Summary
Eine experimentell zugängliche analoge Methode zur Untersuchung von molekularen hydrodynamischen Vorgänge in dichten Flüssigkeiten wird vorgestellt. Die Technik nutzt Particle Image Velocimetry geschüttelten, hohe Entschädigung Getreide Pfähle und ermöglicht die direkte, makroskopischen Beobachtung von dynamischen Prozessen bekannt und voraussichtlich in stark wechselwirkenden, hohe Dichte Gase und Flüssigkeiten vorhanden sein.
Abstract
Eine analoge, makroskopische Methode für das Studium molekularer Ebene hydrodynamische Prozesse in dichten Gasen und Flüssigkeiten wird beschrieben. Die Technik gilt ein standard Fluid dynamische Diagnostik, Partikel Bild Velocimetry (PIV) zu messen: i) Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen (Körner), auf kurze, Korn-Kollision erhaltene Zeitskalen, Ii) Geschwindigkeiten von Systemen von Partikeln auf kurz- Kollision-Zeit und lange, Kontinuum-Flow-Zeit-Skalen, Iii) kollektive hydrodynamischen Modi bekannt in dichten molekularen Flüssigkeiten und iv) Short und long-time-Skala Geschwindigkeit Autokorrelation Funktionen, zentral für das Verständnis Partikelskalierung Dynamik in stark wechselwirkenden, dichten Fluidsysteme. Das Grundsystem besteht aus ein bildgebendes System, Lichtquelle, Schwingungs Sensoren, Schwingungs-System mit einer bekannten Medien, PIV und Analyse-Software. Erforderlichen experimentellen Messungen und einen Überblick über die theoretischen Werkzeuge bei der analogen Technik auf um molekularer Ebene hydrodynamische Prozesse zu studieren, werden hervorgehoben. Die vorgeschlagene Technik bietet eine relativ unkomplizierte Alternative zu photonischen und Neutron beam Streumethoden traditionell in molekularen hydrodynamische Studien verwendet.
Introduction
Molekulare Hydrodynamik untersucht die Dynamik und statistische Mechanik von einzelnen Molekülen und Sammlungen von Molekülen in Flüssigkeiten. Unter den vielen experimentellen Techniken, entwickelt für das Studium der molekularen hydrodynamischen Systemen1,2, Lichtstreuung1,2,3, molekulare dynamische Simulationen4, 5,6,7 und in geringerem Maße, inelastischer Neutronenstreuung Streuung8 am häufigsten verwendet wurden. Leider legen erhebliche Einschränkungen auf die letzteren beiden Techniken. Molekulardynamik (MD)-Simulationen, zum Beispiel: (i) sind limitiert auf kleinen räumlichen und zeitlichen 
Domänen enthalten relativ wenige Moleküle 
, Ii) erfordern Einsatz ungefähre Inter Partikel Potentiale, (Iii) in der Regel einführen periodische Randbedingungen, ungültige unter nicht-Gleichgewichts-Bulk Strömungsverhältnisse und iv), zur Zeit die Frage nicht beantworten grundlegende wie molekularer Ebene Dynamik, an denen entweder einzelne Moleküle oder Sammlungen von Molekülen, sind davon betroffen und koppeln zurück zu bulk, nicht-Gleichgewichts-Strömung. Die Haupteinschränkung Neutronenstreuung zugeordnet ist, die Schwierigkeit der Zugriff auf die begrenzte Anzahl von Neutronen Strahlquellen zur Verfügung gebunden.
Um Kontext für die analoge experimentelle Technik, die in diesem Artikel vorgestellten bereitzustellen, markieren wir Lichtstreuung Techniken einfach dichten Gas und Flüssigkeit-Staat Flüssigkeiten. In einem typischen Lichtstreuung Experiment richtet ein polarisierten Laserstrahl an ein kleines Verhör-Band mit einer stationären Fluid-Probe. Von Molekülen in der Probe gestreuten Lichts wird dann in einigen festen Winkel im Verhältnis zu den einfallenden Strahl erkannt. Abhängig von der molekularen dynamischen Regime von Interesse beinhaltet Detektion und Analyse von verstreuten Lichtsignal leichte Filterung oder Licht Detektionsmethoden mischen. Wie beschrieben durch Bern und Pecora1Filtertechniken, die flüssigen Zustand Molekulardynamik pünktlich Sonde skaliert kürzer als 
s, führen Sie einen Post-Streuung Interferometer oder Beugungsgitter und scannen die spektrale Dichte des gestreuten Lichts. Optische Mischtechniken, verwendet für langsame Zeitskala Dynamik, 
s, enthalten im Gegensatz dazu, eine Post-Streuung Autocorrelator oder Spectrum Analyzer, in dem der spektrale Inhalt des gestreuten Signals wird das gemessene Streulicht entzogen Intensität.
In der Regel Laser-Sonden, mindestens Auftraggebern im sichtbaren Bereich des Spektrums haben Wellenlängen wesentlich länger als die charakteristischen Abstand zwischen flüssiger Zustand Moleküle. Unter diesen Umständen der Sonde Strahl reizt fünf Kollektiv, langsam Zeitskala, lange Wellenlänge hydrodynamischen Modi2,9,10 (langsam im Vergleich zu den charakteristischen Kollision Frequenz): zwei Blutschleim gedämpft, gegen Vermehrung Schallwellen, zwei abgekoppelt, rein diffusive Vorticity-Modi und einen einzigen diffusiven Thermal (Entropie)-Modus. Sound-Modi sind in (Längsrichtung) des einfallenden Strahls, begeistert, während die bejubelten Modi in Querrichtung angeregt werden.
Da rein experimentellen Techniken, zwei grundlegende Fragen, liegen im Herzen des Gleichgewichts und nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des molekularen Streuung, bleiben flüssiger Zustand Systeme jenseits von Licht und Neutronen-Streuung Messungen:
(1) strenge Argumente9,11 -Show, die die zufällige, Kollision - und sub-collision-Zeitskala Dynamik einzelner Moleküle der Flüssigkeit-Zustand, klassischen Newtonschen Dynamik oder Quantendynamik, in neu gefasst werden können die Form von generalisierten Langevin Gleichungen (GLE). GLE, umfassen wiederum ein zentrales theoretisches Werkzeug in der Studie der nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik von Molekülen in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Leider, da die Dynamik der einzelnen (nicht-makromolekulare) Moleküle von entweder Streuung Technik gelöst werden können, gibt es derzeit keine direkte Möglichkeit, über MD-Simulationen, die Gültigkeit der GLE testen.
(2) eine grundlegende Hypothese liegen im Herzen der makroskopischen Kontinuum Fluiddynamik, postuliert sowie Microscale molekulare Hydrodynamik, die auf - und Zeit-Längenskalen groß im Verhältnis zu molekularen Durchmessern und Kollision, aber klein im Vergleich zu Kontinuum Länge und Zeitskalen, herrscht lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTE). Im Kontinuum Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge Transfermodelle, wie die Gleichungen von Navier-Stokes (NS), ist die LTE-Annahme erforderlich9 um per se nicht-Gleichgewichts, Kontinuum-Skala Flow und Energie Transportfeatures paar — wie viskosen Scherspannungen und Wärmeleitung – streng Gleichgewicht thermodynamischen Eigenschaften wie Temperatur und innere Energie. Ebenso während Microscale Impuls und Energie Transport sind per se nicht-Gleichgewichts-Prozesse, spiegelt das Erscheinungsbild der gekoppelten, Microscale Masse, Impuls und Energieströme, Modelle dieser Microscale Prozesse davon ausgehen, dass die Ströme darstellen Sie kleine Störungen von LTE9. Wieder, nach bestem Wissen und gewissen gab es keine direkten experimentellen Tests der LTE Himmelfahrt. Insbesondere scheint es, dass keine molekulare hydrodynamischen Streuexperimente in dichten, bewegliche, nicht-Gleichgewichts Fluidströme versucht wurden.
In diesem Artikel beschreiben wir eine analoge experimentelle Technik in der makroskopischen, einzelne Partikel und kollektive Partikel Dynamik der geschüttelten Korn Pfähle, gemessen mit standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), indirekt Vorhersagen verwendet werden kann, interpretieren Sie, und setzen Sie Single und molecule Hydrodynamik in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Die physikalischen und theoretischen Elemente, mit denen die vorgeschlagene Technik sind in einer aktuellen Publikation unserer Gruppe12angegeben. Experimentell, das makroskopische System aufweisen muss: (i) eine anhaltende Tendenz zur lokalen, makroskopischen statistische mechanische Gleichgewicht und (Ii) kleine, lineare Abweichungen von Gleichgewicht, die (schwache) nicht-Gleichgewichts-Schwankungen zu imitieren beobachtet molekularen hydrodynamischen Systemen. Theoretisch: (i) die klassische Microscale Modelle zur Beschreibung das Gleichgewicht und die schwach-nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des dichten, interagierenden N-Partikel-Systeme müssen werden Neufassung in makroskopischen Form, und (Ii) die daraus resultierenden makroskopischen Modelle müssen zuverlässig Einzel- und mehrfach-Partikel Dynamik von kurz, Partikel-Kollision-Fristen zu lang, Kontinuum-Fluss-Zeitskalen vorherzusagen.
Hier präsentieren wir Ihnen ein detailliertes Protokoll der experimentellen als auch repräsentative Ergebnisse, die durch die neue Technik. Im Gegensatz zu MD-Simulationen und Licht und Neutron Streumethoden ermöglicht die neue Technik zum ersten Mal detaillierte Untersuchung der molekularen hydrodynamische Prozesse in fließenden, stark nicht-Gleichgewichts, dichten Gasen und Flüssigkeiten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Vorbereitung des Vibrations-Systems
-
Das schwingende System richten Sie ein, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieses System besteht aus einer ringförmigen Polyurethan Schüssel (mit einem äußeren Durchmesser von 600 mm), ein Singlespeed (1740 u/min), unsymmetrische Motor befestigt wo letztere Prozess Vibrationen erzeugt. Dies ist an eine gewichtete Basis befestigt und durch eine Gruppe von acht Federn (die Schüssel und gewichtete Basis sind gekauft, montiert in einem Stück) getrennt. Befestigen Sie die Schüssel Montage an seinem Stand und sichern mit zwei mitgelieferten Kautschuk-Haken. Peristaltische Pumpe auf einem Tisch in der Nähe der Schüssel legen und Pumpe Auslaufschlauch um Einlass Schmierstelle Schüssel legen.
- Der innere Radius der ringförmigen Schüssel aufgenommenen Schüssel Schwingungen niedriger Amplitude Bedingungen beimessen Sie einem triaxialen Beschleunigungssensor und verdrahten Sie den Beschleunigungsmesser mit Sensor Signal Conditioner. Stellen Sie die Signal Conditioner auf einen Tisch vom Vibrations System. Die Beschleunigungsmesser/Signal Conditioner Kombination gesteuert Daten Hardware/Software zur Datenerfassung auf einem standard-Computer installiert.
-
Bereiten Sie gewählte Medien, indem Sie in Wasser zu waschen und um zu trocknen. Verschiedene Arten von Medien wurden während der verschiedenen Experimente verwendet. Verwenden Sie für dieses Papier Poliergranulat gerade geschnitten Dreieck (10 x 10 mm x 10 mm Dreieck von vorne und 10 mm Dicke aus gesehen) Keramik.
- Bestimmen Sie die Medien Packungsdichte indem zuerst eine leere Plastiksack im Labormaßstab und die Waage tarieren. Füllen Sie den Plastiksack mit den gewählten Medien (nicht zu übertreffen 18,927 L (5 Gallonen) und nehmen das Gewicht der Medien (g oder kg). Für diese Art von Medien und aktuellen experimentellen Aufbau war das Gewicht 22,68 kg (50 lb).
- Stellen Sie den Eimer in ein großes Waschbecken oder außerhalb des Gebäudes von anderen Geräten. Füllen Sie den Eimer (dafür eingerichtet, ein 18,927 L (5 US gal) Eimer verwendet wurde) mit Wasser bis zur Markierung full und langsam senken den Plastiksack voller Medien in den Eimer. Nach die Plünderung der Medien vollständig eingetaucht sind, heben Sie langsam den Beutel aus dem Wasser zu vermeiden, spritzt und der Plünderung beiseite legen. Verwenden Sie einen 1000 mL graduierte Zylinder, füllen Sie den Eimer bis seine ursprüngliche Markierung full, Aufnahme den Gesamtbetrag der Wasser hinzugefügt. Diese Menge an Wasser hinzugefügt werden
wo ist das Material Packvolumen der Medien (für diese Einrichtung, 13.750 mL Wasser zurück in den Eimer hinzugefügt wurde). Die Menge an Wasser hinzugefügt werden abhängig von der Art der verwendeten Medien. - Berechnen Sie die Medien Packungsdichte durch die folgende Gleichung:
wo
ist die Packungsdichte der Medien und 
ist die Masse der Medien (für dieses Medium die Dichte wurde berechnet 1649 
).
- Stellen Sie den Eimer in ein großes Waschbecken oder außerhalb des Gebäudes von anderen Geräten. Füllen Sie den Eimer (dafür eingerichtet, ein 18,927 L (5 US gal) Eimer verwendet wurde) mit Wasser bis zur Markierung full und langsam senken den Plastiksack voller Medien in den Eimer. Nach die Plünderung der Medien vollständig eingetaucht sind, heben Sie langsam den Beutel aus dem Wasser zu vermeiden, spritzt und der Plünderung beiseite legen. Verwenden Sie einen 1000 mL graduierte Zylinder, füllen Sie den Eimer bis seine ursprüngliche Markierung full, Aufnahme den Gesamtbetrag der Wasser hinzugefügt. Diese Menge an Wasser hinzugefügt werden
- Aktivieren Sie das schwingende System durch Einstecken in die Steckdose (dieses Modell hat zwei Möglichkeiten, (1) schließen Sie an Wand oder (2) führen mit Timer angebracht um zu stehen). Aktivieren Sie Datenerfassungs-Software auf dem Computer zu, durch Drücken des "Start"-Pfeils auf der Benutzer Programm geschrieben und sammeln Sie Daten für 1 Minute. Beschleunigungsdaten werden sowohl für die sofortige Überprüfung (im Zeitbereich und Frequenzbereich) angezeigt und automatisch gespeichert, um eine CSV-Datei für die mögliche Nachbearbeitung. Ziehen Sie den Netzstecker aus der Steckdose um das schwingende System deaktivieren.
- Hinzufügen von Medien zur Vibrations Schüssel.
- Bereiten Sie Verbindung, bestehend aus 3880 mL Wasser und 120 mL finishing zusammengesetzten (FC) (3 % Volumen)-Lösung. Peristaltische Pumpe auf 1,9 L/h (drehen Kurzwahl auf 27 dieser Durchfluss zu erreichen), aber leiten Sie nicht fließen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lösung nicht rezirkuliert, aber reicht aus, um die Medien nass zu halten. (Diese Lösung ist eine häufig verwendete Vibrations-finishing-Lösung). Die Lösung dient als Schmier-Agent und sorgt für die Medien nicht zusammenkleben oder während des Verfahrens zermürben.
- Aktivieren Sie das schwingende System durch Einstecken in die Steckdose. Sammeln Sie Beschleunigungsmesser Daten gemäß Schritt 1.2.2. Ziehen Sie den Netzstecker aus der Steckdose um das schwingende System deaktivieren.
- Bestimmen Sie die Medien Packungsdichte indem zuerst eine leere Plastiksack im Labormaßstab und die Waage tarieren. Füllen Sie den Plastiksack mit den gewählten Medien (nicht zu übertreffen 18,927 L (5 Gallonen) und nehmen das Gewicht der Medien (g oder kg). Für diese Art von Medien und aktuellen experimentellen Aufbau war das Gewicht 22,68 kg (50 lb).
wo 
ist die Masse der Medien (für dieses Medium die Dichte wurde berechnet 1649 
).(2) high-Speed-Imaging
Hinweis: Für Geschwindigkeitsmessungen Feld Getreide zu erhalten, durch einen Teil der Fläche des fließenden Korn Haufens, der imaging-Bereich bildgebende 
entspricht das Sichtfeld (FOV) in Schritt 2.2.4 unten bestimmt. Messung von zeitlich veränderliche, individuelle Maserung Geschwindigkeiten (an der Oberfläche Haufen) erhalten Sie durch die Wahl eines kleinen, festen Sub-Bereich, 
, in 
wo, wie unten beschrieben, liegt im Bereich von der Projektionsfläche eine individuelle Maserung.
-
Richten Sie eine high-Speed-Kamera (die Kamera hat 1504 x 1128 Auflösung bis zu 1.000 Bildern pro Sekunde (fps)), Bilder zu erfassen, indem Sie sie auf einem Stativ oder bauen einen starren Rahmen mit dem Objektiv senkrecht zur offenen Oberfläche des Vibrations-Systems (wenn die Schale Vibra ist Ting) wie in Abbildung 1zu sehen. Diese starren Rahmen unterscheidet sich von der Schwingungs-System und sorgt dafür, dass die Schwingungen aus dem System Bildgebung nicht beeinträchtigen.
- Bringen Sie entsprechende Objektiv für gewünschte Oberfläche Integration und Auflösung. Verwenden Sie für das aktuelle Setup eine 18-250 mm Zoom-Objektiv mit und Objektiv Verhältnis 1:3.6 - 6.3. Befestigen Sie Stromversorgung und GPS-Antenne, Kamera. Schließen Sie Kamera an Computer über ein CAT5-Kabel an. Legen Sie die Kamera, so dass das Ende der Linse ca. 550 mm über der Oberfläche des Mediums ist.
Hinweis: Platzierung der Kameras zu nahe an die Medien bewirkt erhöhte Randeffekte und Platzierung der Kameras zu weit weg wird dazu führen, dass die Bilder zu dunkel, zu verarbeiten. Im angegebenen Abstand Fehler durch Randeffekte und allgemeine Krümmung der Testfläche ist < 2 %. - Entfernen Sie Objektivdeckel und starten Sie der Kamera-Software. Wenn er gestartet wurde, klicken Sie auf "Kameras", und klicken Sie dann auf "OK". Wenn Kameraliste aufgefüllt wird, wählen Sie die Kamera aus der Liste und klicken Sie auf öffnen.
- Klicken Sie in der Kamerasoftware auf dem Computer, auf der Registerkarte "Live" auf "Live" (blauer Pfeil) um die Kamera FOV anzuzeigen. Schalten Sie die Lichtquelle zur Beleuchtung der Region abgebildet werden. Dies kann kein helles Licht sein, solange es das Testgebiet gleichmäßig beleuchtet. Abbildung 1 zeigt die Kamera und leichte Konfiguration in Bezug auf das schwingende System.
- Um die Blende zu bestimmen, schauen auf den Bildschirm mit den live-Stream von der Kamera und stellen Sie die Blende auf seine niedrigste Einstellung (maximale Helligkeit). Wenn die Blende eingestellt ist zu gering, das Ergebnis ist eine geringe Schärfentiefe. Wenn die Blende zu hoch eingestellt ist, ist der Bildschirm zu dunkel. Für dieses Experiment wurde die Blende auf 3.6 festgelegt.
- Passen Sie die Brennweite am Objektiv, um die gewünschte FOV (210 x 160 mm für diesen Fall) zur Verfügung zu stellen. Für dieses Experiment einstellen der Brennweite bei 180 mm mit 550 mm über die mediale Oberfläche der Kamera. Abbildung 2a zeigt die FOV durch die Kamera.
- Digital vergrößern Sie 500 X Vergrößerung mit Hilfe der Kamerasoftware. Stellen Sie den Fokus-Ring am Objektiv für beste optische Schwerpunkt. Digitalen Zoom auf 100 % (Normalansicht) zurück.
- Klicken Sie unter Erwerb Einstellungen auf Computer auf "Rate [Hz]" und auf 500 Bilder pro Sekunde festgelegt.
Hinweis: Um Korn-Kollision-Zeitskala Dynamik zu beheben
, muss mindestens eine Größenordnung größer sein als die auferlegten Schwingungsfrequenz, 
(hier 
Hz) - Stellen Sie vor der Aufnahme von Bildern eine linierte Waage in das Sichtfeld; Dies stellt eine Längenskala für nachfolgende Bilddatenverarbeitung. Wählen Sie unter Übernahme Einstellungen auf Kamerasoftware Registerkarte "Aufnahme" unter "Live". Legen Sie "Record Modus" auf "Rundschreiben" und setzen Frames auf 1. Klicken Sie auf roten Kreis unter "Live"-Registerkarte, um ein einzelnes Bild aufzeichnen, wie in Abbildung 2 bzu sehen.
- Retten Sie das erfasste Bild als TIFF-Datei in eine bequeme Verzeichnis Verzeichnis (z.B. externe Festplatte) zu, indem Sie auf "Datei", und klicken Sie dann auf "Speichern Akquisitionen". Ein Dialogfeld mit mehreren Optionen angezeigt. Wählen Sie neben Dateityp im Dialogfeld .tiff aus dem Dropdown-Menü.
- Wählen Sie "Download-Optionen" Registerkarte am unteren Rand des Dialogfelds, und klicken Sie auf "Durchsuchen". Fügen Sie am oberen Rand des Dialogfelds den Namen des Ordners für den Test. Suchen Sie im Dialogfeld "Browse" und wählen Sie gewünschten Ort (z.B. externe Festplatte) und entsprechenden Ordner. Sobald Ordner ausgewählt wurde, klicken Sie "OK" dann "Speichern". Die Download-Manager-Box erscheint. Die Datei beginnt zu übertragen und in den Speicherort der Datei im Unterordner 001 angegeben gespeichert werden. Sobald das Bild übertragen, wird eine "Done" Status-Box auf dem Bildschirm angezeigt.
- Löschen Sie Bild von der Kamera durch Klicken auf die Schaltfläche "rote löschen".
Hinweis: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
- Bringen Sie entsprechende Objektiv für gewünschte Oberfläche Integration und Auflösung. Verwenden Sie für das aktuelle Setup eine 18-250 mm Zoom-Objektiv mit und Objektiv Verhältnis 1:3.6 - 6.3. Befestigen Sie Stromversorgung und GPS-Antenne, Kamera. Schließen Sie Kamera an Computer über ein CAT5-Kabel an. Legen Sie die Kamera, so dass das Ende der Linse ca. 550 mm über der Oberfläche des Mediums ist.
, muss mindestens eine Größenordnung größer sein als die auferlegten Schwingungsfrequenz, 
(hier 
Hz)3. Sammeln von Daten
Hinweis: Wenn das Protokoll angehalten wurde, wird die Kamera neu gestartet werden müssen. Folgen Sie Schritt 3.1. Wenn Protokoll nicht angehalten wurde, überspringen Sie Schritt 3.1.2.
-
Starten Sie Kamera-Software und aktivieren Sie Beleuchtung wie in Schritt2 angegeben.
- Überprüfen Sie mit Kamera-Software aktiviert Lichtverhältnissen zu und führen Sie wie in Schritt 2.2.2 live. um korrekte Fokussierung zu gewährleisten.
- Wählen Sie eine totale experimentelle Laufzeit,
Hinweis: Zwei konkurrierende Anforderungen müssen erfüllt sein: (i)
muss lang genug sein, dass statistisch stationäre Korn Strömungsverhältnisse gegründet, und (Ii) sollte nicht so lange, große Mengen von überflüssigen Daten zu produzieren. Die Zeitskala auf der stationäre Bedingungen erscheinen muss durch Ausprobieren ermittelt werden. Verschiedene Methoden der unterschiedlichen strenge, können verwendet werden. Zum Beispiel (i) sicherzustellen Sie, dass die Zeit durchschnittliche Korn Geschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt oder auf mehrere Fixpunkte, nominell feste Größe oder Größen erreicht, oder Ii) sicherstellen Sie, dass neben der stationären bedeutet, entsprechende Abweichungen auch nominell festen übernehmen Magnituden. Für dieses Experiment wurde die Datenerhebung für 10.12 s, Erwerb von 5060 Rahmen entspricht. Konstanten Bedingungen in den Faserverlauf setzte nach ca. 1 s.
-
Vibrierende Schüssel zu aktivieren.
- 150 mL finishing/Schmier-Verbindung (Schritt 1.2.4) gleichmäßig um die Schüssel zu ersten Benetzung der Medien zu verbreiten; und dann Platz Krug mit den restlichen zusammengesetzten auf dem Boden mit einem Schlauch an der peristaltischen Pumpe befestigt. Aktivieren Sie die peristaltische Pumpe (wie in Schritt 1.2.4) durch Umlegen des Schalters von "off", "im Uhrzeigersinn".
- Schalten Sie vibrierende Schüssel durch Einstecken in eine Steckdose und warten Sie mindestens eine Minute darauf sogar Benetzung und stetig fließenden Bewegung in allen Medien (stetig fließenden Bewegung tritt auf, wenn die Strömung der Flüssigkeit in die Schüssel von der peristaltischen Pumpe die Strömung der Flüssigkeit ablassen aus dem Abfluss Schüssel ungefähr gleich.
-
Video- und sammeln Daten zu erfassen.
- Sobald Flüssigkeit stetige Bewegung (Schritt 3.2.2) erreicht, die Kamera auslösen, indem Sie auf das rote Aufnahmesymbol auf dem Bildschirm und klicken Sie dann auf das Häkchen roten Auslöser zur Aufnahme von Bildern, für die gewählte Dauer, Zeit . Die Kamera speichert Bilder für den angegebenen und speichern Sie die Bilder auf seinem internen Speicher. Abbildung 2a ist ein Beispiel für ein einzelnes Bild aus einer Reihe von 5060 Aufnahmen.
- Sobald Daten gesammelt werden, Vibrations System Herunterfahren Sie, um den Stecker aus der Steckdose ziehen und deaktivieren Sie die peristaltische Pumpe durch Umlegen des Schalters aus "im Uhrzeigersinn" auf "off" zu.
Hinweis: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
- Sobald Flüssigkeit stetige Bewegung (Schritt 3.2.2) erreicht, die Kamera auslösen, indem Sie auf das rote Aufnahmesymbol auf dem Bildschirm und klicken Sie dann auf das Häkchen roten Auslöser zur Aufnahme von Bildern, für die gewählte Dauer, Zeit
muss lang genug sein, dass statistisch stationäre Korn Strömungsverhältnisse gegründet, und (Ii) 4. Ablauf Videodaten mit PIV
-
Vorbereiten der high-Speed Kamerabilder PIV-Verarbeitung.
- Speichern Sie die aufgenommenen Bilder als TIFF-Dateien nach den Anweisungen in Schritt 2.1.9. (Im aktuellen System gesammelt 5060 Bildrahmen über 10,12 s dauert über eine Stunde zu übertragen). Sobald Bilder übertragen werden, wird ein Status "Fertig" auf dem Bildschirm angezeigt. Die Dateien gespeichert werden, in das gleiche Verzeichnis wie die Kalibrierung Datei in einen Unterordner als 002 identifiziert. Löschen Sie Bilder von der Kamera.
- Wandeln Sie die Farbbildern in Graustufenbilder Verarbeitung durch die PIV-Software zu ermöglichen. Laden Sie die Bilder in der Datenanalyse-Software mithilfe einer "imread()"-Funktion. Konvertieren Sie eine Kopie der Bilder mit der Funktion "rgb2gray()" zu und speichern/schreiben diese neuen Bilder in einen neuen Ordner mit der "imwrite()"-Funktion.
Hinweis: Dieser Prozess/Daten-Analyse-Funktion ist verfügbar für mehrere Arten von Datenanalyse-Software und wird als ein komplettes Programm vom Forscher geschrieben. Abbildung 2 c ist ein Beispiel eines vergrößerten Bildes, nachdem es in Graustufen konvertiert und wurde wurde von PIV verarbeitet.
-
Verwenden Sie PIV Software zur Berechnung Geschwindigkeit Felder.
- Verwenden Sie den Import-Assistenten, um den Satz von Graustufenbildern als Einzelbild Bilder in der PIV-Software-Umgebung zu importieren. Beginnen Sie den Import, indem Sie auf "Datei" und wählen Sie dann "Importieren" und "Bilder importieren". Image Import-Assistenten im Dialogfeld wird angezeigt. Wählen Sie "Einzelbild" Option "importieren" aus dem Menü und klicken Sie auf "Bilder hinzufügen". Wählen Sie Kalibrierung Bild und klicken Sie auf "Öffnen", wodurch das Bild auf das Dialogfeld Liste "Bilder zu importieren". Beim Import von Bildern, die Kalibrierung Bild (Schritt 2.1.9) zuerst hinzufügen, so dass es das oberste Bild in der Importliste. Klicken Sie erneut auf "Bilder hinzufügen" Taste und markieren Sie alle Daten Bilder und klicken Sie auf "Öffnen", um sie zum Dialogfeld "Bilder zu importieren" hinzuzufügen. Wenn Sie alle gewünschten Bilder ausgewählt haben, klicken Sie auf "Weiter". Geben Sie die Kamera-Einstellungen verwendet, enthalten Sie Frame-Rate und Pixel Pitch in den Dialogfeldern. Klicken Sie auf "Weiter" und "Fertigstellen", um den Importvorgang abzuschließen.
- Die Kalibrierung Bild aus der Bild und geben Sie die Länge Skala Parameter in der PIV-Software trennen.
- Wenn das Inhaltsverzeichnis nicht bereits angezeigt wird, das importierte Bild Set Rechtsklick und wählen Sie "Inhalt-Liste anzeigen" auf der linken Seite des Bildschirms in der Basis Datenstruktur. Vorausgesetzt, dass die Kalibrierung Bild das erste importierte Bild war, das zweite Bild in der Liste einen Rechtsklick und wählen Sie "Split Ensemble from Here". Drag & drop das neu erstellte Bild eingestellt (enthält nur die Kalibrierung Bild) an die Position auf der linken Seite des Bildschirms mit der Bezeichnung "Neue Kalibrierung".
- Eingestellten neu platzierten Kalibrierung Bild einen Rechtsklick und wählen Sie "Maßnahme Skalierungsfaktor". Wenn die Kalibrierung Bild auf dem Bildschirm erscheint, positionieren Sie die "A" und "B"-Marker auf dem Bild Lineal (oder ein anderes Objekt der Größe, ob Herrscher nicht verwendet wurde) und geben Sie den Abstand zwischen den Markierungen im Textfeld "Absoluten Abstand". Klicken Sie auf "OK" im Dialogfeld "Skalierungsfaktor Maßnahme", die Kalibrierung Einstellung speichern und schließen Sie das Dialogfeld und die Kalibrierung Bild.
- Erstellen Sie eine Reihe von Bildpaare, indem Sie das importierte Bild Set auswählen, und klicken Sie auf "Analysieren". Als nächstes wählen Sie "Doppelrahmen machen" aus der Liste der verfügbaren Analysemethoden. Wählen Sie "(1-2, 2-3, 3-4... (N-1) doppelte Bilder) "style Option.
- Öffnen Sie ein Bild in der Bild-Gruppe (außer Kalibrierung Bild) und rechts auf Bild klicken Sie und wählen Sie "Teilchendichte". Eine Dialog-Box zeigt erkannt, dass Partikel auf dem Bildschirm angezeigt werden. Es zeigt eine vergrößerte angesichts einer Sonde Gegend. Klicken Sie auf Registerkarte "Einstellungen" in diesem Dialogfeld und ändern Sie "Sonde Größe Area" zu, bis ein Minimum von 3 Partikel sind konsequent im Bereich Sonde gesehen. Die Größe dieser Sonde werden die Größe des Verhörs in Schritt 4.2.5 eingegeben.
- Mit dem Befehl "Analyze" auf das ausgewählte Bild gesetzt, PIV Verarbeitung Algorithmus und die dazugehörigen Parameter zu wählen. Wählen Sie die Methode "Adaptive Korrelation" und definieren Sie den Bereich der Pixel, die verwendet wird, um einen Vektor im Raum im Schritt 4.2.5 definieren. (Dieser Prozess teilt Bilder in ein Raster aus n × n Pixel "Verhör Areas")
- Festgelegten Sie die Größe des Verhörs Registerkarte "Verhör Areas" suchen und auswählen eines der verfügbaren Verhör Flächengrößen zwischen dem Minimum von 8 Pixel und das Maximum von 256 Pixel (für diese Methode, 32 x 32 Pixel verwendet wurde). Geben Sie den Wert im Schritt 4.2.3.1 bestimmt.
- Zur Erhöhung der Dichte der Vektoren erstellt fügen Sie Verhör Bereich "Überlappen" Prozentsatz von 0 %, 25 %, 50 % oder 75 % Überlappung aus der Drop-Down-Menü auswählen hinzu.
- Durchführen Sie Analyse zur gemessenen Geschwindigkeit Getreidefeld durch Auswahl von "OK" im Dialogfeld "Adaptive Korrelation". Das System startet die Analyse. Da das System die Daten verarbeitet, wird die erste Vektorkarte auf dem Bildschirm angezeigt. Überprüfen Sie die ersten mehreren Velocity-Felder um festzustellen, ob sie durch geschätzte Geschwindigkeit und Richtung wie in Abbildung 2 cgesehen zufriedenstellend erscheinen. Wenn das Geschwindigkeitsfeld nicht realistisch erscheint, die Analyse-Sitzung abbrechen, wiederholen Sie Schritt 4.2.4 und ändern Sie Analyseeinstellungen. (Wenn die Analyse abgeschlossen ist, wird ein vectoring Feld, überspannt die FOV für jedes Bild im Set (Schritt 4.2.3) erstellt werden). Abbildung 2 c zeigt ein Beispiel zufriedenstellend Vektorfeld während des Analyseprozesses, die auf einem Graustufenbild überlagert worden.
Hinweis: Für jeden n × n Pixel Verhör Bereich die PIV-Software vergleicht das Muster der sub-grain-Skala Lichtblicke im Bereich Verhör gegen entsprechende Muster in das nächste Bild eingefangen. Aus diesem Vergleich der PIV-Software bestimmt Bereich gemittelt Verschiebungsvektor
, und schließlich, indem man durch das Zeitinkrement zwischen Frames, 
, die Durchschnitt Geschwindigkeit, 
wo 
bezieht sich auf Verhör Bereich . In den aktuellen Tests bestand jedes Verhör von n x n = 32 x 32 Pixel; die Gesamtzahl der Vernehmung Bereiche unterteilen je 210 mm x 160 mm FOV war somit 47 x 35, 1504 x 1128 Pixeln entspricht.
, und schließlich, indem man 
, die Durchschnitt Geschwindigkeit, 
wo 
bezieht sich auf Verhör Bereich 5. Schwingungs Prozessdaten
Hinweis: Schritt 5 kann gleichzeitig mit Schritt 4 durchgeführt werden, wenn verschiedene Computersysteme oder Analyse-Software verwendet wird.
-
Daten-Analyse-Software zu öffnen und mit der "load()" Funktion in den Beschleunigungssensor zu Daten, die erworben wurde, als die vibrierende Schüssel war leer (Schritt 1.2.2). Eine schnelle Fourier-Transformation der Daten mithilfe der Funktion "fft()" zu tun. Erstellen Sie eine Abbildung der Daten mithilfe der Funktion "Plot". Wiederholen Sie mit den Daten, die erworben wurde, als die vibrierende Schüssel Medien vorhanden (Schritt 1.2.5) hatte.
Hinweis: Dieser Prozess/Daten-Analyse-Funktion ist verfügbar für mehrere Arten von Datenanalyse-Software und wird als ein komplettes Programm vom Forscher geschrieben.- Um molekulare hydrodynamische Prozesse zu studieren, sind eine Reihe von personenbezogener Daten in der Regel erforderlich. Finden Sie die Vertreter Ergebnisse und Diskussion Abschnitten beschreibt die wichtigsten Verarbeitungsverfahren; siehe Keanini, Et Al. (2017) 12 für Details auf wie PIV Messdaten kann verwendet werden, um dynamische Informationen über molekulare hydrodynamische Systeme zu extrahieren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Repräsentative Ergebnisse zu präsentieren, wir verweisen auf Kontinuum-Zeitskala Prozesse als die beobachtete und prognostizierte über Zeitskalen, 
, die beziehen sich auf die charakteristische Maserung Kollision Zeitskala, lange 
und Partikel-Zeitskala Prozesse wie die beobachtete und prognostizierte über Zeitskalen, 
, sind in der Größenordnung von, oder kleiner als 
wo 
wird die Schwingungsfrequenz der Korn-Mediencontainer.
Die vorgeschlagene Technik bietet gleichzeitigen, integriert, überlagert experimentellen Daten auf Single-Teilchen und Multiple-Partikel, zufällige und Zeit gemittelt Dynamik erhaltenen auf Zeitskalen von der inversen PIV-Kamera-Sample-Rate, 
, die Länge jedes einzelne Versuch, 
für die hier vorgestellten Ergebnisse 
Kamera Bilder pro Sekunde und 
= 10.12 s.
Die Ergebnisse sind wie folgt strukturiert. Zunächst zeigen wir mit einem repräsentativen Videoclip, den alle Messungen unter stark nicht-Gleichgewichts-Bedingungen gewonnen werden, in denen die geschüttelten Korn Medien in kollektiven, Flüssigkeit-wie Strömung bewegen; siehe zusätzliche Filme 1a-c . Das Vorliegen von lokalen thermodynamischen Gleichgewicht, LTE, beobachtet in einem beliebigen, räumlich begrenzten Kamera Verhör Bereich auf der Oberfläche der körnige Strömung, dann werde; siehe Abbildung 3. Nachweis der schwache nicht-Gleichgewichts-Abfahrten von LTE – statt auf einzelne Partikel Skalen und produziert durch die zyklische Injektion von Schwingungsenergie in der Korn-Medien – wird dann vorgestellt; siehe Abbildung 4. Schließlich, als ein Mittel zur Demonstration, dass long-time-Skala, nicht-Gleichgewichts Granulat fließt einigermaßen vorausgesagt werden können, mit grobkörnigen Versionen von exakten, diskrete, Partikelskalierung Masse und Impuls Erhaltungssätze, hier der Navier-Stokes (NS) Gleichungen, präsentieren wir Ihnen einen Vergleich der beobachteten Zeit gemittelt Korn Strömungsfelder gegen die vorhergesagten durch die NS-Gleichungen; siehe Abbildung 6.
In unseren Experimenten untersuchen wir die Vibration-driven Dynamik von acht verschiedenen Korn Medien jeden Medientyp zeichnet sich durch eine bestimmte Form oder Mischung aus Formen, Massendichte und charakteristisch, festen Satz von Dimensionen. In allen versuchen die Medien-Schale ist gefüllt mit einer festen Gesamtmasse von Korn Medien und Vibrationsfrequenz und Amplitude der Schüssel sind bzw. 29,3 Hz und 2 mm fixiert. Wie dargestellt in ergänzenden Film 1a, Korn Fließstrukturen zu beobachten sind für alle acht Medien, qualitativ ähnlich: eine langsame, stetige, dreidimensionale spiralförmige Strömung, reflektieren eine dominante, radial nach innen Komponente, in denen Medien fließt aus der äußeren Schale Grenze radial nach innen in Richtung der Schüssel innere Grenze, mit einer schwachen azimutale Komponente kombiniert. So müssen im Gegensatz zu Licht und Neutronenstreuung Messungen, Messungen der statistischen Mechanik Single-Partikel - und multi-particle-Skala hier in Anwesenheit von nicht-Gleichgewichts-Fluss durchgeführt werden.
Geschüttelten Korn-Systeme ermöglichen, was wir glauben, die erste experimentelle Demonstration des lokalen thermodynamischen Gleichgewicht innerhalb der nicht-Gleichgewichts Flüssigkeit fließt. Wie in Abbildung 3dargestellt, sind die normalisierten Histogramme der gemessene horizontale besondere Maserung Geschwindigkeiten, bezogen auf einen festen 4 x 4 mm Verhör Bereich auf der Kornoberfläche Haufen well-fit durch Verteilungsfunktionen Maxwell-Boltzmann (MB). MB-Distributionen, wiederum starke Nachweis von mehreren grundlegenden dynamischen Eigenschaften: (i) sie stehen im Einklang mit der Existenz der Kollision-Zeit-Skala (dissipationless) Hamiltonian Dynamik, (Ii) sie sind ebenfalls im Einklang mit der Existenz von Geschwindigkeit-unabhängige Oberflächenkräfte Potenzial Energien sowie ein Potenzial-unabhängige kinetischen Energien und Iii) sie liefern starke Indizien für lokale, makroskopische mechanische Gleichgewicht. Wichtig ist, können alle diese Funktionen als makroskopischen Ausführungsformen der dynamischen Eigenschaften traditionell übernahm im Gleichgewicht flüssiger Zustand molekulare hydrodynamische Systeme interpretiert werden.
Um die statistische Mechanik der einzelnen Körner verfügbar zu machen, muss die lokalen eigentümliche Korn-Geschwindigkeit aus der gemessenen lokalen Getreide Geschwindigkeit extrahiert werden: ich) erste, regelmäßige spektrale Komponenten innerhalb der lokalen gemessene Geschwindigkeit reflektieren fest-wie elastische Schwingung des Haufens Korn muss gefiltert werden, aus der (PIV) gemessen, zeitlich veränderliche Geschwindigkeit zum Zeitpunkt der Befragung zu beobachten. II) als nächstes die lokalen gefiltert Geschwindigkeit Aufzeichnung, rein Flüssigkeit-wie Fluss-Komponente die Körner Dynamik darstellen wird verwendet, um die lokale Zeit durchschnittliche Geschwindigkeit bestimmen (über den gesamten Zeitraum der experimentellen, 
Iii) schließlich die lokale Durchschnittsgeschwindigkeit (gefiltert) wird von der zeitabhängige lokale gefilterte Geschwindigkeit abgezogen. Die daraus resultierende zeitlich veränderliche Geschwindigkeit Aufzeichnung stellt somit die lokalen eigentümliche Fluidgeschwindigkeit, dar, wie zum Zeitpunkt der Befragung zu beobachten.
Darüber hinaus eine Tendenz wieder, an allen Standorten in Richtung LTE, makroskopischen dynamischer Systeme – wenn sie als wahre Analoga von flüssiger Zustand molekularen hydrodynamischen Systemen - dienen sollen müssen besitzen eine zweite Reihe von wichtigen Eigenschaft: schwache zufällige Schwankungen von lokalen Gleichgewicht, generalisierte statt auf Kollision und sub-collision-Fristen, die mit übereinstimmen Langevin Dynamik. Hier, wie in Abbildung 4, die Autokorrelationsfunktion normalisierte Single-Korn (Eigen) Geschwindigkeit 
, zeigt die gleiche qualitative Struktur lange vorausgesagt in MD-Simulationen von dichten Gasen und Flüssigkeiten2,13 : (i) ein schnelle, nichtexponentielle, sub-collision-Zeitskala Verfall leicht negative Werte, gefolgt von (Ii) eine erweiterte, langsam, Ansatz zurück in Richtung Null. Körperlich und wieder Einklang mit MD-vorhergesagt Einzelmolekül-Dynamik in dichten Flüssigkeiten2,4 lange negative Schweif dargestellt in Abbildung 4 erscheint entsprechend den kollektiven Einfluss der benachbarten Körner auf die Bewegung des einzelne Körner12. In theoretischer Hinsicht, die kurzen Zeitskala zeitliche Struktur des 
ist voll und ganz entsprechen, und erklärbar, generalisierte Langevin Dynamik2.
Eine weitere dynamische Zutat notwendig zur Gründung einen prädiktiven makroskopischen Analog/flüssiger Zustand molekularen hydrodynamischen Systemen konzentriert sich auf kollektive Hydrodynamik. Erstens auf langen Zeitskalen – lange, relativ zum 
- und auf großen Längenskalen – groß im Verhältnis zu der charakteristischen Korn Dimension, 
-makroskopische System Hydrodynamik müssen die gleichen modal Antwortstruktur vorhergesagt und beobachtet aufweisen flüssiger Zustand molekulare Systeme2,9,10. Wie bereits erwähnt, die Reaktion der dichten Fluidsysteme zu spontanen Fluktuationen und außen aufgezwungen Störungen - z. B. besteht Teilchenstrahlen in Streuexperimente und kleiner Amplitude Schwingungen in unseren Experimenten – aus zwei Blutschleim gedämpft gegen verbreitende sound-Modi, zwei abgekoppelt, diffusiven bejubelten Modi und eine diffusive Thermal (Entropie) Modus. Zweitens: die long-time-Skala, großen Längenskala kollektive Dynamik der makroskopischen N-Partikel-Systeme – wie molekulare Systeme – die NS-Gleichungen (einschließlich wieder, Masse und Energie-Erhaltung) befolgen.
Wir haben gegenwärtig in Bezug auf makroskopische modale Antwort nur indirekte experimentelle Beweise für gedämpfte Flüssigkeit Zustand akustische Modi: wie in Abbildung 5dargestellt Solid-State- akustische stehende Wellen, getrieben an die auferlegten Schwingung Frequenz, 
sowie bei Oberschwingungen des werden in unseren geschüttelten Getreide Haufen beobachtet. Leider, aufgrund von Einschränkungen in der vorliegenden experimentellen System wir nicht beobachten akustische Modi in Spektren der lokalen eigentümliche Flüssigkeit Geschwindigkeit. Um solche Modi, neue Experimente zu begeistern werden erfolgen, in denen die Medien Schüssel unterliegt zyklischen Auswirkungen werden. Basierend auf die eindeutige Existenz von Solid-State-akustische Modi, erwarten wir, dass dieser Ansatz Flüssigkeit Zustand akustische Modi verfügbar gemacht wird.
Im Gegensatz dazu haben wir starke Hinweise, dass die kollektive, makroskopischen, langjährige und große Dynamik geschüttelten Korn Pfähle die NS-Gleichungen gehorchen. Wie in Abbildung 6dargestellt, sind PIV gemessen Steady-State Geschwindigkeit Verteilungen auf der Oberfläche eines geschüttelten Haufens gemessen durch das NS-Gleichungen-14gut vorhergesagt. Hier, wie in Mullany Et al. 14, die Gleichungen werden in einer rechteckigen, zweidimensionale Domäne entspricht der Oberfläche FOV in PIV Geschwindigkeit Feld Messungen14verwendet numerisch gelöst. Die Simulationen verwenden Sie experimentell gemessene effektive Korn Viskositäten und räumlich variierende Geschwindigkeit Randbedingungen, bestimmt durch PIV-Messungen an drei der vier Domänengrenzen zu verhängen. Obwohl die Simulation übernimmt ausschließlich zwei dimensionale fließen, wo der aktuelle Durchfluss ist dreidimensional, und vernachlässigt das Vorhandensein von den Medien Schüssel zentralen Hub (das letztere geben der Schüssel einer Donut/toroidal Form), durchschnittliche Fehler zwischen erwarteten und tatsächlichen Geschwindigkeit-Größen sind nur in der Größenordnung von 15 %.
Abbildung 1: Versuchsaufbau Vibrations System mit Kamera und Beleuchtung. Dieses System besteht aus einem ringförmigen Polyurethan-Bowl mit einem äußeren Durchmesser von 600 mm, mit einem Singlespeed (1740 u/min), unsymmetrische Motor. Die Kamera und Beleuchtung sind über die vibrierende Schüssel aufgehängt und befestigt Strukturen oder Stative nicht in Kontakt mit der Vibrations-System unterstützen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bewegung der Schüssel keine Bewegung in die Kamera oder das Licht verursacht. Die peristaltische Pumpe liefert kontinuierliche Strömung um die Medien zu schmieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Ergänzende Film 1: Typische Grain Flow Video. (ein) A typische Clip von der Faserverlauf wie von der high-Speed-Kamera aufgenommen. (b), Slow-Motion-Video von Medien in tangentialer Umströmung einer stationären Werkstück (c) Slow-Motion-video der Medien im normalen Ablauf in einem stationären Werkstück. Theoretisch berechneten Geschwindigkeit Felder in Abbildung 6sind die PIV-gemessene Geschwindigkeit Felder in (c) verglichen. Bitte klicken Sie hier, um diese Dateien herunterzuladen.
Abbildung 2: Beispiel Verarbeitung und Post-Processing Bilder. (ein) A typische FOV Einzelbild von high-Speed-Kamera aufgenommen. (b) ein typisches Kalibrierung Bild mit einem skalierten Lineal. (c) Zoomed angesichts Geschwindigkeitsvektor Karte überlagert, der erste Frame der Doppelrahmen Bilder verwendet, um die Vektoren zu berechnen. Die Vektoren repräsentieren die Teilchenbewegung zwischen ersten und zweiten Frames von den Doppelrahmen. Die Geschwindigkeit reicht von ~ 0 m/s (dunkelrot), 0,17 m/s (gelb) in dieser Abbildung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: experimentelle Beweise für lokale statistische mechanische Gleichgewicht. Verteilung der horizontalen eigentümliche (zufällig) Korn Geschwindigkeiten, gemessen an der Stelle gezeigt (f), sind durch zwei dimensionale Maxwell-Boltzmann (MB) Geschwindigkeit Verteilungen passen. (a-e) zeigt Geschwindigkeiten (V), Wahrscheinlichkeitsdichte Funktionen (Pdf) sind jeweils in der Einheit cm s-1 und s cm-1, und die rote Waage stellen 1 cm durch Getreidesorte. Die Körner dargestellt sind: (ein) RS19K; (b) Mixed-Media; (c) RS1010; (d) RCP0909; und (e) RS3515. Diese Zahl verändert wurde, von Keanini Et Al. in der Wissenschaft berichtet (2017)12. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Single Grain, kurzen Zeitskala Dynamik. Die Geschwindigkeitsfunktion Autokorrelation, 
, für einzelne Körner, dargestellt als Funktion der Kennzahl Korn Kollisionen, 
, wo t ist die zeitliche Verzögerung und ist die Frequenz der Schwingung. Kollision-Zeitskala, kein Körnchen Dynamik zeigen Tendenzen qualitativ imitiert die prophezeite im molekularen Flüssigkeiten und dichten Gasen, einschließlich: (i) gefangen Partikel Dynamik, hier durch das Kontinuum Beantwortung der Korn Flüssigkeit Schwingungs bestimmt zwingen,12, (Ii) schnelle, nicht-exponentiellen Zerfall in , im Einklang mit generalisierten Langevin Dynamik12und (Iii) Manifestation der dichten Gas, Flüssigkeit und gemischte flüssig-fest thermodynamischen Phasen12. Diese Zahl wurde von Keanini Et Al. modifiziert in der Wissenschaft berichtet (2017)12. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: Schwingungs Reaktion auf Vibration. Amplitude Spectra15, ermittelt aus lokalen PIV Korn Geschwindigkeitsmessungen und gleichzeitige Container Beschleunigungsmessungen sind dargestellt (a und b), beziehungsweise. Der PIV Messort wird in Abbildung 3fgezeigt; von der Außenseite des Behälters sind Korn Container Beschleunigungen. Resonante Schallwellen im System Korn-Stapel-Container, manifestiert von Gipfeln in dem Spektrum (a), decken sich nominell mit akustischen Resonanzmoden aufgeregt in den leeren Behälter, in (b) gezeigt. Die Fluiddynamik sowohl einzelne Körner und das gesamte Getreide Haufen durch Filterung der fest-wie akustische Reaktion ausgesetzt sind. Diese Zahl verändert wurde, von Keanini Et Al. in der Wissenschaft berichtet (2017)12. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: Vergleich zwischen PIV gemessen und PIV vorhergesagt Geschwindigkeit Felder. (ein) PIV - gemessene Geschwindigkeitsfeld für normalen Umströmung einer stationären Werkstück (FOV wurde beschränkt auf 91 x 198 mm entsprechend den CFD angegeben Bereich) überlagert, Bild von vibrierenden Medien zur Erstellung der Vektorkarte; (b) CFD vorhergesagt Geschwindigkeit Feld für normalen Umströmung stationären Werkstück. Diese Abbildung 6 b wurde von der KKMU These von J. Navare16geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Um geschüttelten Korn Pfähle als makroskopische Analoga verwenden für die Untersuchung von molekularen hydrodynamische Prozesse, ein Experimentator muss, auf der einen Seite lernen und verwenden Sie vier grundlegende Messungen und andererseits beherrschen einige Grundelemente des Gleichgewichts und nicht-Gleichgewichts statistischen Mechanik. Erster Schwerpunkt experimentelle Messungen, dazu gehören: (i) Messung der individuellen Maserung Dynamik durch Messung der einzelnen Partikelgeschwindigkeit Autokorrelationsfunktion, Ii) die Messung der Zeit-Durchschnitt/long-time-Scale Oberfläche Korn Geschwindigkeit Felder, Iii) Messung von Korn Medien effektiv Viskositäten und iv) Messung der Vibration Spektren der Medien Schale, leer und gefüllt mit Medien.
Messung der einzelnen Partikels Geschwindigkeit Autokorrelationsfunktion
Die zufällige Dynamik der einzelnen Partikel, entweder Moleküle im Microscale Systeme oder geschüttelten Körner in dem vorliegenden Verfahren sind über Messung der einzelnen Partikels Geschwindigkeit Autokorrelationsfunktion, studierte 2. Für kleine, z.B., zweiatomiges und dreiatomigen Molekülen in molekularen Flüssigkeiten können erst durch MD Simulation2,6,7ermittelt werden. Im Gegensatz dazu, für einzelne Körner im geschüttelten Flüssigkeit-wie Getreide Haufen experimentell ermittelt werden. Konkret im Auftrag zuverlässig messen , die Anzahl der Bilder, 
erhalten für jede gegebene Getreide durch die gewählte (Kamera) Verhör Bereich, 
in der Größenordnung von sein sollte oder sollte die charakteristische Anzahl überschreiten Korn-Kollisionen, 
für Verfall von eine anfängliche Stärke von 1, 
, einige kleine, in der Nähe von Null Größenordnung. Für Getreide, die in einer effektiven flüssigen Zustand12, existieren zerfällt schnell zu etwas negativen Größen – siehe z. B. Abbildung 4 – und dann langsam Reapproaches Null. Unter diesen Umständen 
abgeschätzt werden, wie die charakteristische Anzahl der Korn-Kollisionen, die auftreten, bis zu dem Augenblick, 
bei 
so 
wo 
ist die auferlegte Korn Schüssel Schwingungsfrequenz. Zu guter Letzt abgeschätzt werden, wie 
wo 
stellt entweder die Seitenlänge des Gebiets (Quadrat) Verhör, 
oder eine charakteristische Dimension zugeordnet 
(PIV-) bemisst sich Zeit-Durchschnitt Geschwindigkeitsbetrag auf den Schwerpunkt des und 
ist die Framerate der Kamera. Hinweis in unseren Experimenten, 
, so dass 
und damit
Granulare flüssigen Zustand Hydrodynamik aussetzen notwendigen Messungen
Elastische Welle Modi, speziell Phonon Modi, begeistert sowohl externe Mittel und zufällige thermische Schwankungen sind bekannt in Flüssigkeiten17,18. Wie in Abbildung 5dargestellt, weisen geschüttelten Getreide Haufen ebenso fest wie elastische Reaktion zu zwingen, Schwingungs. Um die Flüssigkeit-wie Eigenschaften eines geschüttelten Korn Haufens zu isolieren, müssen zwei Messungen durchgeführt werden: ich) elastische Welle Modi im Stapel müssen identifiziert werden, durch die Messung der Beschleunigung Spektrum des Behälters Medien unter beiden (Medien-) geladen und unbelasteten Bedingungen, und Ii) die Zeit-Durchschnitt Getreide-Geschwindigkeit gemessen werden, entweder auf den Schwerpunkt eines kleinen Verhör Bereich wenn flüssiger Zustand Dynamik der einzelnen Körner oder großflächig (viel) größer Verhör untersuchen, wenn das Kollektiv zu studieren , Kontinuum Dynamik der Flüssigkeitsströmung Getreidefeld.
Sobald diese Messungen erhalten sind, und dann als detaillierte in Keanini Et al. 12 , der rein elastischen/fest-wie spektralen Anteile der PIV-gemessen insgesamt Geschwindigkeit – entweder für einzelne Körner oder Sammlungen von Körner – wird aus den gemessenen Spektren der gesamten, Ort und Zeit-abhängige Geschwindigkeit gefiltert. Wichtig ist, wird angenommen, dass das Ergebnis rein Flüssigkeit-ähnliche Dynamik der geschüttelten Körner darstellen. Angesichts der Lage und zeitabhängige gefilterte Korn Fluidgeschwindigkeit – zu einem Zeitpunkt oder auf einer erweiterten Fläche – dann, je nach Aufgabe, kann eine Reihe von einfachen DV-Verfahren durchgeführt werden. Zum Beispiel wenn man interessiert ist beim Vergleich der beobachteten Kontinuum Faserverlauf vorhergesagt Felder gegen diejenigen von einem bestimmten hydrodynamischen Modell, z. B. die NS-Gleichungen, und dann das Geschwindigkeitsfeld ortsabhängigen Zeit-Durchschnitt ermittelt werden, indem man einfach im zeitlichen Mittel unterschiedlicher jedes ortsabhängigen, Zeit, gefiltert, Geschwindigkeit. S.o., z. B. Abbildung 6. Wenn die Dynamik des Standortes- und zeitabhängig eigentümliche, d.h.zufällige Geschwindigkeitsfeld sind von Interesse, die ortsabhängigen Zeit-Durchschnitt (gefilterte) Geschwindigkeit ist die Lage und zeitabhängig (gefiltert) total Geschwindigkeit abgezogen. Dieser Verarbeitungsschritt ist erforderlich, z. B. Ermittlung der einzelnen Partikels Geschwindigkeit Autokorrelation Funktionen, 
siehe zum Beispiel Abbildung 4.
Schließlich die effektive dynamische oder kinematische Viskosität, 
oder 
wo 
und 
wird die effektive Korn Flüssigkeitsdichte14 stellt die zentrale nicht-Gleichgewichts hydrodynamischen Transport-Eigenschaft zugeordnet vibriert Korn fließt. Z. B. experimentell oder theoretisch ermittelten Werte des oder 
in computational hydrodynamischen Simulationen von Korn Ströme erforderlich sind. Aus Sicht grundlegende Erfahrungswerte von oder sind notwendig, um diese Eigenschaften12statistische mechanische Vorhersagen zu überprüfen. Wichtiger ist, wird unsere Fraktion bald eine einfache viskosimetrischen Technik zur Messung der effektiver dynamischen und kinematischer Viskositäten für eine große Familie von geschüttelten Körner, berichten, wie in unserem experimentellen System beobachtet.
Theoretischen Elemente
In diesem Abschnitt beleuchten wir einen minimalen Satz von theoretischen Ideen und Methoden, die, denen ein Experimentator beim Versuch kennenlernen sollte, geschüttelten Korn Pfähle als analoges zu verwenden, für das Studium und Vorhersage der molekularen Hydrodynamik molekulare Flüssigkeit Systeme. Folgendes gilt für Klassik, im Gegensatz zu flüssigen Quantensysteme; Empfohlene Referenzen sind in den meisten Fällen, Vertreter einer großen Zahl von Veröffentlichungen, Monographien und Bücher. Diese Ideen und Methoden sind am häufigsten in zwei Kategorien, Gleichgewicht und nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des N-Partikel-Systeme getrennt.
In der statistischen Mechanik Gleichgewicht muss der Experimentator zunächst das System Hamiltonian19modelliert. Der Hamiltonian beschreibt die Kollision - und sub-collision-Zeitskala Dynamik des N-Teilchen-System und besteht typischerweise aus einem Begriff Modellierung des Systems insgesamt Translatorische kinetische Energie, ein Begriff, die Modellierung des Systems insgesamt potentielle Energie, und in Fälle, wo Partikel erhebliche Drehbewegung unterziehen, ein Begriff erfassen die gesamte Rotations kinetische Energie. Um die Hamiltonian Dynamik des N-Teilchen-System herstellen einer damit verbundenen Gleichgewicht thermodynamischen Funktionen, wie das System innere Energie, oder die effektive Systemtemperatur oder Druck, in der Regel als nächstes wählt man eine geeignete statistische Ensemble. Für N-Partikelsysteme untersucht, wie diejenigen in diesem Papier, die begeistert sind von nominell festen Energiequelle - hier, multimodale Vibration erzeugt durch einen einzigen Frequenzmotor - die feste Energie mikrokanonischen Ensemble19,20 , 21 ist angebracht. Jedoch da Thermodynamische Berechnungen, wie die Berechnung der Entropie des Systems, in der Regel schwer in diesem Ensemble sind, die kanonische Ensemble19 ist in der Regel die bessere Wahl, und darüber hinaus produziert die gleichen thermodynamischen Gleichgewicht Funktionen über das mikrokanonischen Ensemble erhalten.
Angesichts des Systems Hamiltonian und eine ausgewählte statistische Ensemble, man konstruiert dann die System Partitionsfunktion Q = Q (N, V, T)19,23, wo V und T des Systems Gleichgewicht Volumen und Temperatur sind. Physisch19,23, Q enthält alle möglichen Energiezustände, die im Prinzip, auf das System zugegriffen werden. Praktisch, Q gegeben, und die so genannte Brücke Beziehungen19,23 ein Gleichgewicht thermodynamische Funktion19,23, und dann alle Gleichgewicht diskrete N-Teilchen-Systemdynamik herstellen thermodynamische Eigenschaften, verbunden mit dem N-Teilchen-System können berechnet werden. Wir markieren einen Zusatzpunkt: In interagierende Systeme, wie z. B. hohe Entschädigung Getreide Haufen angetrieben durch niedrige Amplitude Vibration12, paar Korrelation Funktion9,19 erscheint in der Regel (in der Partition Funktion, Q) und Ermittlung Gleichgewicht thermodynamischen Eigenschaften bestimmt werden muss.
Non-Gleichgewicht statistischen Mechanik Studien spontan, d. h. thermische und spontan, extern auferlegte Abfahrten vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht, wo diese entstehen aufgrund der räumlichen Gradienten in Masse, Impuls und Energie. Um interpretieren und Vorhersagen, nicht-Gleichgewichts Dynamik geschüttelten Korn Systeme und übernehmen schwache Abweichungen von lokalen Gleichgewicht - auszugehen das Bild, zum Beispiel im Kontinuum Fluidströme geregelt durch die NS-Gleichungen - vier theoretische Werkzeuge sollten gelernt und gemeistert.
Erstens bieten in Anbetracht der nicht-Gleichgewichts-Dynamik der einzelnen Körner, die GLE, und die einfachere, Speicher freizugeben Langevin Gleichung (LE)2,9,11 eine rigorose Grundlage für das Studium dieses Feature. Insbesondere sind kurz, Kollision Zeitskala, Single-Korn Dynamik in dichten Flüssigkeit-ähnliche Zustände12Skalen modelliert mit den GLE, während auf längere Zeit - aus sagen Kollision 10mal und mehr - LE, beschreibt Brownschen Partikel Dynamik, ist am besten entsprechenden12.
Zweitens erforderlich, um effektive Korn Viskositäten sowie effektive Korn Vorhersagen Self Diffusion Koeffizienten2 - die erste, eine wesentliche Transport-Eigenschaft für das Kontinuum geschüttelten Korn Flüssigkeit, die grüne-Kubo genau modellieren Beziehungen2,9,23 stehen zur Verfügung. Um die grüne-Kubo Beziehungen gelten, sollte ein Experimentator erfahren Sie, wie diese abgeleitet werden; relativ einfache Ableitungen, z. B. Boon & Yip2entnehmen.
