Summary
高密度流体中の分子の流体力学的過程を研究するため実験的にアクセス可能なアナログ方式である. します。テクニックは振動、高反発粒杭の粒子画像流速測定法を使用し、動的プロセス知られているし、強く相互作用する、高密度気体、液体中に存在する予測の肉眼で直接観察を可能します。
Abstract
アナログ、巨視的高密度の気体と液体の分子スケール流体プロセスを勉強する方法が説明されています。テクニック適用、標準液動的診断、粒子画像流速測定 (PIV) を測定する: i) 個々 の粒子 (粒)、短い、粒の衝突に関する現存する速度の時間スケール、ii) の両方の短い粒子のシステムの速度衝突-時間と長く、連続フロー時間スケールの iii) 高密度分子流体と iv に存在する知られている集団の流体モード) 短・長期-時間スケール速度相関関数、中央の粒子スケールのダイナミクスを理解するため強く相互作用する、高密度流体システム。基本的なシステムは、イメージング システム、光源、振動センサー、振動システム知られているメディア、および PIV 解析ソフトウェアで構成されます。必要な実験とアナログの技術を使用して分子流体力学的プロセスを研究するときに必要な理論的ツールのアウトラインが強調表示されます。提案手法は、光に比較的簡単な代わるし、中性子ビーム散乱法分子の流体力学的研究で伝統的に使用します。
Introduction
分子流体力学は、ダイナミクスと個々 の分子の統計力学および流体内の分子のコレクションを研究します。多くの実験の中で分子流体システム1,2, 光散乱1,2,3, 分子動力学シミュレーション4、勉強のために開発 5,6,7より少ない程度に、中性子非弾性散乱8を最も一般的に使用されています。残念なことに、後者の 2 つの方法に重要な制限を添付します。分子動力学 (MD) シミュレーション、例えば: i) は時空小限定
比較的少数の分子を含むドメイン
、ii) を使用する必要おおよその粒子間電位の iii) 通常周期を紹介境界条件、非平衡バルク フロー条件、および iv の下で無効な) 現時点では、どのように分子動力学、分子または分子のコレクションのいずれかを含むの基本的な質問を答えることができない、受けますが、カップルバルクは、非平衡流体の流れに戻る。中性子散乱に関連付けられている主な制限は、利用可能な中性子ビーム源の限られた数にアクセスする難しさに結びついています。
この記事で紹介したアナログの実験技術のコンテキストを提供するためには、単純な高密度ガスと液体状態の流体に適用される光散乱技術を強調表示します。典型的な光散乱実験で偏光レーザー光ビームは静止流体のサンプルを含む小さな尋問ボリュームに送られます。サンプル内の分子からの散乱光が入射ビームに対していくつかの固定角度でそれから検出されます。興味の分子の動的な政権によって散乱光信号の検出と解析を組み込んだ光フィルタ リングまたは光検出方法を混合します。ベルンとペコラの1に従って、フィルタ リング技術、スケールはより短い時間に流体状態分子動力学をプローブする
s、後散乱干渉計や回折格子を紹介し、スペクトル密度のスキャンを許可します。散乱光。ミキシングのテクニック、遅い時間スケールのダイナミクス用光
s、対照的に、組み込む散乱信号のスペクトルの分布は測定された散乱光から抽出する、散乱後自己相関器またはスペクトラム アナライザー強度。
一般に、レーザー プローブ、少なくともこれらのスペクトルの目に見える範囲内で液体状態の分子の特性の間隔よりも長い波長を持っています。これらの状況下でプローブ ビーム励起 5 集団があり、遅い時間スケール、全長波流体モード2,9,10 (特性の衝突の頻度を基準にして低速): 2 つの粘性対向する音の波、2 つの共役、純粋な拡散渦モード、および単一拡散熱 (エントロピー) モード、減衰します。渦モードが横方向に興奮している間、サウンド モードは入射ビームの (縦) 方向に興奮しています。
純粋に実験的手法、平衡の心そして分子の非平衡統計力学の横になっている 2 つの基本的な質問を散乱を考慮した液体状態のシステムは、光と中性子散乱測定を超えて残る。
1) 厳格な引数9,11ショーの古典的なニュートン力学や量子力学の対象と、個々 の液体状態の分子のランダムな衝突とサブ-衝突-時間スケール動力学を作り直したことができます、一般化ランジュバン方程式 (GLE) の形。GLE の順番に、高密度の気体や液体中の分子の非平衡統計力学の研究では中心的な理論的ツールで構成されます。残念ながら、個々 の (非高分子) 分子のダイナミクスは、どちらの散乱法で解決できない、以来無い現在 GLE の有効性をテストする分子動力学シミュレーションを超えて、直接的な方法。
2) 巨視的連続流体の中心部で横になっている根本的な仮説、同様のマイクロ分子流体力学、それの長さと時間のスケール分子径と連続体を基準にして数回、しかし小さな衝突に比べて大きいを仮説します。長さと時間のスケール、ローカル熱力学の平衡 (LTE) が優先されます。(NS) ナビエ-ストークス方程式のような連続体の流動および熱伝達モデル LTE 想定していますカップルは本質的に非平衡、連続スケールのフローとエネルギー輸送の機能するために必要な9 -粘性せん断応力のように、熱伝導-厳密に平衡熱力学的性質、温度と内部エネルギーのように。同様に、マイクロ スケールの運動量とエネルギーの輸送は本質的に非平衡プロセス、結合、マイクロ スケール固まりの出現を反映してこれらのマイクロ プロセスの勢いとエネルギー流モデルと仮定電流LTE9から小さな摂動を表してください。もう一度、我々 の知識の限りでなかった LTE 前提の直接実験。特に、高密度、移動、非平衡流体内流体分子の散乱実験を試行されているはないようであります。
この稿では、直接予測できない、標準粒子画像流速測定法 (PIV) を用いて振動粒杭のマクロスコ ピックの単一の粒子の集合体学に使用でくアナログ実験的な手法をまとめました解釈、および高密度の気体と液体でシングルとマルチ molecule 流体力学を公開します。私たちのグループ12によって発表された最近の論文で提案手法を可能にする物理・理論的要素のとおりです。実験的に、巨視的な系を表わさなければならない: (i) (弱い) の非平衡揺らぎを模倣するローカル、マクロ統計力学的平衡、および (ii) 小さい平衡から出発線形持続的な傾向が観察分子流体力学的システム。理論: 平衡および高密度の弱非平衡統計力学を記述する (i) 古典的なマイクロ スケール モデル、N 粒子システムの相互作用する必要があります。 改鋳されるマクロの形で、(ii) の結果のマクロ モデルを確実にする必要があります。短い、粒子-衝突-タイム スケール、長い連続-流れ-時間 - スケールからの単一および複数粒子ダイナミクスを予測します。
ここでは、新しい手法により得られた代表的な結果と同様に、詳細な実験的プロトコルを提案します。分子動力学シミュレーションと光と中性子散乱法と対照をなして新しいテクニックができます、最初の時間の流れる、強く非平衡、密なガス、液体内の分子の流体力学的プロセスの詳細な研究。
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Protocol
