمذجة في تدفقات مماثلة14

التطبيقات المستقبلية

الأساليب التجريبية العيانية والنماذج النظرية التي وضعت هنا يمكن استخدامها أيضا لدراسة مختلف وسائل الانتهاء من العمليات، مثلاً، اهتزازي الانتهاء من14، التي تكتسي أهمية في تصنيع طائفة كبيرة من الميكانيكية مكونات. بالإضافة إلى ذلك، ستواصل العمل الأساسي الذي بدأ هنا ونحن نستكشف اتصالات الديناميكية بين أكوام الحبوب صدى، ورد عالية ونظم هيدرودينامية الجزيئية السائل-الدولة. نموذج استخدام طريقة العناصر المنفصلة (ماركاً) هو أيضا قيد التطوير وسيتم استخدامها لنموذج ثلاثي الأبعاد سلوك الديناميكية اهتزازي الانتهاء من العمليات، فضلا عن دراسة حسابياً الهيدروناميكا الجزيئية صدى الحبوب نظم. [ماركاً ألمانيا يختلف عن ديناميات الموائع الحسابية (CFD) في محاكاة CFD تحكمها معادلات NS، بينما تخضع النماذج ماركاً ألمانيا لديناميات الجسيمات نيوتن الاصطدامية.]

خطوات حاسمة في البروتوكول

الخطوات الأكثر أهمية في هذا البروتوكول من البداية الأولى بإعداد أو النظام العام، موقع الكاميرا على وجه التحديد فيما يتعلق بالوعاء، الإضاءة ينبغي أن تكون منتشر حيث أنه يغطي بشكل متساو فوف، والتحقق من وجود لا الأفكار التي تسبب وهج في الصور وتدفق مستمر من لجنة التيسير ومعايرة نظام PIV. عند إعداد الوعاء والكاميرا ترايبود/السقالات، فإنه يجب التحقق من أن نظام اهتزازي لا تلمس أي جزء من الكاميرا أو نظام دعم الكاميرا التأكد من أن الكاميرا لا تزال ثابتة على الإطلاق في جميع أنحاء الاختبار. يجب أن تكون الإضاءة الكافية موجودة في منطقة اختبار كامل لضمان الكاميرا يمكن التقاط القطع الفردية لوسائل الإعلام في جميع أنحاء الاختبار وأن الظلال لا تقم بإنشاء إضافية شبح القطع. يجب أن تكون ملقاة مبلغاً أولياً لحل عبر وسائل الإعلام قبل البدء في نظام اهتزازي لضمان وسائل الإعلام هو "مشحم" وليس عصا معا في بداية الاختبار. إذا كانت القطع العصا معا، أنها لم تعد تمثل الجزيئات التي تؤثر على بعضها البعض، وأنها تسبب الاحتكاك، الذي يرتدي أسفل وسائط الإعلام ويغير حجمها والجماهيري. إذا لم يتم إدخال معايرة النظام PIV، أو المتغيرات في النظام بشكل صحيح، سوف تعطي النظام التوجيه المتجهة كاذبة والمقادير. للتأكد من المعايرة دقيقة، يجب أن تكون المسطرة عمودي على الكاميرا مع حجم يمكن قراءته بسهولة في الصورة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

هذا العمل كان يدعمها "مكتب الأبحاث البحرية" (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik وكينيني] وفي جامعة نورث كارولينا في شارلوت في "رياضة السيارات البحوث مختبر لتلميع" وسائل الإعلام قد تبرعت بها روسلر.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
  2. Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (1980).
  3. 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).
  4. Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
  5. Evans, D. J., Morriss, G. P. Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , ANU E Press. (2007).
  6. Levesque, D., Verlet, L. Computer "experiments" on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
  7. 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).
  8. Lovesey, S. W. Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. Lovesey, S. W., Springer, T. , Springer-Verlag. (1977).
  9. Forster, D. Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , Perseus. (1990).
  10. Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
  11. Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
  12. Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658 (2017).
  13. 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).
  14. Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
  15. 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).
  16. Navare, J. Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , University of North Carolina at Charlotte. Charlotte, NC. MSME thesis (2017).
  17. Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421 (2012).
  18. Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193 (2016).
  19. Pathria, R. K., Beale, P. D. Statistical mechanics. , 3rd ed, Elsevier. (2011).
  20. Gibbs, J. W. Elementary principles in statistical mechanics. , University Press. (1902).
  21. Toda, M., Kubo, R., Saito, N. Statistical physics I. , 2nd ed, Springer-Verlag. (1992).
  22. Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
  23. Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , Springer. (1991).

Tags

الهندسة، العدد 130، الهيدروناميكا السائلة الجزيئية العيانية، الجسيمات الصورة فيلوسيميتري، الفيزياء الحبوب، التفاعلات السوائل الكثيفة، والميكانيكا الإحصائية، الميكانيكا الاستمرارية، وصدى كومة الحبوب
أسلوب عيانية تناظرية لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية في كثافة الغازات والسوائل
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Dahlberg, J., Tkacik, P. T.,… More

Dahlberg, J., Tkacik, P. T., Mullany, B., Fleischhauer, E., Shahinian, H., Azimi, F., Navare, J., Owen, S., Bisel, T., Martin, T., Sholar, J., Keanini, R. G. An Analog Macroscopic Technique for Studying Molecular Hydrodynamic Processes in Dense Gases and Liquids. J. Vis. Exp. (130), e56632, doi:10.3791/56632 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter