Summary
Moleküler hidrodinamik oluşum yoğun sıvılar içinde çalışmak için deneysel olarak erişilebilir bir analog yöntem sunulmaktadır. Teknik partikül imaj velosimetri sıkıştırılmış, yüksek-restitüsyon tahıl kazık kullanır ve doğrudan, makroskopik gözlem dinamik süreçlerin bilinen ve güçlü etkileşim, yüksek yoğunluk gaz ve sıvı var tahmin sağlar.
Abstract
Moleküler ölçekli hidrodinamik süreçlerinde yoğun gaz ve sıvı çalışmak için bir analog, makroskopik yöntemi açıklanmıştır. Ölçmek için bir standart sıvı dinamik tanı, partikül imaj velosimetri (PIV), teknik geçerlidir: i) hızları bireysel parçacıkların (tahıl), kısa, tahıl-çakışmasıyla kaybolmamış zaman ölçekler, II) sistemleri hem kısa parçacıkların hızları çarpışma-zaman - ve uzun, sürekli akışı zaman ölçekleri III) yoğun moleküler sıvıları ve IV bulunduğunun bilinmesi toplu hidrodinamik modları) kısa ve uzun-zamanlı-ölçekli hızı otokorelasyon işlevler, parçacık ölçekli dinamiklerini anlamak için merkezi güçlü etkileşim, yoğun sıvı sistemleri. Temel sistem bir görüntüleme sistemi, ışık kaynağı, titreşim sensörleri, bilinen bir ortam ve PIV ve analiz yazılımı ile titreşim sistemi oluşmaktadır. Gerekli deneysel ölçümler ve zaman ölçeği moleküler hidrodinamik süreçleri çalışmaya analog tekniği kullanarak gerekli teorik araçlar bir taslağını vurgulanır. Önerilen tekniği fotonik nispeten kolay bir alternatif sağlar ve nötron saçılma yöntemleri geleneksel olarak moleküler hidrodinamik çalışmalarda kullanılan ışınla.
Introduction
Moleküler hidrodinamik dinamikleri ve bireysel moleküllerin istatistiksel mekanik ve koleksiyonları içinde sıvı moleküllerinin çalışmaları. Moleküler hidrodinamik sistemleri1,2, ışık saçılma1,2,3, moleküler dinamik simülasyon4eğitimi için geliştirilen birçok deneysel teknik arasında 5,6,7 ve daha az bir ölçüde, esnek olmayan nötron saçılma8 en yaygın olarak kullanılmıştır. Ne yazık ki, önemli kısıtlamalar için ikinci iki teknik iliştirin. Moleküler dinamiği (MD) simülasyonları, örneğin: i) olan sınırlı küçük kayma ve temporal 
görece az sayıda molekülleri içeren etki alanları 
, II) kullanılmasını gerektiren yaklaşık arası parçacık potansiyelleri III) genellikle periyodik tanıtmak sınır koşulları, denge toplu akış koşulları ve IV altında geçersiz) şu anda, nasıl moleküler ölçekli dinamikleri, tek molekülleri ya da moleküllerin koleksiyonları içeren temel soruya cevap veremez etkilenen ve çift toplu olarak, denge sıvı akış geri döndü. Nötron saçılma ile ilişkili ana sınırlama nötron ışın kaynaklarının mevcut sınırlı sayıda erişim zorluğu bağlıdır.
Bu makalede sunulan analog deneysel tekniği için bağlam sağlamak için basit yoğun gaz ve sıvı-devlet sıvılar için uygulanan ışık saçılım teknikleri vurgulayın. Bir tipik ışık saçılması deneyi polarize lazer ışık ışını sabit sıvı örnek içeren bir küçük sorgulama birime yönlendirilir. Örnek içinde molekülleri saçılan ışık sonra olay ışın göre sabit bir açıyla algılanır. Bağlı olarak moleküler dinamik rejimi ilgi, algılama ve dağınık ışık sinyali analizini içerir ışık filtreleme veya ışık algılama yöntemleri karıştırma. Berne ve Pecora1tarafından belirtildiği gibi filtreleme teknikleri, hangi zamanında sıvı devlet moleküler dinamiği yoklama daha kısa ölçekler 
s, sonrası saçılmasını Girişmölçeri veya kırınım ızgara tanıtmak ve spektral yoğunluğu tarama izin dağınık ışık. Optik yavaş zaman ölçekli dynamics için kullanılan teknikler, karıştırma 
s, buna karşılık, dağınık sinyal spektral içeriğini ölçülen dağınık ışıktan çıkarılan bir sonrası saçılmasını autocorrelator veya spektrum analizörü, dahil yoğunluk.
Genel olarak, lazer probları, en az bu spektrum görünür aralığında işletim devlet dışı sıvı molekülleri arasındaki karakteristik aralığı daha uzun dalga boyları var. Bu şartlar altında sonda ışın heyecanlandıran beş toplu, yavaş zaman ölçeği, uzun dalga boyu hidrodinamik modları2,9,10 (karakteristik çarpışma Frekansa göre yavaş): iki viscously sönümlü, ses dalgaları, iki edilişi, tamamen diffusive vorticity modu ve bir tek diffusive termal (entropi) modu karşı yayılıyor. Kıvırma modları enine yönde heyecanlı iken ses modları olay ışın (boyuna) yönünde heyecanlı mısın.
Teknikleri, kalp denge ve denge moleküler, istatistiksel mekaniği yalan iki temel soru saçılma tamamen deneysel dikkate alınarak sıvı-devlet sistemleri, ışık ve nötron saçılma ölçüleri dışında kalır:
1) klasik Newtonian dynamics veya kuantum dinamiği, tabi bireysel sıvı-devlet moleküller rasgele, çarpışma - ve alt-collision-zaman-ölçek dinamiği içinde değişiklik titiz bağımsız değişkenleri9,11 gösteri genelleştirilmiş Langevin denklemler (k) şeklinde. K'ın, sırayla, bir merkezi teorik araç denge istatistiksel mekanik yoğun gaz ve sıvı olarak insan oluşturmaktadır. Ne yazık ki, bireysel (makromoleküllerin olmayan) molekülleri dinamikleri de saçılma tekniği ile çözümlenemeyen beri şu anda k'ın geçerliliğini sınamak için doğrudan yolu yoktur, MD simülasyonları, ötesinde.
2) makroskopik sürekliliği akışkan dinamiği kalbinde yatan temel bir hipotez de microscale moleküler hidrodinamik, manzara arz ediyor bu üzerinde uzunluğu - ve zaman-ölçekler büyük molekül çapları ve çarpışma kez, ama küçük süreklilik göre göreli uzunluk ve zaman ölçekler, yerel termodinamik denge (LTE) hakim. Sürekli akış ve ısı transferi modelleri, Navier-Stokes (NS) denklemler gibi LTE gerekli9 özünde denge, süreklilik ölçekli akışı ve enerji taşıma özellikleri çift için varsayılır — hangi tarihlerde viskoz kesme vurguluyor ve Termal iletken — kesinlikle denge termodinamik özellikleri, sıcaklık ve iç enerji gibi. Aynı şekilde, bu microscale momentum ve enerji taşıma özünde denge süreçler, birleştiğinde, microscale kitle, görünümünü yansıtan iken bu microscale süreçlerin momentum ve enerji akımları, modelleri varsayalım akımları LTE9küçük tedirginlikler temsil eder. Yine, bizim bilgi en iyi şekilde, LTE varsayım doğrudan hiçbir deneysel test edilmiştir. Özellikle, görünen o ki hiçbir moleküler hidrodinamik saçılma deneyler yoğun, hareketli, denge sıvı akışı içinde çalıştı.
Bu yazıda, biz hangi makroskopik, tek parçacık ve toplu parçacık dinamiği sıkıştırılmış tahıl kazık, standart parçacık görüntüleme velosimetri (PIV), kullanarak ölçülen dolaylı olarak tahmin etmek için kullanılabilir bir analog deneysel teknik anahat, yorumlamak ve tek ve çoklu molecule hidrodinamik yoğun gaz ve sıvı bulaşmasına neden. Önerilen tekniği etkinleştirmek fiziksel ve teorik öğeleri bizim grup12tarafından yayınlanan son kağıt belirtilmiştir. Deneysel, makroskopik sistem sergilemek gerekir: (zayıf) sigara denge dalgalanmaları taklit yerel, macroscale istatistiksel mekanik denge ve (ii) küçük, doğrusal hareketle denge doğru sürekli (i) bir eğilim içinde gözlenen Moleküler hidrodinamik sistemleri. Teorik olarak: (i) klasik microscale modelleri, denge ve zayıf-sigara-denge istatistiksel mekaniği yoğun açıklayan etkileşen N-parçacık sistemleri macroscale formunda değişiklik gerekir ve güvenilir bir şekilde elde edilen (II macroscale modelleri gerekir Tek ve birden çok parçacık dinamiği, kısa, parçacık-çarpışma-zaman-ölçekler uzun, Sürenim-akış-zaman-ölçekler için tahmin.
Burada, detaylı bir deneysel protokol yanı sıra yeni tekniği ile elde edilen temsilcisi sonuçlar mevcut. MD simülasyonları ve ışık ve nötron saçılma yöntemleri aksine yeni tekniği, ilk kez, akan, güçlü denge, yoğun gaz ve sıvı içinde moleküler hidrodinamik işlemlerin ayrıntılı bir çalışma sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sıkıştırma silkicileri sistem hazırlanması
-
Titreşimli sistemi şekil 1' de gösterildiği gibi ayarlayın. Bu sistem nerede ikinci işlem titreşimler oluşturur bir tek hız için (1740 rpm), dengesiz motor, ekli (sahip bir dış çapı 600 mm), bir annüler poliüretan kase oluşur. Bu ağırlıklı bir baz ve sekiz yaylar (kase ve ağırlıklı taban tek parça monte satın alınan) bir grup tarafından ayrılmış. Kase derleme onun standına takın ve iki sağlanan kauçuk kanca ile güvenli. Peristaltik pompa bir tablo yakınındaki kase yerleştirin ve yağlama giriş noktası bovling oynamaya pompa çıkış hortumu takın.
- Triaksial bir accelerometer kaydedilen kase titreşimler düşük genlik koşullar altında Anüler kase iç yarıçap ekleyin ve accelerometer sensör sinyal kremi tel. Sinyal kremi titreşimli sistemi masaya yerleştirin. Accelerometer/sinyal kremi kasanın veri edinme donanım/yazılım yüklü bir standart tarafından denetlenir.
-
Seçilen ortam su yıkama ve kuru izin hazırlayın. Çeşitli medya çeşitli deneyler sırasında kullanılmıştır. Bu kağıt için bir seramik düz üçgen (10 mm x 10 mm x 10 mm kalınlığında ve açık haliyle 10 mm üçgen) kesme medya parlatma kullanın.
- İlk boş bir plastik torba bir laboratuvar ölçekte yerleştirerek ve ölçek taring yoğunluğu ambalaj medya belirlemek. Plastik torba doldurmak seçilen ortamla (değil 18.927 L (5 gal) aşan ve medya (g veya kg) ağırlık kaydetmek için. Bu tür medya ve geçerli deneysel kurmak için 22.68 kg (50 lb) ağırlığı idi.
- Kova büyük bir lavaboda veya binadan uzak diğer ekipman dışında yerleştirin. Kovayı doldurun (Bu kurmak, bir 18.927 L (5 gal) kova kullanılmıştır) tam işareti ve yavaş yavaş su ile kova içine plastik çuval medya tam indir. Bir kez medya çuvalı tamamen sular altında yavaş yavaş su sıçramasına önlemek ve çuval bir kenara koyun çantasından yükseltmek. 1000 mL mezun silindir eklenen su miktarı kayıt özgün tam damgasını, kova doldurmak için kullanın. Bu eklenen su miktarı olacaktır
nerede için (Bu kurmak 13.750 mL su kova geri eklendi) medya hacmi ambalaj malzemesi. Eklenen su miktarı kullanılan ortam türüne bağlı olacaktır. - Medyanın paketleme yoğunluğu aşağıdaki denklemle Hesapla:
nerede
medya paketleme yoğunluğu ve 
medya kütlesi (Bu ortam için yoğunluk 1649 olmak hesaplanmıştır 
).
- Kova büyük bir lavaboda veya binadan uzak diğer ekipman dışında yerleştirin. Kovayı doldurun (Bu kurmak, bir 18.927 L (5 gal) kova kullanılmıştır) tam işareti ve yavaş yavaş su ile kova içine plastik çuval medya tam indir. Bir kez medya çuvalı tamamen sular altında yavaş yavaş su sıçramasına önlemek ve çuval bir kenara koyun çantasından yükseltmek. 1000 mL mezun silindir eklenen su miktarı kayıt özgün tam damgasını, kova doldurmak için kullanın. Bu eklenen su miktarı olacaktır
- Titreşimli sistemi (1) duvara takın veya 2) çalıştırmak stand bağlı zamanlayıcı ile iki seçenek, bu model vardır) elektrik prizine takarak etkinleştirin. Veri toplama yazılımı bilgisayarda program yazılı kullanıcı "Başlat" ok tuşlarına basarak etkinleştirmek ve veri toplamak için 1 dakika. İvme veri hem acil incelemesi (hem zaman hem frekans etki) için görüntülenen ve otomatik olarak potansiyel Post-işleme için bir .csv dosyasına kaydedilir. Titreşimli sistemi devre dışı bırakmak için birim elektrik prizinden çıkarın.
- Medya titreşimli kaseye ekleyin.
- 3880 mL su ve 120 mL bitirme bileşik (FC) (% 3 cilt) çözeltisi oluşan bileşik hazırlayın. Peristaltik pompa 1.9 L/h (döndürme hızlı arama için bu akış hızı elde-27) için küme, ancak akışını başlatmak değil. Bu çözüm değil recirculated ama ıslak ortam tutmak yeterli sağlayacaktır. (Bu bir sık kullanılan Sıkıştırma silkicileri bitirme çözüm çözümdür). Çözüm bir yağlama Aracısı görevi yapar ve medya birlikte hareket etmez ya da işlem sırasında giymek sağlar.
- Titreşimli sistem elektrik prizine takarak etkinleştirin. 1.2.2. adımda belirtilen ivme verileri toplayın. Titreşimli sistemi devre dışı bırakmak için birim elektrik prizinden çıkarın.
- İlk boş bir plastik torba bir laboratuvar ölçekte yerleştirerek ve ölçek taring yoğunluğu ambalaj medya belirlemek. Plastik torba doldurmak seçilen ortamla (değil 18.927 L (5 gal) aşan ve medya (g veya kg) ağırlık kaydetmek için. Bu tür medya ve geçerli deneysel kurmak için 22.68 kg (50 lb) ağırlığı idi.
nerede 
medya kütlesi (Bu ortam için yoğunluk 1649 olmak hesaplanmıştır 
).2. yüksek hızlı görüntüleme
Not: tahıl hızı alanı ölçümleri için elde edilen yüzey akan tahıl yığının görüntüleme alanını bir bölümünü görüntüleme tarafından 
adım 2.2.4 aşağıda belirlenen görüş alanı (FOV) karşılık gelir. Ölçüm zaman değişen, bireysel tahıl hızları (yığın yüzeyde) elde edilebilir küçük, sabit bir alt alanı seçerek 
, içinde 
nerede, aşağıda açıklandığı gibi öngörülen bireysel bir tahıl sırasına alanıdır.
-
Bir yüksek hızlı kamera ayarla (1504 x 1128 kararlılık ilâ 1,000 çerçevelemek-de ikinci (fps) have) esir alma imge tripodun üzerine yerleştirerek veya (kase titreşim olduğunda Sıkıştırma silkicileri sistem açık yüzeye dikey lens ile katı bir çerçeve oluşturmak için ting) şekil 1' de görüldüğü gibi. Bu rijit çerçeve titreşim sistemden ayrı ve titreşimler sistemi görüntüleme etkilemez sağlar.
- İstenilen yüzey entegrasyon alanı ve çözünürlük için uygun lens takın. Geçerli kurulum için bir 18-250 mm zoom lens ve 1:3.6 - 6.3 objektif oranında kullanın. Güç kaynağı ve GPS anteni için kamera takmak. Kamera bir CAT5 kablo kullanarak bilgisayara takın. Medya yüzeyi yukarıda yaklaşık 550 mm objektif sonudur kamera yerleştirin.
Not: fotoğraf makinesi yerleştirerek yakın medya artan kenar efektleri neden olur ve kamera çok uzakta yerleştirerek görüntüleri işlemek için çok karanlık olmak neden olur. Belirtilen uzaklıkta, kenar efektleri ve test alanının genel eğriliği nedeniyle hataları olduğunu < % 2. - Lens kapağı çıkarın ve kamera yazılımını başlatın. Başladığında, "Fotoğraf makinesi" düğmesini tıklatın ve Tamam'ı tıklatın. Kamera listesini doldurur, kamera seçin ve Aç'ı tıklatın.
- "Live" sekmesi altındaki bilgisayarda kamera yazılımı fotoğraf makinesinin FOV görüntülemek için "Live" düğmesini (mavi ok) tıklatın. Bölge yansıması için aydınlatmak için ışık kaynağı açın. Bu test alanı eşit olarak aydınlatır sürece bu parlak bir ışık olabilir. Şekil 1 kamera ve titreşimli sistemi ile ilgili hafif yapılandırma gösterir.
- F-noktası belirlemek için bilgisayar ekranında canlı akışı ile kameradan bakmak ve f-stop en az ayarına (maksimum parlaklık) için ayarlayın. F-noktası ayarlanmışsa, sonuç alan sığ derinliği düşüktür. F-noktası yüksek ayarlarsanız, çok karanlık bir ekrandır. Bu deneme için f-noktası 3.6 için ayarlandı.
- İstenen FOV (Bu durumda 210 x 160 mm) sağlamak için lens odak uzaklığı ayarlayın. Bu deneme için medya yüzey yukarıda 550 mm ayarlayın kamera ile 180 mm odak uzaklığı ayarlayın. Şekil 2a FOV kamera üzerinden gösterir.
- Dijital kamera yazılımı kullanarak 500 X büyütme için yakınlaştırın. En iyi optik odaklama lens odak halkasını ayarlayın. Dijital zoom (Normal görünüm) % 100 geri.
- Bilgisayarda alma ayarları ' nın altında "Oranı [Hz]" tıklayın ve 500 kare / saniye için ayarlayın.
Not: tahıl çarpışma zaman ölçekli dinamikleri, gidermek için sırayla
, en az bir büyüklük empoze titreşim frekansı büyük olması gerekir 
(burada, 
Hz) - Görüntüleri çekim işleminden önce çizgili bir ölçek görüş alanı içinde yer; Bu sonraki görüntü veri işleme için bir uzunluk ölçek sağlar. Kamera yazılımı satın alma ayarları altında "Live" altında "Kayıt" sekmesini seçin. "Kayıt modu" "Genelge" ve Set kare 1'e ayarlayın. Kırmızı daire içinde şekil 2bgörüldüğü gibi tek bir görüntü kaydetmek için "Live" sekmesi altında'ı tıklatın.
- "Dosya" tıklayarak elde görüntüsü bir kullanışlı dosya dizin konumunu (örneğin harici sabit disk) TIFF dosyası olarak kaydedin ve sonra "Satın almalar Kaydet"'i tıklatın. Bir iletişim kutusu ile birden çok seçenek görüntülenir. İletişim kutusunda dosya türü'nün yanında, .tiff aþaðý açýlan menüsünden seçin.
- İletişim kutusunun altındaki "Yükleme seçenekleri" sekmesini seçin ve "Gözat" ı tıklatın. İletişim kutusunun üst kısmında, test için klasör adı ekleyin. "Gözat" iletişim kutusunda, aramak ve istediğiniz yere (örneğin harici sabit disk) ve uygun klasörü seçin. Seçili klasörü sonra "Tamam" sonra "Kaydet" tıklayın. Download Yöneticisi kutu-ecek gözükmek. Dosya aktarmak ve alt klasöründe 001 belirlenen dosya konumunda kaydedilmesi başlayacak. Görüntü aktarmıştır kez "Bitmiş" bir durum kutu-ecek gözükmek üstünde belgili tanımlık perde.
- Resim kameradan kırmızı Sil düğmesini tıklatarak silin.
Not: Protokol burada duraklatılmış.
- İstenilen yüzey entegrasyon alanı ve çözünürlük için uygun lens takın. Geçerli kurulum için bir 18-250 mm zoom lens ve 1:3.6 - 6.3 objektif oranında kullanın. Güç kaynağı ve GPS anteni için kamera takmak. Kamera bir CAT5 kablo kullanarak bilgisayara takın. Medya yüzeyi yukarıda yaklaşık 550 mm objektif sonudur kamera yerleştirin.
, en az bir büyüklük empoze titreşim frekansı büyük olması gerekir 
(burada, 
Hz)3. toplama veri
Not: protokol duraklatılmışsa, kamera yeniden başlatılması gerekir. Adım 3.1 izleyin. İletişim kuralı duraklatılmış değil Eğer 3.1.2 adıma atlayın.
-
Kamera yazılımını başlatın ve adım 2 belirtildiği gibi aydınlatma açmak.
- Aktif kamera yazılım ile ışık koşullarını kontrol edip canlı 2.2.2. adımda açıklandığı gibi çalıştırın. uygun odak sağlamak için.
- Bir toplam deneysel çalışma süresi seçin,
Not: İki rakip gereksinimlerin karşılanması gerekir: i)
istatistiksel olarak sabit tahıl akış koşulları içinde ayarla yeterince uzun olmalıdır ve II) gereksiz veri büyük miktarda üretmek için çok uzun olmamalıdır. Sabit koşulları görüntülendiği zaman ölçeği deneme yanılma ile belirlenmelidir. Çeşitli yöntemleri, değişen rigor, kullanılabilir. Fiilen, i) saat ortalama tahıl hız sabit bir noktada veya birden çok sabit noktalarda sözde sabit bir büyüklük ya da büyüklükleri ulaştığından emin olmak veya emin olmak II) sabit anlamına gelir ek olarak, karşılık gelen farklarını da sözde sabit kabul, büyüklükleri. Bu deneme için 10,12 için toplanan verileri s, 5060 çerçeveler edinimi için karşılık gelen. Sürekli tahıl akışı koşullar yaklaşık 1 sonra s.
-
Titreşimli kase etkinleştirin.
- Bitirme/yağlama bileşik (Adım 1.2.4) medya ilk ıslatma sağlamak için eşit kase çevresinde 150 mL yaymak; ve sonra kalan sürahi bileşik yere Peristaltik pompa bağlı bir hortum ile yer. (Adım 1.2.4 alanında belirlenen) Peristaltik pompa geçiş "off" "için saat yönünde" saygısız tarafından aktif hale getirin.
- Bir prize takarak titreşimli kase açmak ve en az bile ıslatma emin olmak için bir dakika bekleyin ve sabit medya boyunca sıvı hareket (oluşur sabit sıvı hareket kase Peristaltik pompa giren sıvı akışını olduğunda yaklaşık kase drenaj drenaj sıvı akışını eşit.
-
Video ve toplama verileri yakalanıyor.
- Sıvı sürekli hareket (Adım 3.2.2) ulaştıktan sonra bilgisayar ekranında kırmızı kayıt simgesi tıklayarak kamera tetiklemek ve seçilmiş süresi, süre için kayıt resimlere kırmızı tetikleyici onay işareti'ı tıklatın . Kamera görüntüleri için belirtilen kayıt olacak ve bu resimler onun dahili hafızaya Kaydet. Şekil 2a çıkmak 5060 görüntüleri alınan bir dizi tek bir görüntünün bir örnektir.
- Bir kez veri toplanır, elektrik prizinden çıkararak titreşimli sistemi kapat ve "saat yönünde" "kapalı olarak" anahtarından saygısız Peristaltik pompa devre dışı bırakın.
Not: Protokol burada duraklatılmış.
- Sıvı sürekli hareket (Adım 3.2.2) ulaştıktan sonra bilgisayar ekranında kırmızı kayıt simgesi tıklayarak kamera tetiklemek ve seçilmiş süresi, süre için kayıt resimlere kırmızı tetikleyici onay işareti'ı tıklatın
istatistiksel olarak sabit tahıl akış koşulları içinde ayarla yeterince uzun olmalıdır ve II) 4. işlem Video verilerinin PIV ile
-
Yüksek hızlı kamera görüntülerini PIV işleme için hazır olun.
- 2.1.9. adımda açıklanan prosedürleri aşağıdaki TIFF dosyaları olarak alınan görüntüleri kaydetmek. (Mevcut sistemde 5060 görüntü kareleri aktarmak için bir saatten fazla 10.12 s alır toplanan). Görüntüler aktarıldıktan sonra "Done" durumu kutu-ecek gözükmek üstünde belgili tanımlık perde. Dosyalar aynı kaydedilir kalibrasyon dosyası 002 tanımlanan bir alt klasör olarak dizin. Görüntüleri fotoğraf makinesinden silin.
- Renkli görüntüler PIV yazılımların işlemeyi etkinleştirmek için gri tonlamalı görüntüleri dönüştürün. Resim veri analiz yazılımı bir "imread()" işlevini kullanarak yüklemek. "Rgb2gray()" fonksiyonunu kullanarak görüntüleri bir kopyasını dönüştürmek ve kaydetme/bu yeni fotoğraf "imwrite()" işlevi kullanılarak yeni bir klasöre yazma.
Not: Bu işlem/veri analiz fonksiyonu birden çok türde veri analiz yazılımı için mevcuttur ve tam bir program araştırmacı tarafından yazılmıştır. Şekil 2 c örneğidir içinde Yakınlaştırılmış görüntüyü gri tonlamaya dönüştürülür ve oldu sonra PIV tarafından işlenen.
-
Hız alanlarını hesaplamak için PIV yazılımını kullanın.
- Gri tonlamalı görüntüler kümesini tek kare görüntü olarak PIV yazılım ortamı almak için Alma Sihirbazı'nı kullanın. "Dosya" tıklayarak alma başlamak ve o zaman seçme "Al" ve "Resimleri al". Görüntü Alma Sihirbazı iletişim kutusu görüntülenir. "Tek kare" içe aktarma seçeneği menüden seçin ve "Resim Ekle" düğmesini tıklatın. Kalibrasyon resmi seçin ve "Aç", bu "Görüntü için al" iletişim liste kutusu için görüntü ekler'ı tıklatın. Listenin üst görüntüdür görüntüleri içe aktarırken, kalibrasyon görüntü (Adım 2.1.9) ilk olarak ekleyin. "Resim Ekle" düğmesini yeniden tıklatın ve tüm veri yansımaları vurgulayın ve "Açık" onları "Görüntüleri için al" iletişim kutusuna eklemek için tıklatın. İstediğiniz görüntüleri seçildikten sonra "İleri" yi tıklatın. Kullanılan kamera ayarları giriş, kare oranı ve piksel aralığı iletişim kutularının içinde bulunur. "İleri" ve "alma işlemini tamamlamak için Finish"'ı tıklatın.
- Kalibrasyon görüntü görüntü kümesi ve giriş uzunluğu ölçek parametreleri ayrı PIV yazılım.
- İçerik listesinde zaten görüntülenmiyorsa, içe aktarılan görüntü ayarla'yı sağ tıklatın ve ekranın sol tarafındaki "içerik listesinde göster" veri tabanı ağacında seçin. Kalibrasyon görüntü ilk içe aktarılan görüntü olduğunu varsayarsak, listedeki ikinci görüntü sağ tıklayın ve "Bölünmüş Ensemble üzerinden burada" seçin. Sürükleyin ve yeni oluşturulan görüntü (sadece kalibrasyon görüntüyü içeren) ayarla "Yeni bir ayar" etiketli ekranın sol konuma bırakın.
- Yeni kalibrasyon görüntü kümesi sağ tıklatın ve "Ölçü ölçek faktörü" seçin. Kalibrasyon görüntü ekranda göründüğünde, "A" ve "B" işaretleri içinde görüntüde pozisyon cetveli (veya cetvel kullanılmasa boyutu biliyorum diğer nesne) ve "Mutlak mesafe" metin kutusuna işaretleri arasındaki mesafe girdi. Kalibrasyon ayarı kaydetmek ve iletişim kutusunu kapatıp kalibrasyon görüntü "Ölçü ölçek faktörü" iletişim kutusundaki "Tamam" düğmesini tıklatın.
- İçe aktarılan görüntü kümesi seçerek bir dizi görüntü çiftleri oluşturun ve "Analiz"'ı tıklatın. Sonraki "Çift çerçeve yapmak" kullanılabilir analiz yöntemleri listeden seçin. "(1-2, 2-3, 3-4,... seçin (N-1) çift resimleri) "stil seçeneği.
- Görüntü küme (kalibrasyon görüntüsü dışında) herhangi bir görüntü açın ve görüntü üzerinde sağ tıklayın ve "Parçacık yoğunluğu" seçin. Bir iletişim kutusu gösteren parçacıklar-ecek gözükmek üstünde belgili tanımlık perde tanıdı. Görünümünde bir sonda alanı bir Yakınlaştırılmış gösterecektir. Bu iletişim kutusundaki ayarlar sekmesini tıklatın ve en az 3 parçacıkların sürekli olarak görülen kadar sonda alanında "Sonda boyutu alanında" değiştirmek. Bu sonda alanı boyutu 4.2.5 adımda girilen sorgu alanı boyutu olacak.
- Seçili görüntü işleme algoritması ve ilişkili parametreleri PIV seçmek için ayarla "Analiz" komutunu kullanın. "Adaptive korelasyon" yöntemini seçin ve adım 4.2.5 uzayda bir vektör tanımlamak için kullanılan piksel alanını tanımlamak. (Bu işlem görüntüleri n × n piksel "Sorgu alanları" bir kılavuza bölen)
- Sorgu alanı boyutu "Sorgu alanları" sekmesini bulup (Bu yöntem, 32 piksel x 32 piksel kullanılan için) herhangi bir kullanılabilir sorgu alan boyutları 8 piksel en az ve en fazla 256 piksel arasında seçtikten ayarlayın. 4.2.3.1. adımda belirlenen değer girin.
- Oluşturulan vektörel çizimler yoğunluğunu artırmak için % 0, % 25, % 50 veya % 75 örtüşme aþaðý açýlan menüsünden seçerek sorguya alan "Üst üste" yüzde ekleyin.
- Ölçülen tahıl hızı alanı için "Tamam" "Adaptive korelasyon" iletişim kutusunda seçerek önde gelen çözümlemesi gerçekleştirin. Sistem analiz başlar. Sistem verileri işlerken, ilk vektör harita ekranda görünür. Onlar tatmin edici tahmini hız ve Şekil 2 cgörüldüğü gibi yön görüneceği yeri belirlemek için ilk birkaç hız alanı inceleyin. Hız alan gerçekçi görünmüyor analysis oturumu iptal tekrarlayın adım 4.2.4 ve çözümleme ayarlarını değiştirmek. (Analiz tamamlandığında FOV kapsayan bir vektör alanı için (Adım 4.2.3) kümesindeki her görüntü çifti oluşturulur). Şekil 2 c bir gri tonlamalı görüntü üzerinde overlaid çözümleme işlemi sırasında bir örnek tatmin edici vektör alanı gösterir.
Not: her n × n piksel sorgu alanı için karşılık gelen desen sonraki görüntü yakalanan karşı sorgu alanı içinde parlak noktalar alt grain ölçekli desen PIV yazılım karşılaştırır. Bu karşılaştırma, PIV yazılım bir deplasman alan ortalama vektörü belirler
ve son olarak, bölen tarafından çerçeveler, arasındaki zaman aralığı tarafından 
, alan-ortalama hız, 
nerede 
anlamına gelir Sorgu alan . Geçerli deneylerde her sorgu alan n x n oluşuyordu = 32 x 32 piksel; sorgu alanları her 210 x 160 mm FOV ayırmaktan toplam sayısı böylece 47 x 35, 1504 x 1128 piksele karşılık gelen oldu.
ve son olarak, bölen tarafından 
, alan-ortalama hız, 
nerede 
anlamına gelir Sorgu alan 5. işlem titreşim veri
Not: farklı bilgisayar sistemleri veya analiz yazılımı kullanılıyorsa adım 5 aynı anda adım 4 ile yapılabilir.
-
Açık veri analizi yazılım ve ivme getirmek için "load()" işlevini kullanarak boş titreşimli kase yaşındayken alınmış verileri (Adım 1.2.2). "Fft()" işlevini kullanarak veri hızlı fourier dönüşümü. "Komplo" işlevini kullanarak veri bir şekil oluşturun. Titreşimli kase medya (Adım 1.2.5) varken alınan verileri ile yineleyin.
Not: Bu işlem/veri analiz fonksiyonu birden çok türde veri analiz yazılımı için mevcuttur ve tam bir program araştırmacı tarafından yazılmıştır.- Moleküler hidrodinamik işlemler çalışma için birçok veri işleme işlemi genellikle gereklidir. Ana işlem yordamlar ana hatları için aşağıdaki temsilcisi sonuçları ve tartışma bölümlere bakın; Keanini, görmek ve ark. (2017) 12 nasıl ölçülen PIV veri hakkında ayrıntılı bilgi için moleküler hidrodinamik sistemleri dinamik bilgi ayıklamak için kullanılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Temsilcisi sonuçlarını sunan, biz sürekli-zaman-ölçek işlemleri bu gözlenen ve tahmini olarak zaman-ölçekler üzerinde bakın 
bu kadar karakteristik tahıl çarpışma zaman ölçeği göre çoğu 
ve parçacık-zaman-ölçek işler bu gözlenen ve zaman-ölçekler üzerinde tahmin 
, sırayla tarafındaki, ya da daha küçük olan 
nerede 
tahıl medya konteyner titreşim sıklığıdır.
Önerilen teknik eşzamanlı, sağlar entegre, ters PIV kamera örnekleme oranı değişen zaman ölçekler üzerinde birden çok parçacık, rasgele ve saat ortalama olarak dynamics kaybolmamış ve tek-parçacık deneysel bilgi superposed 
için deneysel çalışma, verilen herhangi bir uzunluk 
burada anlatılan sonuçları için 
kamera kare / saniye ve 
10,12 = s.
Sonuçları aşağıdaki gibi düzenlenir. İlk olarak, biz, tüm ölçümler sıkıştırılmış tahıl medya toplu, sıvı gibi akışında hareket güçlü denge koşulları altında elde edilen temsilcisi video klip, kullanarak göstermek; tamamlayıcı Filmler 1a-c bakın. Keyfi, dağınık şekilde sınırlı kamera sorgulama alan taneli akış yüzeyi üzerinde gözlenen yerel termodinamik denge, LTE, varlığını o zaman gösterdi; şekil 3' e bakın. LTE zayıf denge hareketle kanıtı — bireysel parçacık ölçeklerde yer ve tahıl medya içine titreşimsel enerji döngüsel enjeksiyonla üretilen — o zaman sunulur; bkz. şekil 4. Son olarak, uzun zaman ölçeği, denge taneli akar makul kilitten tam, ayrı, parçacık ölçekli kitle ve momentum koruma yasaları, Navier-Stokes (NS) sürümlerini kullanan tahmin edilebilir olduğunu gösteren aracı olarak Denklemler, biz bir karşılaştırma NS denklemler tarafından öngörülen karşı gözlenen zaman ortalama olarak tahıl akış alanlarının mevcut; bkz. şekil 6.
Bizim deneylerde titreşim güdümlü dynamics sekiz farklı gren medya, her ortam türü bir verilen şekil veya şekilleri, kütle yoğunluğu ve karakteristik, sabit boyut kümesi tarafından karakterize araştırıyoruz. Tüm deneyler, medya kase tahıl medya sabit bir toplam kütlesi ile doldurulur ve titreşim frekans ve genlik kase 29,3 Hz ve 2 mm sırasıyla sabittir. Tahıl akış desenleri, gözlenen tamamlayıcı film 1a'tasvir tüm sekiz medya için niteliksel benzer şunlardır: bir baskın, Radyal içe bileşeni dış kase hangi medya akımları yansıtan bir yavaş, sabit, üç boyutlu Helisel akışı Radyal içe doğru sınır kase 's iç sınır doğru zayıf bir azimut bileşeni ile birlikte. Böylece, ışık ve nötron saçılım ölçüleri aksine, tek-parçacık ve multi-particle-ölçekli istatistiksel mekanik ölçümler burada denge sigara akışı varlığında yapılmalıdır.
Sıkıştırılmış tahıl sistemleri ne yerel termodinamik denge denge sıvı akışı içinde ilk deneysel gösteri olacağına inandığımız izin verir. Şekil 3' te gösterildiği gibi bir sabit 4 x 4 mm sorgulama alanı tahıl kazık yüzeyi elde ölçülen yatay tuhaf tahıl hızını normalleştirilmiş histogramlar Maxwell-Boltzmann (MB) dağıtım işlevleri tarafından iyi formda. MB dağılımları, buna karşılık, bazı temel dinamik özelliklerin güçlü kanıtlar sağlamak: i) onlar çarpışma zaman ölçeği (dissipationless) Hamilton dynamics varlığı ile tutarlı, II) aynı şekilde varlığı ile tutarlı vardır hız bağımsız interparticle potansiyel enerjileri yanı sıra potansiyel bağımsız Kinetik enerjileri ve III) yerel, makroskopik, mekanik denge güçlü kanıtlar sağlarlar. Önemlisi, bu özelliklerin tümünü Dinamik özellikler geleneksel olarak denge sıvı-devlet moleküler hidrodinamik sistemlerinde kabul embodiments macroscale olarak yorumlanabilir.
Bireysel taneler istatistiksel mekanik ortaya çıkarmak için yerel tuhaf tahıl hız ölçülen yerel tahıl hız--dan hulâsa: Ben) ilk, periyodik spektral bileşenleri yerel ölçülen hız içinde yansıtan katı benzeri elastik titreşim tahıl yığının gerekir filtre (PIV-) ölçülen, zaman değişen hız sorgulama noktada görülmektedir. II) ardından, tahıl dinamikleri, tamamen sıvı gibi akışı kısmını gösteren yerel filtre hız kaydı yerel, zaman ortalama hız belirlemek için kullanılır (tüm deneysel dönemde, 
III) son olarak, yerel ortalama (filtre uygulanmış) hız zaman değişen yerel filtre uygulanmış hız--dan çıkarılır. Elde edilen zaman değişen hız kaydı sorgulama noktada gözlemlediği gibi Yerel tuhaf akışkan hızı, böylece temsil eder.
Eğer onlar sıvı-devlet moleküler hidrodinamik sistemleri - gerçek analogları hizmet etmek için LTE doğru tüm konumlarda geri almak için bir eğilim ötesinde makroskopik dinamik sistemleri-ikinci önemli özellik kümesi sahip olması gerekir: Yerel gelen zayıf rastgele dalgalanmalar denge, çarpışma ve alt-collision-zaman-ile tutarlı olan teraziler yer alarak Langevin dynamics Genelleştirilmiş. Burada, şekil 4' te, normalleştirilmiş tek-tahıl (kendine özgü) hızı otokorelasyon işlevi gösterildiği gibi 
, aynı nitel yapısı uzun yoğun gaz ve sıvı2,13 MD imkanı öngörülen sergiler : biraz II) bir genişletilmiş tarafından ardından değerleri, negatif i) bir hızlı, üstel olmayan, alt collision-zaman ölçeği Çürüme yavaş, sıfır geri doğru bir yaklaşım. Fiziksel ve tekrar MD tahmin tek molekül dinamiklerini yoğun sıvılar ile tutarlı gösterildiği şekil 4 uzun negatif kuyrukta görüntülenir komşu toplu etkisi yansıtacak şekilde2,4 tahıllar hareket bireysel taneler12. Teorik anlamda, kısa zaman birimi zamansal yapısı 
tam ile tutarlı ve açıklanabilir ın, genelleştirilmiş Langevin dynamics2.
Başka bir dinamik bileşen sıvı-devlet moleküler hidrodinamik sistemleri için akıllı bir makroskopik analog kurulması için gerekli toplu hidrodinamik merkezleri. İlk olarak, göreli olarak uzun zaman ölçekler üzerinde-uzun 
- ve büyük uzunluk-ölçeklerde-karakteristik tahıl boyut göre büyük 
-makroskopik sistem hidrodinamik tahmin ve gözlenen aynı kalıcı yanıtı yapısının sergilemek gerekir sıvı-devlet moleküler sistemler2,9,10. Yukarıda, yoğun sıvı sistemleri yanıt spontan dalgalanmalar ve bozuklukları - dışarıdan empoze belirtildiği gibi örneğin, parçacık ışınları saçılma deneylerde ve küçük-genlik titreşim bizim deneylerde – oluşur iki viscously sönümlü karşı yayılıyor ses modları, edilişi iki, diffusive kıvırma modları ve diffusive termal (entropi) modu. İkinci olarak, moleküler sistemleri gibi – makroskopik N-parçacık sistemleri uzun zaman ölçeği, büyük boy ölçekli toplu dinamikleri (tekrar, kütle ve enerji koruma dahil) NS denklemler izlemeniz gerekir.
Şu anda, makroskopik kalıcı yanıt, ile ilgili olarak sadece dolaylı deneysel sönümlü sıvı-devlet akustik modları kanıtımız: şekil 5' te gösterildiği gibi katı hal akustik duran dalgalar, dayatılan titreşim tahrik frekans, 
yanı sıra Harmonikler gibi bizim sıkıştırılmış tahıl yığınları gözlenir. Ne yazık ki, mevcut deneysel sistemde sınırlamaları nedeniyle, spectra yerel tuhaf sıvı hız akustik modlarında uygulamıyor. Böyle modları, yeni deneyler heyecanlandırmak için medya kase döngüsel etkisi tabi olacağı yapılacaktır. Katı hal akustik modları benzersiz varlığı üzerinde bağlı olarak, biz bu yaklaşım sıvı-devlet akustik modları geçirecek tahmin.
Buna karşılık, sıkıştırılmış tahıl yığınları toplu, makroskopik, uzun süreli ve büyük ölçekli dinamikleri NS denklemler itaat güçlü kanıtlar var. Şekil 6' da gösterildiği gibi kararlı duruma PIV ölçülen hız dağıtımları sıkıştırılmış bir yığın yüzeyinde ölçülen de NS denklemler14tarafından tahmin edilmektedir. Burada ayrıntılı olarak Mullany vd. 14, denklemler sayısal olarak PIV hız alan ölçümleri14' te kullanılan yüzey FOV karşılık gelen bir dikdörtgen, iki boyutlu etki alanı içinde çözülür. Simülasyonlar deneysel olarak ölçülen etkili tahıl viskozite kullanın ve dağınık şekilde değişen hız sınırı PIV ölçümler, dört etki alanı sınırları üçü tarafından belirlenen koşullar, empoze. Her ne kadar burada gerçek akış üç boyutlu ve medya kase 's Merkezi hub (ikinci kase bir donut/toroidal şekil veren) varlığı ihmal kesinlikle iki boyutlu akış, simülasyon varsayar, hataları tahmini ve gerçek arasında ortalama hız büyüklükleri sırasını yalnızca % 15 dir.
Şekil 1: kamera ve ışık ile titreşimli sistem deneysel Set-Up. Bu sistem ile bir tek hızlı (1740 rpm), dengesiz motorlu. 600 mm bir dış çapı olan bir annüler poliüretan kase oluşur Kamera ve aydınlatma sistemi titreşimli kase askıya ve yapıları veya sehpa değil titreşimli sistemi ile temas halinde desteklemek için bağlı. Bu kase hareket hareket kamera veya ışık neden olmaz olduğunu sağlar. Peristaltik pompa medya yağlamak için sürekli sıvı akış sağlar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Tamamlayıcı film 1: tipik tahıl akış Video. (bir) A tipik klip yüksek hızlı kamera tarafından çekilen gibi tahıl akış. (b) ağır çekim video medya teğet akışı sabit bir iş parçası normal akışına geçiren medya sabit bir iş parçası (c) ağır çekim video etrafında geçiyor. PIV ölçülen hız alanları (c) şekil 6teorik olarak hesaplanan hız alanlara karşı karşılaştırılır. Bu dosyaları indirmek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: işleme ve sonrası görüntü işleme örnek. yüksek hızlı kamera tarafından çekilen (bir) A tipik FOV tek görüntü. (b) A tipik kalibrasyon resim ölçekli cetvelle. (c) vınlamak içinde görüş-in hız vektör harita vektörler hesaplamak için kullanılan Çift Kişilik kare görüntüleri birinci karede overlaid. Vektörel çizimler arasında ilk ve ikinci kareyi çift çerçeve parçacık hareketi temsil eder. Hız aralıkları ~ 0 m/s (Bordo) 0,17 m/s (sarı) bu şekilde. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: Yerel istatistiksel mekanik denge deneysel kanıt. Dağılımları (f), gösterilen noktada ölçülen yatay kendine özgü (rastgele) tahıl hızını iki boyutlu Maxwell-Boltzmann (MB) hız dağıtımcılar tarafından uygun olan. (a-e) hızı (v), gösteriyor ve olasılık yoğunluğu (pdf) cm s-1 ve s cm-1, birimlerinde sırasıyla işlevlerdir ve tahıl türüne göre 1 cm kırmızı ölçekleri temsil eder. Gösterilen tahıl: (bir) RS19K; (b) karma ortam; (c) RS1010; (d) RCP0909; ve (e) RS3515. Bu rakam Keanini ve ark. değiştirildi Bilim raporları (2017)12. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: tek tahıl, kısa zaman birimi dinamiği. Hızı otokorelasyon fonksiyonu, 
, tek tahıllar tahıl çarpışmalar, karakteristik sayısı bir fonksiyonu olarak çizilen için 
, t zaman lag nerede ve titreşim frekansı. Çarpışma zaman birimi, tek tahıl dynamics sergi niteliksel bu taklit tahmin moleküler sıvı ve yoğun gazlar, dahil olmak üzere eğilimleri: (i) parçacık dinamiği, burada titreşim tahıl sıvı süreklilik cevaben tarafından belirlenen tuzağa 12, (ii) hızlı, üstel olmayan çürümesi zorla , genelleştirilmiş Langevin dynamics12ve yoğun gaz, sıvı ve karışık sıvı-katı termodinamik aşamaları12tezahürü (III) ile tutarlı. Bu rakam Keanini ve ark. değiştirildi Bilim raporları (2017)12. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: titreşim titreşim yanıt. Genlik spectra15yerel PIV tahıl hız ölçümleri ve aynı anda konteyner ivme ölçümleri, kararlı, gösterilir (bir ve b), anılan sıraya göre. PIV ölçüm konumu şekil 3fiçinde gösterilir; tahıl konteyner ivmelerini konteyner dışarıdan elde edilir. Rezonans akustik dalgalar Peaks'e spektrum (a), kendini gösteren tahıl kazık-konteyner sistemi içinde sözde rezonans akustik modları (b) içinde gösterilen boş konteyner içinde heyecan denk. Bireysel her iki tahıl ve bütün tahıl yığının akışkanlar dinamiği maruz katı benzeri akustik yanıt süzerek. Bu rakam Keanini ve ark. değiştirildi Bilim raporları (2017)12. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6: PIV ölçülen ve PIV arasında karşılaştırma öngörülen hız alanlar. sabit bir iş parçası etrafında normal akış için (bir) PIV - ölçülen hız alanı (FOV oldu sınırlı 91 x 198 CFD eşleştirmek için mm için belirtilen alan) vektör harita; oluşturmak için kullanılan medya Titreşimli görüntü üzerinde overlaid (b) CFD öngörülen hız alan sabit iş parçası etrafında normal akış için. Bu şekil 6b J. Navare16MSME tez değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sıkıştırılmış tahıl yığınları makroskopik analogları moleküler hidrodinamik işlemleri soruşturma için kullanmak için bir deneyci gerekir, bir yandan, öğrenmek ve dört temel ölçü birimlerinin kullanın ve diğer taraftan, denge birkaç temel unsurları master ve denge istatistiksel mekanik. İlk deneysel ölçümler odaklanarak, bu içerir: i) bireysel tahıl dinamiği tek-parçacık hızı otokorelasyon işlevi, zaman ortalama/uzun-zamanlı-ölçekli yüzey tahıl hız ölçümü II) ölçümü ile ölçülmesi alanları, III) ölçüm tahıl medya etkili viskozite ve IV) titreşim spectra medya kase, ortam dolu ve boş ölçümü.
Tek parçacık hızı otokorelasyon işlevi ölçümü
Bireysel parçacıkların, mevcut yöntemde, sıkıştırılmış tahıl ya da moleküllerin microscale sistemlerde rasgele dinamikleri ile tek parçacık hızı otokorelasyon işlevinin ölçüm okudu 2. Küçük, örneğin, moleküller, diatomic ve triatomic için moleküler sıvılarda yalnızca MD simülasyon2,6,7ile belirlenebilir. Buna karşılık, sıvı gibi sıkıştırılmış tahıl içinde bireysel tahıllar için kazık deneysel olarak belirlenebilir. Özellikle, sırayla güvenilir ölçü , sayı-in imge, 
seçilmiş (kamera) geçen herhangi bir verilen tahıl için elde edilen sorgu alan, 
, ya da sipariş tarafındaki olmalıdır karakteristik sayısı üst sınırı tahıl çarpışmalar, 
için gerekli 1, ilk bir büyüklüğü çürümeye 
, bazı küçük, sıfıra yakın büyüklüğü için. Bir etkili sıvı devlet12içinde mevcut tahıllar için hızla biraz negatif büyüklükleri-yaşlılık bkz, örneğin, şekil 4 - ve sonra yavaş yavaş reapproaches sıfır. Bu koşullar altında 
anlık kadar ortaya tahıl çarpışmalar karakteristik sayısı olarak tahmin edilebilir 
zaman 
böylece, 
nerede 
empoze tahıl bowl titreşim frekansı. Son olarak, olarak tahmin edilebilir 
nerede 
her iki yan-uzunluğu (kare) sorgu alanının temsil eder 
ile ilgili karakteristik boyutu veya 
(PIV-) ölçülür zaman ortalama hız büyüklüğü centroid, ve 
kamera kare hızını. Dikkat, bizim deneylerde, 
, böylece 
ve bu nedenle
Taneli sıvı devlet hidrodinamik ortaya çıkarmak için gerekli ölçümleri
Elastik dalga modları, özellikle Fonon modları, her iki dış anlamına gelir ve rasgele termal dalgalanmaları, heyecanlı sıvılar17,18içinde mevcut olduğu bilinmektedir. Şekil 5' te gösterildiği gibi sıkıştırılmış tahıl yığınları aynı şekilde titreşim zorlama katı benzeri elastik yanıt sergi. Bir sıkıştırılmış tahıl yığın sıvı gibi özelliklerini yalıtmak için iki ölçüm yapılması gerekir: Ben) elastik dalga modları yığının içinde-gerekir var Tanımlanan medya kapsayıcısı altında her iki (medya-) ivme spektrumu ölçerek yüklü ve boş koşulları ve II) saat ortalama tahıl hız, ya toplu eğitim eğer sıvı-devlet dynamics bireysel tahıl veya (çok) daha büyük sorgu alanı üzerinden araştıran bir küçük sorgulama alanını centroid ölçülmesi gerekir , tahıl sıvı akış alanı dinamiği süreklilik.
Bu ölçümler elde edilen bir kez ve sonra olarak Keanini vd. ayrıntılı 12 , PIV ölçülen toplam hız-tek tahıl veya tahıl-Koleksiyonlar tamamen elastik/katı-beğenmek spektral bileşenlerden toplam, konum ve zaman bağımlı hız spectra ölçülen filtre. Önemlisi, sonuç sıkıştırılmış tahıl tamamen sıvı gibi dinamikleri temsil etmek için kabul edilir. Yer ve zaman bağımlı süzülmüş tahıl sıvı hız-bir noktada ya da genişletilmiş bir alana – o zaman, göreve bağlı olarak göz önüne alındığında, bir dizi basit veri işleme işlemleri gerçekleştirilebilir. Örneğin, eğer bir ilgi gözlenen sürekli tahıl akış karşılaştırarak alanları karşı çıkmasına rağmen bir verilen hidrodinamik modeli ile örneğin, NS denklemler, öngörülen ve sonra konumu bağımlı saat ortalama hız alan sadece bilgisayar tarafından belirlenebilir her konuma göre değişir zaman değişen, zaman ortalama hız filtre. , Örneğin, şekil 6, yukarıya bakın. Eğer konum dinamikleri- ve zamana bağımlı tuhaf, Yani, rastgele hız alan ilgi, konumu bağımlı saat ortalama (filtre uygulanmış) hız konum ve zaman bağımlı (filtre uygulanmış) toplam hız çıkarılır. Bu işleme adımının, örneğin, tek parçacık hızı otokorelasyon işlevler, belirlemek için gereklidir 
Örneğin, bkz. şekil 4.
Son olarak, etkili dinamik veya kinematik viskozite, 
veya 
nerede 
ve 
ile ilişkili etkili tahıl sıvı yoğunluğu14 temsil merkezi olmayan-denge hidrodinamik taşıma özelliğini sallandı tahıl akar. Örneğin, deneysel olarak - veya teorik olarak-belirlenen değerleri veya 
tahıl akar Hesaplamalı hidrodinamik simülasyonlar gereklidir. Temel açıdan, deneysel değerleri veya bu özellikleri12istatistiksel mekanik Öngörüler karşılaştırarak doğrulamak için ihtiyaç vardır. Önemlisi, bizim grup yakında sıkıştırılmış tahıl, büyük bir aile için etkili dinamik ve kinematik viskozite ölçmek için basit bir viscometric teknik deneysel sistemimizde gözlemlediği gibi rapor verecek.
Teorik öğeleri
Bu bölümde, biz en az sayıda teorik fikirler ve yöntemleri bir deneyci ile eğitim ve moleküler sıvı moleküler hidrodinamik tahmin için bir analog olarak sıkıştırılmış tahıl yığınları kullanmaya çalışırken tanımak vurgulamak sistemleri. Klasik, kuantum sıvı sistemleri aksine için geçerlidir; Önerilen, çoğu durumda, kağıtları, Monografiler ve kitap çok sayıda temsilci başvurulardır. Bu fikirler ve yöntemleri en çok iki kategoriye, denge ve denge istatistiksel mekanik N-parçacık sistemleri ayrılır.
Denge istatistiksel mekanik, deneyci ilk sistem Hamilton19model gerekiyor. Hamilton N-parçacık sistemi çarpışma - ve alt-collision-zaman-ölçek dinamikleri açıklar ve genellikle sistemin toplam translasyonel kinetik enerji, modelleme bir dönem oluşur sistemin toplam potansiyel enerji, modelleme bir terim ve nerede parçacıklar geçmesi önemli dönme hareketi, servis taleplerini toplam dönme kinetik enerji yakalayan bir terim. N-parçacık sistemi Hamilton dinamiği sistemi iç enerji ya da etkili bir sistem sıcaklık veya basınç, gibi ilişkili denge termodinamik fonksiyonlar için biri genellikle sonraki uygun bir seçer istatistik topluluğu. N-parçacık sistemleri için gibi o bu yazıda, hangi enerji - burada, sözde sabit bir kaynak tarafından heyecanlı mısın multimodal titreşim tek frekans motoru ile - sabit enerji microcanonical ensemble19,20 üretilen okudu , 21 uygundur. Ancak, hesaplama sistemi entropi gibi termodinamik hesaplamalar bu topluluğu genellikle zor olduğundan, kurallı ensemble19 genellikle daha iyi bir seçimdir ve ayrıca, aynı denge termodinamik üretir microcanonical topluluğu yolu ile elde edilen fonksiyonlar.
Sistem Hamilton ve seçilmiş bir istatistik topluluğu göz önüne alındığında, bir tane daha sonra sistem bölümleme işlevi Q oluşturur = Q (N, V, T)19,23V ve T nerede sistemin denge birim ve sıcaklık,. Fiziksel olarak19,23, Q, prensip olarak, sisteme erişilebilir tüm olası enerji eyaletlerde, içerir. Pratik olarak, Q verilen ve bir denge termodinamik işlevi19,23ve sonra tüm denge ayrık N-parçacık sistem dinamiği bağlanma sözde köprü ilişkiler19,23 verilen N-parçacık sistemi ile ilgili termodinamik özellikleri hesaplanabilir. Biz ek bir noktası vurgulayın: düşük-genlik titreşim12' tahrik yüksek-restitüsyon tahıl yığınları gibi etkileşen sistemlerde çift korelasyon işlevi9,19 normal (bölümde görüntülenir işlev, Q) ve denge termodinamik özellikleri belirlemek için kararlı olması gerekir.
Sigara-denge istatistiksel mekanik çalışmalar kendiliğinden, yani, termal ve sigara-spontan, dışarıdan uygulanan nerede ikinci ortaya kayma degradeler kitle nedeniyle, yerel termodinamik denge hareketle momentum ve/veya enerji. Yorumlamak ve sıkıştırılmış tahıl sistemleri ve yerel denge - varsayarak zayıf hareketle sigara denge dinamiklerini tahmin için resmi, örneğin, sürekli sıvı akar tarafından NS denklemler - idare içinde dört teorik araçlar olmalıdır kabul öğrendim ve hakim.
İlk olarak, bireysel taneler denge dinamikleri göz önüne alındığında, tek ve basit, belleği boşaltmak Langevin denklem (LE)2,9,11 bir titiz olarak bu özellik eğitimi için sağlar. Özellikle, yoğun sıvı gibi Birleşik12, kısa, çarpışma zaman birimi, tek-tahıl dynamics modellenen üzerinde daha uzun zamanda ŞIYA kullanarak - söyle 10 çarpışma zamanlardan, ölçekler ve artık - Brown parçacık dinamiği, açıklayan LE, en iyi uygun12.
İkinci olarak, etkili tahıl viskozite yanı sıra etkili tahıl tahmin etmek için kendi kendine Difüzyon katsayıları2 - ilk, bir temel aktarım özelliği doğru bir şekilde sıkıştırılmış tahıl sıvıları, yeşil Kubo sürekli akışı model oluşturma için gerekli ilişkiler2,9,23 bulunmaktadır. Yeşil-Kubo ilişkiler uygulamak için bir deneyci nasıl bunlar elde edilen öğrenmek gerekir; nispeten basit sözcükler, örneğin, nimet & Yip2' bulunabilir.
Üçüncü aracı mekaniği sıkıştırılmış tahıl sistemlerinin bu kitle tam, ayrık parçacık sürümleri recasts bir titiz kaba graining yordamı9,12 ' ye karşılık gelen sigara denge İstatistik eğitimi için gerekli, Momentum ve enerji koruma yasaları süreklilik, yani, NS, formu içine. Yordamı, böylece titizlikle yaygın sıkıştırılmış tahıl sistemlerinin yanı sıra arasında yakın bağlantı anlamak için kavramsal temel sıvı gibi toplu dinamikleri süreklilik denklemler türetmek için gerekli köprü oluşturan Yerel denge termodinamik özellikleri, basınç, sıcaklık, Ses hızı ve sigara-denge, sürekli taşıma kitle, özgül ısı gibi momentum ve enerji.
Dördüncü olarak, ortaya çıkarmak ve büyük boy ölçekli yorumlamak için moleküler sıvı ve sıkıştırılmış tahıl sistemleri12, bir deneyci yayılmak hidrodinamik modları2,9 analizi ile tanımak Bu modlar. Kısaca,1,2,9moleküler sıvılar süreklilik yanıt saçılma olarak kirişler ve aynı şekilde, tahıl kazık süreklilik yanıt titreşim12, beş, birleştiğinde, doğrusal (varlığını ortaya koymaktadır i.e., zayıf), toplu modları. Modları birleştiğinde, beş sürekli ortaya çıkan kitle, ivme ve enerji koruma denklemleri ve fiziksel olarak korunmuş özellikleri kayma farklılıkları iletişim kalıcı süreçleri ortaya koyuyor. Bu kayma farklılıklar, sırayla, sürekli taşıma bu özelliklerin sürücü.
Değişiklikler ve sorun çekim
PIV ölçülerini kase çapı (kameranın görüş alanı daha fazla kenar efektleri kaldırmak istiyorsunuz test alanında neredeyse düz bir bölümünün üzerine dik nerede noktaya arttı) değiştirilebiliyordu. Ek yöntemler güç ya da basınç gibi diğer değişkenleri ölçmek için eklenebilir.
Deneysel kurmak mekanik parçaları sağlam ve çok az sorun giderme gerektirir. Medya birbirine yapışmasını görünüyorsa, FC çözüm oranı nispeten yumuşak hareket sağlamak için artırılabilir.
Sorun çekim bir çoğunluğu PIV veya veri analiz sistemleri olurdu. İlk ortak sorun görüntüleri doğru sırada alınmaz oluşur. Kamera görüntüleri ilk bir arabellek elde ettikten sonra tetiklemek için ayarlanmışsa, olduğu gibi bu negatif ve pozitif sayılar kullanılarak numaralandırılır Eğer bir görüntü kümesi yanlış bir bilgisayar dosya sisteminde sıralanmış. Bir dosya sistemi olumsuz numaralı resimler PIV yazılım ortamı sırayla yanlış çift için yol açar bir yanlış sırada almak için ayarla resim neden olacak doğrudan karşılık gelen olumlu numaralı imajlarını, yanında yer çerçeveler. Doğru sırada sıralanır sağlamak için yalnızca pozitif sayılar kullanarak görüntüleri yeniden etiketleyin.
PIV sistem görüntüleri içe aktarırken hata verirse, yanlış biçimde olmak görüntüleri nedeni büyük olasılıkla. Görüntüleri gri tonlamalı veri işleme yazılımı kullanarak ve PIV yazılım ortamı almadan önce TIFF biçiminde kaydedilen olun.
Kalibrasyon hataları şunlardan de ortak, olabilir ama işlem tamamlanana kadar her zaman tanıdı. İçe aktarılan görüntü kümeleri halinde "ishal, her biri kendi benzersiz kalibrasyon sahip" PIV yazılım ortamı ayırır. Bu nedenle, her yeni çalışma bir kalibrasyon görüntü (Adım 2.2.7) eklemeniz gerekir. Deneysel Kur veya görüş alanı kesinlikle hiçbir değişiklik ise kalibrasyon görüntüleri sadece çalışmaları arasında yeniden kullanılmış olabilir. Yeni bir resim dizisini varolan çalışma (Adım 4.2.1) alma işlemini başlatmadan önce seçilir Eğer çalıştırmak içine alınabilir. Bu imajın Çalıştır'ın varolan kalibrasyon görüntü kullanmak için ayarlayın, ama tüm görüntü kümeleri içinde koşmak aynı kamera ile yakalanır Eğer sadece yapılmalıdır sağlayacaktır.
Sınırlamaları
PIV ölçüm tekniği, mevcut yapılandırmasındaki ana sınırlamaları olan tahıl yatak sözde yatay ücretsiz yüzeye dik dikey tahıl hız bileşeni ölçemezsiniz. Gözlemlerimiz, ancak, dikey, kısa zaman ölçeği, rasgele (kendine özgü) hız bileşeni aynı büyüklük sırasında () olarak, büyük olasılıkla ise uzun-zaman-ölçek, süreklilik tahıl akış aslında ücretsiz yüzeyde yatay olarak kalmasını gösterir iki) yatay kendine özgü bileşenleri ölçülür. Böylece, bu sınırlama küçük tahıl yatak yüzey'nın sürekli akışı analizi üzerinde etkisi olmaz, o varsaymak makul olmakla birlikte kısa zaman ölçeği dikey rasgele hareket yatay bileşenleri için ölçülen alanındakiyle aynı istatistiksel özellikleri paylaşır 12.
Mevcut yöntemler açısından önemi
Bilgimizi, bu sıvı-devlet moleküler hidrodinamik süreçleri eğitimi için sıkıştırılmış tahıl yığınları Akıllı analog olarak kullanılabilir göstermek için ilk çalışmadır. Biri ışık, nötron veya bir sorgulama cilt1,2ve diğer hesaplama açısından dağınık yüksek frekanslı ses ölçer ölçeği moleküler dynamics yoğun sıvılar ve gazlar, çalışmak için iki yaklaşım vardır Moleküler dinamik sistemler6,7 simülasyonu. Onlar moleküler hidrodinamik işlemleri şimdi doğrudan sıkıştırılmış tahıl kazık dinamikler makroskopik deneysel ölçümler kullanılarak görülebilir olduğunu göstermek beri mevcut deney sonuçlarından önemli. Aynı derecede önemli, makroskopik istatistiksel mekanik ve bu çalışmada geliştirilen sürekli akışı modelleri tutarlı, nicel yorumu ve denge ve denge olmayan, tek-tahıl ve çok tahıl dinamiklerini tahmin sağlar. Şimdi, bir deneyci bu süreçler doğrudan, yan yol, örneğin, hesaplama açısından pahalı simülasyonları, ya da teknik olarak ölçek moleküler parçacık saçılım ölçüleri zorlu eğitim görebilirsiniz. Ayrıca, burada geliştirilen Kuramsal çerçeve Hesaplamalı akışkan dinamik (CFD) benzer akar14 ' te modelleme haklı göstermek için kullanılan
Gelecek uygulamaları
Makroskopik deneysel yöntem ve teorik modeller burada geliştirilen de çeşitli kitle bitirme işlemleri, örneğin, titreşimli14bitirme, geniş makine imalatında önemli olan eğitim için kullanılabilir bileşenleri. Ayrıca, sıkıştırılmış, yüksek-restitüsyon tahıl yığınları ve sıvı-devlet moleküler hidrodinamik sistemleri arasında dinamik bağlantıları keşfetmek burada başladı temel eser devam edecektir. Ayrı öğe yöntemi (DEM) kullanan bir model de geliştirilmekte olan ve üç boyutlu dinamik davranışını işlemleri bitirme gibi hesaplama açısından sıkıştırılmış tahıl moleküler hidrodinamik eğitim titreşimli model oluşturmak için kullanılan sistemleri. [DEM modelleri collisional Newton parçacık dinamiği tarafından yönetilir iken CFD simülasyonlar NS denklemler tarafından yönetilir DEM Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) farklıdır.]
İletişim kuralı kritik adımlar
Bu iletişim kuralı en kritik adımlarda başından itibaren ilk ayarlayın veya eşit FOV kapsar böylece sistem, özellikle kamera yerleşimi ile ilgili aydınlatma kase, diffüz olmalıdır, neden hiçbir yansımaları bulunduğunu doğrulayın Resimler, sürekli FC akış ve Kalibrasyon PIV sisteminin parlak. Kase ve kamera tripod/iskele ayarlarken, titreşimli sistem fotoğraf makinesi veya kamera destek sistemi kamera test boyunca kesinlikle sabit kalmasını sağlamak için herhangi bir bölümünü dokunmaz kontrol edilmelidir. Yeterli aydınlatma kamera test boyunca medyanın bireysel adet alabilirsiniz ve gölgeler ek oluşturmayın adet hayalet emin olmak için tüm test alanı bulunması gerekir. Çözüm ilk bir miktar medya "yağlanır" ve birlikte testin başında sadık olmadığından emin olmak için titreşimli sistemi başlamadan önce medya üzerinden terk gerekir. Parçaları birlikte kalmak için direnirseniz, temsil ettikleri artık moleküller birbirlerini etkileyen ve medya giyer ve onların boyut ve kütle değiştirir sürtünme neden. Kalibrasyon PIV sistemi veya değişkenleri doğru olarak sisteme girilmesi değil, sistem yanlış vektör yönünü ve büyüklükleri verecektir. Kalibrasyon doğru olduğundan emin olmak için cetvel ölçeğin görüntüde kolayca okunabilir kamerayla dik olmalıdır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu eser Office deniz araştırma tarafından (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik ve Keanini] desteklenen ve Kuzey Carolina Üniversitesi Charlotte'un Motorsporları Araştırma Lab. medya Rosler tarafından bağışlanan parlatma, gerçekleştirilen.
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
- Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
- Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (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. , ANU E Press. (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. Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. Lovesey, S. W., Springer, T. , Springer-Verlag. (1977).
- Forster, D. Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , Perseus. (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. , University of North Carolina at Charlotte. Charlotte, NC. MSME thesis (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. , 3rd ed, Elsevier. (2011).
- Gibbs, J. W. Elementary principles in statistical mechanics. , University Press. (1902).
- Toda, M., Kubo, R., Saito, N. Statistical physics I. , 2nd ed, Springer-Verlag. (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. , Springer. (1991).