1. 振動システムの準備
-
図 1に示すように、振動系を設定します。このシステムは、環状ウレタン ボウル (600 mm の外径を持つ)、シングル スピード (1740 rpm)、アンバランスのモーターに接続されている、後者はプロセス振動を生成しから成っています。これは、加重ベースに接続され (ボウルと加重ベース購入ワンピースとして組み立て) 8 つの湧水群で区切られます。ボウル アセンブリをそのスタンドに取り付けます、2 つの指定されたゴムのフックで固定します。ボウルのそばのテーブルに蠕動性ポンプ、潤滑インレットをボウルにポンプ排水ホースを取り付けます。
- 低振幅の条件下で記録されたボウル振動に環状のボウルの内側の半径に三軸加速度計を接続し、センサー信号コンディショナーに加速度計を配線します。信号コンディショナーを離れて振動システム テーブルに配置します。加速度センサー/信号コンディショナーの組み合わせは、標準的なコンピューターにインストールされているデータ集録ハードウェア/ソフトウェアによって制御されます。
-
水で洗浄し、乾燥することができます、選択したメディアを準備します。メディアのいくつかの種類は、様々 な実験に使用されています。本稿では、ストレート カット三角形 (10 mm × 10 mm x 10 mm 三角 10 mm 厚前後から見た) メディアを研磨セラミックを使用します。
- まず実験室規模で空のプラスチック袋を配置し、スケールを風袋梱包密度メディアを確認します。プラスチックの袋を詰めて選ばれたメディアに (18.927 リットル (5 ガロン) を超えるし、メディア (g または kg) の重量を記録します。このタイプのメディアと現在実験のセットアップでは、重量は 22.68 kg (50 ポンド) だった。
- 大きなシンクまたは他の機器から建物の外にバケツを置いてください。バケツを満たしなさい (このセット、18.927 リットル (5 ガロン) バケツを用いて) 完全マークに、ゆっくりと水をバケツにメディアの完全なプラスチック袋を下げます。メディアの袋が完全に浸漬、一度ゆっくりと水しぶきを避けるために、袋を脇に置きます水からバッグを上げます。追加水の総量を録音元の完全マークにバケツを補充するのに 1000 mL のメスシリンダーのシリンダーを使用します。この適量の水になります
、 (このセット 13,750 mL の水はバケツに追加された) のためにメディアのボリュームを梱包材料です。適量の水に使用するメディアの種類に依存なります。 - 次の方程式でメディアの充填密度を計算します。
どこ
メディアの充填密度と
メディアの質量 (1649 にこのメディアの密度を求めた
)。
- 大きなシンクまたは他の機器から建物の外にバケツを置いてください。バケツを満たしなさい (このセット、18.927 リットル (5 ガロン) バケツを用いて) 完全マークに、ゆっくりと水をバケツにメディアの完全なプラスチック袋を下げます。メディアの袋が完全に浸漬、一度ゆっくりと水しぶきを避けるために、袋を脇に置きます水からバッグを上げます。追加水の総量を録音元の完全マークにバケツを補充するのに 1000 mL のメスシリンダーのシリンダーを使用します。この適量の水になります
- (このモデルは、2 つのオプション、1) 壁にプラグインまたは 2) スタンドに接続されているタイマーの実行を持っている) 電源プラグをコンセントに差し込むことで振動系を有効にします。ユーザーが作成したプログラムの「スタート」の矢印を押すことによってコンピューター上のデータ集録ソフトウェアをアクティブにして、1 分のデータを収集します。加速度データ両方と表示されます (時間領域と周波数領域の両方で) で即時審査のため自動的に潜在的な後処理の .csv ファイルに格納されます。振動システムを無効にする電源コンセント ユニットを取り外します。
- 振動のボウルにメディアを追加します。
- 化合物は、水と研磨化合物 (FC) (3% ボリューム) 溶液 120 mL 3880 mL から成るを準備します。1.9 L/h (この流量を達成するために 27 回転スピード ダイヤル)、蠕動性ポンプを設定、流れを開始しないでください。これは、ソリューションがない循環ですが濡れているメディアを保持するための十分な保証されます。(このソリューションは一般的に使用される振動仕上げソリューション) です。ソリューションは、潤滑剤として働き、メディア一緒に固執しないか、または処理中に消耗を保証します。
- 電源プラグをコンセントに差し込むことで振動系を有効にします。1.2.2 ステップで指定された加速度計データを収集します。振動システムを無効にする電源コンセント ユニットを取り外します。
- まず実験室規模で空のプラスチック袋を配置し、スケールを風袋梱包密度メディアを確認します。プラスチックの袋を詰めて選ばれたメディアに (18.927 リットル (5 ガロン) を超えるし、メディア (g または kg) の重量を記録します。このタイプのメディアと現在実験のセットアップでは、重量は 22.68 kg (50 ポンド) だった。
、 
メディアの質量 (1649 にこのメディアの密度を求めた
)。2. 高速撮像
注: 流れる粒杭、イメージング領域のサーフェスの一部を画像で得られた粒度速度測定、 
、視野 (FOV) 2.2.4 以下の手順で決定に対応します。時間変化の測定、個々 の穀物の速度 (杭表面) の小さい、固定サブ領域を選択することによって得ることができる
内で
、下記のとおり、どこ個々 の穀物の投射面積の順序です。
-
高速カメラを設定 (カメラは最大 1,000 フレーム/秒 (fps) 1504 x 1128 解像度)、三脚の上にそれを置くことまたは建物の振動システムの開いたサーフェスに垂直なレンズでラーメン (ときにボールが振動によって画像をキャプチャするにはティン)図 1に見られるように。このラーメン、振動システムとは別システムから振動が映像に影響しないことを保証します。
- 目的の表面の積分領域と解像度の適切なレンズを取り付けます。現在の設定では、18 〜 250 ミリメートル ズーム レンズとレンズ比 1:3.6 - 6.3 を使用します。 電源と GPS アンテナをカメラに接続します。 CAT5 ケーブルを使用してコンピューターにカメラを接続します。 レンズの端の約 550 mm メディアの表面上にあるようにカメラを配置します。
注: カメラを配置してメディアが増加のエッジ効果を引き起こすに近すぎるとあまりにも遠くにカメラを配置すると、処理にあまりにも暗いイメージ。エッジ効果とテスト領域の全体的な曲率によるエラーは、指定した距離で < 2%。 - レンズ キャップを取り外して、カメラのソフトウェアを起動します。それが開始されたとき「カメラ」ボタンをクリックして、[ok] をクリックします。カメラ一覧を作成、するときリストからカメラを選択して、開くをクリックします。
- 「ライブ」タブの下で、コンピューター上のカメラのソフトウェアで、カメラの FOV を表示する「ライブ」ボタン (青い矢印) をクリックします。イメージを作成する領域を照らす光源をオンにします。これはテスト領域を均等に照らす限り、明るい光をすることができます。図 1は、カメラと振動系に対して光の構成を示しています。
- 絞り値を決定するには、カメラからのライブ ストリームのコンピューターの画面を見て、最小の設定 (最大輝度) に絞りを調整します。絞り値設定されている場合、低い結果はフィールドの浅い深さ。絞りが高に設定されている場合は、画面が暗すぎます。この実験のため、f-ストップは 3.6 に設定されました。
- 目的の FOV (210 mm × 160 mm この場合) を提供するためにレンズの焦点距離を調整します。この実験のためメディア表面上 550 mm に設定されたカメラで 180 mm で焦点距離を設定します。図 2 aは、カメラを通して視野を示しています。
- デジタル カメラのソフトウェアを使用して 500 倍の倍率にズームします。最高光学フォーカス レンズのフォーカス リングを調整します。デジタル ズームを 100% (標準表示) に戻ります。
- コンピューターの取得設定、下「率 [Hz]」をクリックし、フレーム毎秒 500 に設定します。
注: 粒子衝突時間スケールのダイナミクスを解決するために
、少なくとも桁違いの課された振動周波数よりも大きい必要があります
(ここでは、 
Hz) - 画像を撮影する前に視野の中支配の規模を配置します。これはそれに続く画像データ処理の長さスケールを提供します。[カメラのソフトウェアの取得設定、「ライブ」の下で「記録」タブを選択します。1「円形」とセット フレームに「記録モード」を設定します。図 2 bのように単一のイメージを記録する「ライブ」タブの下の赤い丸をクリックします。
- 「ファイル」をクリックして便利なファイルのディレクトリの場所 (外部ハード ドライブなど) に TIFF ファイルとして取得した画像を保存し、「保存取得」をクリックして。ダイアログ ボックスは、複数のオプションが表示されます。ダイアログ ボックスでファイルの種類の横にあるドロップ ダウン メニューから「.tiff」を選択します。
- ダイアログ ボックスの下部に [ダウンロード オプション] タブを選択し、「参照」をクリックします。ダイアログ ボックスの上部には、テストのフォルダー名を追加します。[参照] ダイアログ ボックスでを検索し、目的の場所 (外部ハード ドライブなど) と適切なフォルダーを選択します。フォルダーを選択すると、「保存」、この"OK"をクリックします。ダウンロード マネージャーのボックスが表示されます。ファイルの転送およびサブフォルダー 001 で指定されたファイルの場所に保存する開始されます。画像の転送が、「完了」ステータス ボックス画面に表示されます。
- カメラから画像を削除するには、赤い「削除」ボタンをクリックしますします。
注: プロトコルはここで一時停止することができます。
- 目的の表面の積分領域と解像度の適切なレンズを取り付けます。現在の設定では、18 〜 250 ミリメートル ズーム レンズとレンズ比 1:3.6 - 6.3 を使用します。 電源と GPS アンテナをカメラに接続します。 CAT5 ケーブルを使用してコンピューターにカメラを接続します。 レンズの端の約 550 mm メディアの表面上にあるようにカメラを配置します。
、少なくとも桁違いの課された振動周波数よりも大きい必要があります
(ここでは、 
Hz)3. 収集データ
メモ: プロトコルが一時停止された場合、カメラが再起動する必要。3.1 の手順に従ってください。プロトコルが一時停止していない場合は、3.1.2 のステップに進みます。
-
カメラのソフトウェアを起動し、手順 2 で指定されている照明をオンします。
- アクティブ カメラのソフトウェアと光条件を確認し、2.2.2 の手順で詳細としてライブを実行します。適切なフォーカスをようにします。
- 合計実験の実行時間を選択します。
注: 2 つの競合する要件満たす必要があります: i)
で統計的に静止した粒の流れの条件が設定されている十分な長さにする必要がありますと ii)大量の余分なデータを生成するので長くはなりません。静止した条件が表示されるタイム スケールは、試行錯誤によって決定する必要があります。さまざまな厳しさのさまざまな方法を使用できます。たとえば、i) 時間平均粒速度固定ポイント、または複数の固定点では名目上固定大きさや大きさに達することを確認するか、ii)、固定手段に加えて対応する差異も想定して名目上固定を確保します。大きさ。10.12 のこの実験のデータを集めた s、5060 フレームの取得に対応します。粒子流の定常条件設定後約 1 秒。
-
振動のボウルをアクティブにします。
- 仕上げ潤滑油の化合物 (ステップ 1.2.4) メディアの初期ぬれ性を提供するためにボールの周りに均等に 150 mL を広める残りの水差複合床に蠕動性ポンプに接続されているホースで。"Off"から「時計回り」にスイッチをひっくり返すこと (手順 1.2.4 でセット) として蠕動性ポンプを有効にします。
- コンセントに差し込むことで振動のボウルをオンにも濡れ性を確保するために 1 分の最小値を待つし、着実にメディアを通じて流体運動 (定常流体運動は、蠕動ポンプからボウルに入る流体の流れとを発生しますボウル ドレーンからの排出液の流れにほぼ等しい。
-
ビデオと収集データのキャプチャ。
- 流体定常運動 (ステップ 3.2.2) に達すると、コンピューターの画面上の赤いレコードのアイコンをクリックしてカメラをトリガーし、選ばれた時間の画像を記録する赤いトリガー チェック マークをクリックして。カメラは指定された画像を記録し、イメージを内部メモリに保存します。図 2 aは、5060 画像のセットから 1 つのイメージの例です。
- データを収集した後、コンセントから取り外すことによって振動システムをシャット ダウンし、「時計回りに」を"off"のスイッチを弾くことによって蠕動性ポンプを非アクティブ化します。
注: プロトコルはここで一時停止することができます。
- 流体定常運動 (ステップ 3.2.2) に達すると、コンピューターの画面上の赤いレコードのアイコンをクリックしてカメラをトリガーし、選ばれた時間の画像を記録する赤いトリガー チェック マークをクリックして
で統計的に静止した粒の流れの条件が設定されている十分な長さにする必要がありますと ii)4. プロセス PIV を用いた映像データ
-
PIV の処理のための高速カメラの画像を準備します。
- 2.1.9 のステップで説明されている手順に従って TIFF ファイルとして取得された画像を保存します。(現在のシステムで 5060 イメージ フレーム収集以上 10.12 s 引き継ぐを転送する時間です。)画像を転送すると、「完了」状態を示すボックス画面に表示されます。同じファイル 002 として識別されるサブフォルダー内の校正ファイルとディレクトリ。カメラから画像を削除します。
- PIV ソフトウェアによって処理を有効にするグレー スケール イメージにカラー画像を変換します。データ分析ソフトウェアに画像をアップロードするには、"imread()"関数を使用します。"Rgb2gray()"関数を使用してイメージのコピーを変換し、"imwrite()"関数を使用して新しいフォルダーにこれらの新しいイメージを保存/書き込み。
メモ: このプロセス/データ分析関数データ解析ソフトウェアの複数の種類があり、研究者によって完全なプログラムとして書かれています。グレースケールに変換しているした後、図 2 cは拡大画像の例 PIV によって処理されます。
-
PIV ソフトウェアを使用して、速度を計算します。
- PIV ソフトウェア環境に単一のフレーム画像とグレースケール画像のセットをインポートするのにインポート ウィザードを使用します。「ファイル」をクリックして、インポート開始し、、「インポート」と「イメージのインポート」を選択します。 イメージ インポート ウィザード] ダイアログ ボックスが表示されます。 メニューから「シングル フレーム」インポート オプションを選択し、「画像を追加」ボタンをクリックして。 キャリブレーション イメージを選択し、クリックして「開く」画像を「画像をインポート」ダイアログのリスト ボックスを追加します。 画像をインポートすると、最初に追加校正画像 (ステップ 2.1.9) インポート リストの上部のイメージをあります。 「画像を追加」ボタンをもう一度クリックし、すべてのデータ画像、「開く」「画像をインポート」ダイアログ ボックスに追加する] をクリックします。 すべての目的の画像を選択したら「次へ」をクリックしてします。使用するカメラ設定を入力し、ダイアログ ボックスにフレーム レートやピクセル ピッチを含めます。「次へ」、インポート プロセスを完了する [完了] をクリックします。
- PIV ソフトウェアに画像セットと入力の長さスケール パラメーターからキャリブレーション イメージを分離します。
- 内容一覧が表示されていない場合、インポートしたイメージの設定を右クリックし、データ基本ツリーで画面の左側にある「内容リストを表示」を選択。校正イメージだった最初のインポートされたイメージと仮定すると、リストの 2 番目のイメージを右クリックし、「分割アンサンブルからここ」選択します。ドラッグ アンド「新しい校正」というラベルの付いた画面の左上の場所に新しく作成されたイメージ セット (キャリブレーション イメージのみを含む) をドロップします。
- 新たに配置されたキャリブレーション イメージ セットを右クリックし、「メジャー スケール係数」を選択します。校正イメージが画面上に表示されたときの画像を"A"と"B"のマーカーの位置定規 (またはその他のオブジェクトのルーラーを使用しなかった場合は、サイズを知る) と「絶対距離」テキスト ボックスでマーカー間距離を入力。キャリブレーションの設定を保存し、ダイアログ ボックスを閉じて、キャリブレーション イメージ「メジャー スケール ファクター」ダイアログ ボックスで「OK」をクリックします。
- インポートしたイメージのセットを選択することによってイメージのペアのセットを作成し、「分析」をクリックします。次に利用可能な解析のメソッドの一覧から「ダブル フレームを作る」を選択します。選択」(1-2、2-3、3-4、.(N-1) 画像をダブルクリック)"オプションのスタイルします。
- (キャリブレーション イメージ) を除く画像セットに任意の画像を開くと画像上で右クリックし、「粒子密度」を選択します。ダイアログ ボックス表示認識粒子が画面に表示されます。プローブ領域のビューが拡大表示されます。このダイアログ ボックスの設定タブをクリックして、3 粒子の最小値は一貫してプローブ エリアで見られるまで「プローブ サイズ領域」を変更。 このプローブ エリア サイズ 4.2.5 の手順で入力した尋問領域のサイズになります。
- PIV 処理アルゴリズムと関連するパラメーターを選択する設定の選択した画像を「分析」コマンドを使用します。「適応型相関」方法を選択し、手順 4.2.5 で空間のベクトルを定義する使用するピクセルの領域を定義します。(このプロセスは、n × n ピクセル「尋問エリア」のグリッドに画像を分割)
- 「尋問領域」タブを検索し (このメソッドは、32 ピクセル × 32 ピクセルが使用された) ため、8 ピクセルの最小値と最大 256 ピクセル間の利用可能な尋問領域サイズのいずれかを選択して、尋問領域サイズを設定します。4.2.3.1 手順で確認した値を入力します。
- 作成したベクトルの密度を高める、0%、25%、50%、75% の重複をドロップ ダウン メニューから選択して尋問「オーバー ラップ」の割合を追加します。
- 「適応型相関」ダイアログ ボックスで"OK"を選択して測定粒速度場につながる解析を実行します。システムの分析を開始します。 システムは、データを処理する最初のベクター マップ画面に表示されます。推定速度および方向図 2 cに見られるようにによって満足のいく表示されますを決定する最初のいくつかの速度フィールドを調べます。現実的な速度フィールドが表示されない場合は、分析セッションを取り消す手順 4.2.4 と分析の設定を変更します。(分析が完了したら、FOV にまたがる偏向フィールド作成されますセット (ステップ 4.2.3) のイメージのペアごとに)。図 2 cは、グレースケール画像にオーバーレイされている解析プロセス中に、例の満足のいくベクトル フィールドを示しています。
注: 各 n × n ピクセル尋問領域の PIV ソフトウェアはサブ grain スケール明るい対応するパターンを次のイメージにキャプチャされた尋問領域内のパターンを比較します。この比較から PIV ソフトウェアは地域平均変位ベクトルを決定します
と最後に、割ってフレーム間の時間増分で
、エリア平均速度
、
を指します通信エリアに。現在の実験では、尋問の各領域から成って n x n = 32 x 32 ピクセル;各 210 mm × 160 mm 視野をサブディバイド尋問領域の合計数はこうして 47 × 35 1504 x 1128 ピクセルに対応するだった
と最後に、割って
、エリア平均速度
、
を指します通信エリアに5. プロセス振動データ
注: 手順 5 すること同時にステップ 4 に別のコンピュータ システムまたは解析ソフトウェアを使用する場合。
-
データ分析ソフトウェアを開き、振動のボウルは、集録されたデータを空に加速度計をもたらす"load()"関数を使用して (手順 1.2.2)。高速"fft()"関数を使用してデータのフーリエ変換を行います。「プロット」関数を使用してデータの図を作成します。振動のボウルが存在するメディア (手順 1.2.5) を持っていたときに買収されたデータを繰り返します。
メモ: このプロセス/データ分析関数データ解析ソフトウェアの複数の種類があり、研究者によって完全なプログラムとして書かれています。- 分子流体力学的過程を研究するために、データ処理操作の数が一般的に必要です。メインの処理手続の概要、以下のセクション代表結果と考察を参照してください。Keanini を参照してくださいら。(2017)12 PIV 計測方法の詳細については、分子流体力学系での動的な情報を抽出する使用できます。
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Representative Results
代表的な結果を提示、我々 を参照してください連続時系列プロセス、それらの観測・予測、時間スケールで
長特性粒衝突時間スケールを基準にしている
、 粒子時間スケール観察し、時間スケールで予測したものとして処理
のためにまたはより小さい
、
粒メディア コンテナーの振動周波数は。
統合、逆 PIV カメラ サンプル レートに至る時間スケールで単一粒子については実験と現存する複数粒子、ランダム、時間平均のダイナミクスを重畳手法を同時提供します
に実験的実行を任意の長さ
ここでは、提示される結果の
カメラ フレーム/秒、 
= 10.12 s。
結果は次のように編成されます。まず、すべての測定は振動粒メディアが集団、流体のようなフローで移動強く非平衡条件下で得られた代表的なビデオ クリップを使用して、示す補足的な映画 1 a cを参照してください。ローカル熱力学の平衡、LTE、粉体流の表面上の任意の空間的に限られたカメラ尋問領域で観察の存在は示される、;図 3を参照してください。LTE から弱い非平衡出発の証拠-個々 のパーティクルのスケールで開催と粒メディアへの振動エネルギーの繰返し注入によって生成される-が表示されます。図 4を参照してください。最後に、長時間スケール、非平衡粒子流合理的に予測できる正確なディスクリート、パーティクル スケール質量と運動量保存則、ここでは、ナビエ ・ ストークス方程式 (NS) の粗視化バージョンを使用を証明する手段として方程式、NS 方程式; によってそれらの予測に対する観測時間平均粒流れ場の比較を提案します。図 6を参照してください。
実験では、8 粒度の異なるメディアの振動駆動ダイナミクス、指定した図形または図形、質量密度、およびディメンションの特性、固定セットの混合物によって特徴付けられる各メディア タイプを調べる。すべての実験でメディア ボウルは穀物メディアの固定総質量と振動の周波数と振幅、ボウルが 29.3 Hz と 2 mm でそれぞれ固定します。補足ムービー 1 a、木目の流れを観察に描かれているとは、8 つのすべてのメディア、質的類似: 支配的な半径方向内側コンポーネントとは、外側のボウルからどのメディアの流れを反映して、低速、安定した、三次元ヘリカル フロー半径方向内側の境界、ボウルの内側境界に向かって弱い方位角成分と組み合わせます。したがって、光と中性子散乱測定と対照をなして測定単一粒子とマルチ-粒-規模統計力学の必要がありますここで実施する非平衡流存在下で。
振動粒システムは、我々 が非平衡流体内ローカル熱力学の平衡の最初の実証であると信じること。図 3のように、粒の杭表面に固定 4 mm × 4 mm 尋問領域で得られた測定水平特有の粒の速度の正規化されたヒストグラムが (MB) マクスウェル ・ ボルツマン分布関数でよくフィット。MB ディストリビューションは、いくつかの基本的な動的性質の強力な証拠を提供: i) 彼らは衝突の時間スケール (散逸のない) ハミルトン力学の存在と一致している、ii) 彼らの存在と矛盾は同様に潜在的な独立と同様、速度に依存しない粒子間ポテンシャル エネルギー、運動エネルギー、および iii) 彼らはローカル、マクロスコ ピックの力学的平衡の強力な証拠を提供します。重要なは、これらすべての機能は、伝統的平衡液体状態分子流体系における想定動的プロパティのマクロ実施形態として解釈できます。
個々 の粒子の統計力学を公開するためにローカル特有の粒子速度を測定されたローカル穀物の速度から抽出必要があります: 私) ローカル測定速度内で最初、周期的なスペクトル成分を反映して(PIV-) からろ過された固体のような穀物の杭の弾性振動測定、時間変化の速度は、尋問の時点で観察。ii) 次に、ローカルフィルター粒子ダイナミクスの純粋な液体のようなフロー コンポーネントを表す速度レコードを使用して、ローカルの時間平均速度を決定する (実験期間にわたって
iii) 最後に、ローカル(フィルターされた) の平均速度は、時変のローカル フィルター選択された速度から差し引かれます。尋問の時点で観測された結果の変動速度レコードはこうしてローカル特有な流体の速度を表します。
LTE へのすべての場所で、元に戻す傾向を超えて巨視的力学系-液体状態分子流体系の真のアナログとして機能する場合は、する必要があります所有している重要なプロパティの 2 番目のセット: ローカルから弱いランダムな変動平衡、撮影場所、衝突、サブ-衝突-時間-スケールと一貫性のある一般化ランジュバン動力学。ここでは、図 4、正規化された結晶粒 (独特な) 速度の自己相関関数で示すように、 
、密なガスや液体2,13の MD シミュレーションで長期予測同じ質的な構造を展示: 少し負の値、ii) の拡張が続く i) の急速な、非指数、サブ衝突時間スケール崩壊遅く、ゼロに向かってアプローチ。物理的と再び2,4に示すように図 4で長い間否定的なテイルを近隣の集合的な影響を反映するように粒の運動の高密度流体中の分子ダイナミクスの MD 予測と一致して個々 の穀物の12。短い時間スケールの時間構造の理論的な言葉で
は、完全に、一貫しての面で、説明のつかない一般化ランジュバン動力学2。
液体状態の分子流体システムに予測巨視的アナログを確立するために必要なもう一つの動的成分中心集団流体力学。最初に、長い時間のスケール-相対的な長さ
- と大きな長さスケール-特性の結晶粒寸法に比べて大きい
-巨視的な系の流体力学は、同じモーダル応答構造予測し、観測を表わさなければなりません。液体状態の分子システム2,9,10。前述の通り、自発変動し外部から課せられた障害 - 高密度流体システムの応答などの散乱実験の粒子ビームと微小振幅振動実験-2 つの構成します。粘性減衰対向サウンド モード、非 2、拡散渦モード、および拡散熱 (エントロピー) モード。第二に、巨視的 N 粒子系における長時間スケール、長さ大規模集団力学-分子システムがように-に従わなければなりません (再度、質量とエネルギーの保全を含む) NS 方程式。
マクロ モーダル応答に関して現在ある減衰流体状態の音響モードの間接的な実験的証拠だけ:図 5で示すように、固体音響定在波、課された振動で駆動周波数、
の高調波が、同様私たちの振動粒山で観察されます。残念ながら、現在の実験的システムでの制限のため我々 従わないローカル特有な流体速度のスペクトルにおける音響モード。このようなモード、新しい実験を刺激するために、実施されるメディア ボウルが繰り返し衝撃を受けるでしょう。固体音響モードの明確な存在に基づいて、私達はこのアプローチが液体状態の音響モードが公開されることを予想します。
対照的に、我々 は振動粒杭の集団、巨視的、長期、大規模なダイナミクスは NS 方程式に従うこと強力な証拠があります。図 6のように、定常状態の PIV 測定速度分布振動杭の表面上で測定も NS 方程式14によって予測されます。ここでは、mullany 氏らの詳細として14、PIV 速度フィールド測定14で使用される表面の視野に対応する長方形の二次元のドメイン内で方程式を数値的に解いた。シミュレーション実験測定粒粘度を使用し、空間的に変化速度境界条件、3 つの 4 つのドメイン境界の PIV 計測によって決まります。ただし、シミュレーションの仮定厳密に 2次元の流れ、実際の流れは立体的であり、(後者与えるボール ドーナツ/トロイダル形状) メディア ボウルの中央ハブの存在を無視して、平均予測と実際のエラー速度の大きさはおよそ 15% です。
図 1: カメラと照明で振動系の実験の設定です。このシステムは単一の速度 (1740 rpm)、アンバランス モーター.の 600 mm の外径を有する環状ウレタン ボールで構成されていますカメラと照明システムは振動のボウルの上中断され、構造または振動系接触していない三脚をサポートに接続されています。これにより、ボールの動きがカメラや光の動きを引き起こさないこと。蠕動ポンプは、メディアを潤滑するため安定した流れを提供します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
補足映画 1: 典型的な穀物の流れビデオ。高速度カメラで撮影したと粒子流の (、) A の典型的なクリップ。固定ワークに流れを受けているメディアの静止したワーク (c) スローモーション ビデオ周り接線流を受けているメディアの (b) スロー モーション ビデオ。(C) PIV 測定速度場は図 6に理論的に計算された速度場と比較されます。これらのファイルをダウンロードするここをクリックしてください。
図 2: 処理と後処理の画像は使用例です。(、)、典型的な FOV 単一画像高速カメラで撮影しました。スケール定規 (b) A は典型的なキャリブレーション イメージ。(c) ズーム速度ベクトルの観点からマップのベクトルの計算に使用されるダブル フレーム イメージの最初のフレームに重ねて。ベクトルは、ダブル フレームの最初と 2 番目のフレームの間の粒子の動きを表しています。速度の範囲から 〜 0 m/s (濃い赤) この図では 0.17 m/s (イエロー)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: ローカルの統計力学的平衡の実験的証拠。(F) に示すところで測定した水平独特 (ランダム) 穀物の速度の分布 2 次元分布マクスウェル ・ ボルツマン (MB) に適合しています。(a ~ e) 速度 (v) を示しています、確率密度関数 (pdf) は cm s-1と s cm-1の単位で、それぞれ赤のスケールは、穀物の種類によって 1 cm を表します。示されている穀物: (、) RS19K;(b) 混合メディア;(c) RS1010;(d) RCP0909;(e) RS3515。 Keaniniらからこの図が変更されています。科学のレポート (2017)12。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 単粒、短い時間スケールのダイナミクス。速度相関関数
、単一の穀物、穀物の衝突の特性の数の関数としてプロットの
t が時間差であると振動周波数です。衝突時間スケール、一粒動態展示分子性液体と密なガスを含む模倣して定性的予測動向: (i) 捕捉粒子のダイナミクス、ここで振動する粒流体の連続の応答によって決まります12、(ii) 急速な非指数関数的減衰を強制的に、一般化ランジュバン動力学12、密なガス、液体、および混合液体固体熱力学的相12の (iii) 症状と一貫性のあります。この図は、Keaniniらから変更されています。科学のレポート (2017)12。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 振動振動応答します。それぞれで ( b)、振幅スペクトル15、ローカル穀物速度 piv と同時コンテナー加速度測定から決定のとおりです。図 3f; で PIV 測定場所を示す穀物コンテナーの加速度は、コンテナーの外観から取得されます。共鳴音波のスペクトル (、)、ピークが現れる粒杭コンテナー システム内では名目上共鳴音響モード (b) に示すように、空のコンテナー内で興奮するいると一致します。両方の個々 の穀物と全粒杭の流体力学は、固体のような音響応答をフィルタ リングによって公開されます。 Keaniniらからこの図が変更されています。科学のレポート (2017)12。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: PIV 測定と PIV の比較予測速度フィールド。固定ワーク周り流れの (、) - PIV 測定速度フィールド (FOV がされている CFD に合わせて 91 mm × 198 mm に限定指定エリア) 振動ベクトル マップの作成に使用するメディアのイメージに重ねて固定ワーク周り流れの CFD 予測速度 (b) フィールドです。この図 6 b は、J. Navare16MSME 論文から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
分子流体力学的プロセスを調査するためには、巨視的な類縁体として振動粒杭を使用、するために、想いをしましたする必要があります、一方で学ぶ 4 つの基本的な測定を使用してし、一方で、平衡のいくつかの基本的な要素をマスターし、非平衡統計力学。最初実験測定に着目し、これらが含まれて: i) 単一粒子速度相関関数、ii) 時間の平均/長期スケール表面粒の速度の測定の観測を通じた個々 の穀物のダイナミクス計測フィールド、iii) 粒メディアの効果的な粘度、および iv の測定) メディア ボール、空とメディアでいっぱいの振動スペクトルの測定。
単一粒子速度相関関数の測定
単一粒子速度相関関数の測定を介して個々 の粒子、本手法における振動粒またはマイクロ スケールにおける分子のランダムなダイナミクスを検討している 2。小、例えば、二原子分子、三原子分子の分子性液体の MD シミュレーション2,6,7を介してのみ決定できます。対照的に、液体のような振動の穀物の個々 の粒子の杭を実験的に決定することができます。確実に測定するために具体的には、 、イメージ、数
選択 (カメラ) を通過、特定の穀物のために得られた尋問エリア、
の順序にする必要がありますまたは特性の数を超えない粒子の衝突は、
に必要な1、初期の大きさから崩壊する
、いくつかの小さな、ゼロに近い大きさに。効果的な液体状態12に存在する穀物少し負の大きさ-急速に崩壊、例えば、図 4 -参照し、し、ゆっくりと reapproaches はゼロします。これらの状況下で
特性、インスタントまで発生する粒の衝突数として推定することができます
と
したがって、 
、
課した穀物ボウルの振動周波数は。最後に、として推定することができます
、
どちら側 - の長さを表します (正方形) 尋問エリア
または特徴的なディメンションに関連付けられている 
(PIV-) 測定時間平均速度マグニチュードの重心にと
は、カメラのフレーム レート。実験では、注
、
と、したがって、
粒状の液体状態の流体力学を公開するために必要な測定
具体的にはフォノン モード、両方の外部手段により熱揺らぎと興奮して、弾性波モードは液体17,18に存在する知られています。図 5に示すように、振動粒杭同様に振動を強制的に固体のような弾性応答を示します。振動粒杭の流体のようなプロパティを特定するために 2 つの測定を行う必要があります: 私) 山内弾性波モードは両方 (メディアの) の下でのメディア コンテナーの加速度スペクトルを測定することにより識別必要がありますロードとアンロードされた条件、および ii) か調べて液体状態のダイナミクス (非常) に大きな尋問領域以上個々 の粒子の集団を勉強して場合小さな尋問領域の重心に、時間平均粒子速度を測定する必要があります、粒の流動場の連続体力学。
これらの測定値を取得した後、その後としては、Keaniniらの詳細12,合計、場所および時間依存の速度の測定されたスペクトルの PIV 測定合計速度-単一の穀物または穀物-のコレクションのいずれかの純粋な弾性/固体のようなスペクトル成分がフィルター選択します。重要なは、結果は振動の穀物の純粋な液体のようなダイナミクスを表すと見なされます。時点または拡張エリアでは-、タスクに応じて-場所と時間依存型フィルター処理された穀物の流体の速度を考えると、単純なデータ処理手順の数を実行できます。たとえば、1 つは興味があるなら観測連続粒子流の比較でそれらに対してフィールドによって予測特定の流体力学的モデルなど NS 方程式、位置依存時間平均速度場が単に計算することによって決定されます。各場所に依存する時間変化の時間平均速度をフィルタ リング。参照してください、たとえば、図 6 の上。場合の場所のダイナミクス- と時間依存特有のすなわち、ランダムな速度場が関心のある、位置依存時間平均の (フィルター処理された) 速度は場所と時間依存の (フィルター処理された) 合計速度から差し引かれます。この処理手順が必要、たとえば、単一粒子速度相関関数を決定するために
たとえば、図 4を参照してください。
最後に、効果的な動的または動粘度、
または
、
と
に関連付けられている粒流体密度14表す中央非平衡流体輸送特性が振動穀物の流れ。たとえば、実験や理論的には-決定される値のまたは
粒の流れの計算流体力学的シミュレーションに必要な。基本的な観点の実験値からまたはこれらのプロパティ12の統計力学的予測を検証するために必要な。重要なは、当社グループはすぐに我々 の実験系に見られる振動の穀物の大規模な家族のための効果的な動的および運動学的粘性を測定するための簡単な粘性手法が報告されます。
理論的要素
このセクションで私達は理論的なアイデアや方法の勉強と分子性液体の分子の流体力学の予測のアナログとして振動粒杭を使用するしようとしたとき、想いをしましたと知り合いになる必要がありますの最小セットを強調表示します。システム。古典量子液体システムとは対照的に、以下は適用されます。参考文献は、ほとんどの場合、書籍、モノグラフ、ペーパーの多数の代表です。これらのアイデアや方法は、N 粒子系における非平衡統計力学、平衡 2 つのカテゴリに分かれています最も一般的。
平衡統計力学における験者は最初ハミルトン19システムをモデル化する必要があります。ハミルトニアン N 粒子システムの衝突とサブ-衝突-時間スケールのダイナミクスを説明し、通常成っているモデリング システムの並進運動エネルギー、用語モデリング システムの総潜在的なエネルギー、用語と粒子が重要な回転運動を受ける場合総回転運動エネルギーをキャプチャ用語。システムの内部エネルギーや効果的なシステムの温度、圧力などの関連する平衡熱力学関数を N 粒子系のハミルトンダイナミクスを接続するために 1 つは通常次に選択適切な統計アンサンブル。N 粒子システムのようそれらの勉強本稿でのエネルギー - ここでは、名目上固定源によって刺激される固定エネルギー ミクロカノニカル アンサンブル19,20 - 単一周波数モータによって生成される多モード振動,21が適しています。ただし、システムのエントロピーの計算などの熱力学的計算はこのアンサンブルの通常困難であり、カノニカル分布19が一般的によりよい選択と、また、同じ熱力学の平衡を生成ミクロカノニカル アンサンブルを介して得られる機能。
与えられたハミルトニアン システムと選択した統計的アンサンブル、1 つは、構築システム パーティション関数 Q = Q (N, V, T)19、23、V と T がシステムの平衡容積と温度。物理的に19、23Q には、原則として、システムにアクセスするすべての可能なエネルギー州が含まれます。実際には、Q、および離散 N 粒子システム ・ ダイナ ミックスを接続する、平衡熱力学関数19、23、および平衡、いわゆるブリッジ関係19,23N 粒子システムに関連付けられている熱力学的性質を計算できます。我々 は、追加のポイントを強調表示: 相互作用系の低振幅振動12で高反発粒杭などでペア相関関数9,19通常、(パーティションで表示されます関数、Q) 平衡熱力学的性質を決定するために決定する必要があります。
非平衡統計力学研究の自発的なすなわち、熱的・自発的な 1553、後者質量の空間勾配が原因で起こる、ローカル熱力学の平衡から出発、勢いやエネルギー。解釈し、振動の穀物システム、および局所平衡 - 出発のと仮定すると弱いの非平衡ダイナミクスを予測するために画像想定され、たとえば、NS 方程式 - によって支配される連続流体理論の 4 つのツールをする必要があります。学び、マスターします。
最初に、個々 の粒子の非平衡ダイナミクスを考慮した GLE と単純なメモリ無料ランジュバン方程式 (ル)2,9,11厳格なの基礎を提供この機能を勉強します。特に、密な液体のような状態の12、短い、衝突時間スケール、結晶粒のダイナミクス、長い時間の中、GLE を使用してモデル化された規模での言う 10 の衝突の時代より長く - ル、ブラウン粒子のダイナミクスを記述するがベスト適切な12。
第二に、効果的な穀物と同様、効果的な粒粘度を予測するために自己拡散係数2 - 最初に、必須のトランスポート プロパティは、グリーン久保振動粒流体の連続フローを正確にモデリングに必要な関係2,9,23があります。グリーン久保関係を適用するために、想いをしましたが学ぶ必要がありますどのようにこれらが得られる;たとえば、比較的単純な派生は、恩恵・ イップ2では見つけることが。
3 番目のツールは非平衡統計を勉強に必要な厳格な粗視手順9,12固まりの正確な離散粒子のバージョンに関連しているに対応する振動穀物システムの仕組み連続体、すなわち、NS フォームに運動量とエネルギーの保存則。プロシージャは従って厳密間に親密な関係を理解するための概念的な基礎と同様に振動の穀物システムの流体のように、集団のダイナミクスを支配する連続方程式を導出不可欠な橋を構成します。局所平衡熱力学的性質、圧力、温度、音速、比熱、質量の非平衡、連続輸送するなど、運動量とエネルギー。
第四に、公開、大規模の長さを解釈するために、分子性液体と振動の穀物システム12、験者に浸透する流体モード2,9の分析と知り合いになる必要があります。これらのモード。簡単に言えば、散乱する分子性液体の連続応答はり1,2,9, および振動12粒杭連続応答が 5 つ、結合、線形 (の存在を明らかにする同様に、i.e。 弱い)、集合的なモード。モードは連続結合、5 つから生じる質量、運動量とエネルギーの保存式と、物理的に保存特性の空間的な差異を通信モードのプロセスを明らかにします。これらのプロパティの連続輸送はこれらの空間の違いがドライブします。
変更とトラブル ・ シューティング
PIV 計測 (増加) カメラのビューのフィールドがエッジ効果の詳細を削除するテスト領域のほぼ平らな部分を垂直にボール径を変更でした。他の力や圧力などの変数を測定するメソッドを追加可能性があります。
実験的設定の機械部分は堅牢な非常に小さなトラブルを必要です。メディアが一緒に付着するある場合 FC 解決率は比較的滑らかな動きを確保するため増加可能性があります。
撮影トラブルの大半は、PIV やデータ分析システムになるでしょう。最初の共通の問題は、画像が正しい順序でインポートされないときに発生します。イメージ設定可能性があります正しく並べ替えられないコンピューターのファイル システムの場合、それは、カメラが画像の初期バッファーを取得後にトリガーを設定されている場合は、正と負の数を使用して番号は。ファイル システムは直接順番ダブルの不適切な創造につながる間違った順序で PIV ソフトウェア環境にインポートする設定イメージになります彼らの対応する積極的に番号付きイメージの横にある負番号付きの画像を置くことができます。フレーム。正しい順序で並べ替えられますように正の数のみを使用してイメージを再ラベル付け。
PIV システムは、画像をインポートするときにエラーを与える場合、は、画像の形式が間違っている可能性があります。画像はグレースケール データ処理ソフトウェアを使用して、PIV ソフトウェア環境にインポートする前に、TIFF 形式で保存を確認します。
校正エラーは、一般的にすることができますが、常に認識処理が完了するまで。PIV ソフトウェア環境は、「実行」、それぞれが独自のユニークな校正に読み込んだ画像のセットを区切ります。したがって、それぞれの新しい実行はキャリブレーション イメージ (ステップ 2.2.7) を含める必要があります。キャリブレーション イメージを再実行の間に使用されることがありますは、実験のセットアップまたはビューのフィールドにはまったく変化がある場合のみ。既存の実行 (ステップ 4.2.1) のインポート プロセスを開始する前に実行を選択と言った場合に、イメージの新しいセットをインポートできます。これは、新しいイメージは実行の既存のキャリブレーション イメージを使用する設定が、実行のすべての画像のセットが同じカメラを使用してキャプチャされている場合にのみ行う必要があります。
制限
PIV 計測の現在の構成での主な制限は、それが縦の穀物の速度成分、粒ベッドの公称水平自由表面に垂直を測定できないです。我々 の観測では、ただし、こと長時間スケール、連続粒子流残存示さ本質的に水平方向の自由表面で縦、短い時間スケール、ランダム (独特な) 速度成分は、(と同じ順序の大きさの可能性が高いです。2) 測定された水平の特有成分。したがって、この制限は、穀物のベッド面の連続流れの解析にほとんど影響を与えません、短い時間スケールのランダムな上下動の水平成分の測定と同じ統計的性質株式と仮定するが妥当ですが12。
既存のメソッドの意義
私たちの知る限り、これは予測アナログとして振動粒杭を液体状態分子流体力学的過程を研究するため使用することができることを示す最初の研究です。光、中性子、または尋問ボリューム1,2, と他の, 散乱計算高周波音対策の一つが密な液体や気体の分子ダイナミクスを研究するための 2 つのアプローチします。分子の動的システム6,7をシミュレートします。分子流体力学的プロセスすることができます今観察されること直接振動粒杭ダイナミクスの巨視的な実験測定を用いたを見せるので、本実験からの結果は重要です。同様に重要な巨視的統計力学と本研究で開発された連続フロー モデル一貫性のある、定量的解釈とマルチ粒結晶粒と非平衡平衡ダイナミクスの予測を許可します。今、想いをしました負荷シミュレーションをバイパスするまたは分子スケール粒子散乱測定を技術的に困難な直接、これらのプロセスを学ぶことができます。さらに、ここで開発理論フレームワークを使用して、計算流体力学 (CFD) と同様のフロー14でモデリングを正当化することができます。
将来のアプリケーション
巨視的な実験方法とここに開発される理論モデルは、加工プロセス、例えば振動14を仕上げ、機械の大規模な範囲の製造に重要なさまざまな質量の研究にも使用できます。コンポーネント。さらに、ここで始めて基本的な仕事は、我々 は振動、高反発粒杭と液体状態分子流体システム間の動的接続を探るようにいきます。個別要素法 (DEM) を利用したモデルも開発中で、振動負荷振動粒の分子流体力学の勉強し同様、仕上げ工程の三次元力学的挙動をモデルに使用します。システム。[DEM とは異なり計算流体力学 (CFD) CFD シミュレーションは NS 方程式州法は、DEM モデルは衝突のニュートンの粒子ダイナミクスによって制御されます。]
プロトコルの重要なステップ
最初からこのプロトコルの最も重要なステップは初期設定またはを均等に視野を覆うよう、ボウル、照明に関して具体的にはカメラの位置、システム全体がびまん性にする必要があります、原因の反射がないことを確認画像、FC の定常流および PIV システムのキャリブレーションのまぶしさ。ボウルとカメラの三脚/足場を設定する場合は、振動系がカメラやカメラのテストで絶対に安定を保つためのカメラ サポート システムの任意の部分を触れていないこと確認する必要があります。十分な照明のテスト全体エリアはカメラがテスト全体でメディアの個々 の部分を拾うことができるし、影を追加作成しない、ゴースト部分を確実にする必要があります。ソリューションの初期量は、メディアが「潤滑」とテストの初め一緒に固執しないように振動システムを開始する前にメディア ダンプする必要があります。作品は一緒にスティックする場合、お互いに影響を与える分子を表していないとメディアを身に着けていると、そのサイズと質量変化、摩擦を起こします。PIV システム変数の校正が正しくシステムに入力されていないシステムは偽のベクトルの方向と大きさを与えます。キャリブレーションが正確なことを確認、ルーラーはイメージで簡単に読めるスケールでカメラに垂直でなければなりません。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は、海軍研究局 (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik ・ Keanini] でサポートされているし、メディアは、Rosler によって寄付されたシャーロットのモーター スポーツ研究所研磨でノースカロライナ大学でを行うだった。
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 |
References
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