Das dritte Instrument erforderlich für die Untersuchung der nicht-Gleichgewichts-statistische Mechanik geschüttelten Korn Systeme entspricht einer strengen groben Körnung Verfahren9,12 , die die exakten, diskreten Teilchen Versionen der Masse setzt, Impuls und Energie Erhaltungssätze in Kontinuum, d.h., NS, Form. Das Verfahren ist somit die wichtige Brücke für die Ableitung von rigoros die Kontinuum-Gleichungen für die Fluid-Like, kollektive Dynamik geschüttelten Korn-Systeme sowie die konzeptionelle Basis für das Verständnis der innige Verbindung zwischen lokalen Gleichgewicht thermodynamischen Eigenschaften wie Druck, Temperatur, Schallgeschwindigkeit und spezifische Wärme, für die nicht-Gleichgewichts, Kontinuum Beförderung von Masse, Impuls und Energie.
Viertens um verfügbar zu machen und interpretieren große Längenskala, sollte hydrodynamische Modi2,9 , die molekulare Flüssigkeit und geschüttelten Korn Systeme12, ein Experimentator zu durchdringen die Analyse der kennen zu lernen Diese Modi. Kurz, die Kontinuum-Reaktion der molekularen Flüssigkeiten auf Streuung Balken1,2,9, und ebenso die Kontinuum Reaktion Korn Pfähle auf Vibration12, offenbart die Existenz von fünf, gekoppelte, linear ( dh., schwach), kollektive Modi. Die Modi ergeben sich aus den fünf gekoppelt, Kontinuum Masse, Impuls und Energie Erhaltungsgleichungen und physisch, offenbaren die modale Prozesse, die räumlichen Unterschiede in den erhaltenen Eigenschaften zu kommunizieren. Diese räumliche Unterschiede fahren wiederum Kontinuum Transport dieser Eigenschaften.
Modifikationen und Troubleshooting
Für die PIV-Messungen konnte der Schüssel Durchmesser geändert werden (erhöht), bis zu dem Punkt wo das Sichtfeld der Kamera senkrecht über einen fast flachen Abschnitt der Testfläche die mehr Kanteneffekte entfernen würde. Zusätzliche Methoden konnte hinzugefügt werden, um andere Variablen wie Kraft bzw. Druck zu messen.
Die mechanischen Teile der der experimentelle Aufbau sind robust und benötigen sehr wenig Trouble-shooting. Erscheint die Medien aneinander haften, kann die FC-Lösung-Rate erhöht werden, um relativ gleichmäßige Bewegung zu gewährleisten.
Ein Großteil der Fehlersuche wäre in den PIV oder Daten-Analyse-Systemen. Das erste gemeinsame Problem tritt auf, wenn die Bilder nicht in der richtigen Reihenfolge importiert werden. Fahrgast-/Bild kann nicht falsch in eine Computer-Datei-System sortiert werden, wenn es mit negativen und positiven Zahlen nummeriert ist, wie der Fall ist, wenn die Kamera eingestellt ist, nach Erhalt eines ersten Puffers Bilder auslösen. Ein Dateisystem kann die negativ nummerierte Bilder direkt neben ihren entsprechenden positiv nummerierten Bild platzieren, wodurch das Bild soll in der PIV-Softwareumgebung in einer falschen Reihenfolge importieren, die wiederum zu unsachgemäßen Schaffung von Double führt Rahmen. Neu beschriften Sie die Bilder mit nur positive Zahlen, um sicherzustellen, dass sie in der richtigen Reihenfolge sortiert werden.
Wenn die PIV-System Fehler gibt, wenn die Bilder zu importieren, ist es höchstwahrscheinlich an den Bildern, die im falschen Format. Stellen Sie sicher, Bilder sind Graustufen mit EDV-Software und im TIFF-Format gespeichert werden, bevor in der PIV-Software-Umgebung zu importieren.
Kalibrierung Fehler kann auch häufig, aber nicht immer anerkannt, bis die Verarbeitung abgeschlossen ist. Die PIV-Software-Umgebung trennt importierten Bildsätze in "Läuft", von denen jeder seine eigene einzigartige Kalibrierung hat. Daher muss jeder neue Ausführung eine Kalibrierung Bild (Schritt 2.2.7) enthalten. Kalibrierung Bilder darf nur zwischen den Läufen wiederverwendet werden, wenn es absolut keine Änderung an den Versuchsaufbau oder Sichtfeld gibt. Eine Reihe neue Bilder kann importiert werden, in ein bestehendes ausgeführt werden, wenn Sie sagte, dass vor dem Start des Importvorgangs (Schritt 4.2.1) ausgewählt ist. Dadurch wird das neue Bild legen Sie auf der Flucht bestehenden Kalibrierung Bild verwenden, sondern sollte nur erfolgen, wenn alle Bildersets im Vorfeld mit der gleichen Kamera erfasst werden.
Einschränkungen
Die wichtigsten Einschränkungen der PIV-Messtechnik, in seiner gegenwärtigen Konfiguration ist, dass es nicht die vertikale Maserung Geschwindigkeitskomponente senkrecht auf das Korn Bett nominell horizontale Oberfläche messen kann. Unsere Beobachtungen zeigen jedoch, dass der long-time-Skala Kontinuum Faserverlauf im Wesentlichen horizontal an der freien Oberfläche bleibt, während die vertikale, kurz-Zeit-Skala, zufällige (Eigen) Geschwindigkeitskomponente wahrscheinlich von der gleichen Größenordnung wie die ( zwei) gemessene horizontale eigentümliche Komponenten. Damit diese Einschränkung hat wenig Einfluss auf die Analyse der Kornoberfläche Bett Kontinuum fließen, während ist es vernünftig anzunehmen, dass die vertikale Zufallsbewegung kurz-Zeit-Skala teilt die gleichen statistischen Eigenschaften wie diejenigen für die horizontalen Komponenten gemessen 12.
Bedeutung im Hinblick auf bestehende Methoden
Nach unserer Kenntnis ist dies die erste Studie zu zeigen, dass geschüttelten Korn Pfähle als eine vorausschauende Analog verwendet werden können, für das Studium molekulare hydrodynamischen Vorgänge flüssiger Zustand. Es gibt zwei Ansätze zur Untersuchung molekularer Ebene Dynamik in dichten Flüssigkeiten und Gasen, von denen Licht, Neutronen oder Hochfrequenz-Ton verstreut rechnerisch aus einem Verhör Band1,2, und der andere Maßnahmen Simulation der molekularen dynamischer Systeme6,7 . Die Ergebnisse aus dem vorliegenden Experiment sind bedeutsam, da sie zeigen, dass molekulare hydrodynamischen Vorgänge nun direkt beobachtet werden können mit Hilfe von makroskopischen experimentelle Messungen geschüttelten Getreide Haufen Dynamik. Ebenso können signifikante, makroskopische statistische Mechanik und Kontinuum Strömungsmodelle, die in dieser Studie entwickelt wurden konsistente, quantitative Interpretation und Vorhersage von Gleichgewicht und nicht-Gleichgewichts, Single-Korn und Mehrkorn Dynamik. Nun kann ein Experimentator direkt, diese Prozesse zu studieren, umgehen, z. B. rechnerisch teuer Simulationen oder technisch anspruchsvolle molekularer Ebene Partikel Streuung Messungen. Darüber hinaus kann der theoretische Rahmen entwickelte sich hier verwendet werden, um rechnerische fluiddynamischen (CFD) Modellierung in ähnlichen fließt14 rechtfertigen
Zukünftige Anwendungen
Die makroskopischen experimentellen Methoden und theoretische Modelle entwickelt, hier können auch verwendet werden, zu studieren verschiedene Masse finishing Prozesse, z.B., Vibrations Abschluss14, die bei der Herstellung einer Vielzahl von mechanischen wichtig sind Komponenten. Darüber hinaus weiterhin die grundlegende arbeiten hier begonnen, wie wir dynamische Verbindungen zwischen geschüttelten, hohe Entschädigung Getreide Pfählen und flüssiger Zustand molekulare hydrodynamische Systeme erkunden. Ein Modell unter Verwendung der diskrete-Elemente-Methode (DEM) ist auch in der Entwicklung und wird verwendet, um die dreidimensionale dynamische Verhalten Vibrations Veredelungsverfahren, wie auch rechnerisch Studium der molekularen Hydrodynamik geschüttelten Getreide modellieren Systeme. [DM unterscheidet sich von computational Fluid Dynamics (CFD), dass CFD-Simulationen durch die NS-Gleichungen geregelt werden, während DEM Modelle Elektronenstruktur Newtonsche Teilchen Dynamik unterliegen.]
Wichtige Schritte im Protokoll
Die wichtigsten Schritte in diesem Protokoll von Anfang an ist die anfängliche einrichten oder des gesamten Systems, speziell die Kameraposition in Bezug auf die Schüssel, Beleuchtung sollte diffus sein, damit es gleichmäßig die FOV deckt, stellen Sie sicher, es gibt keine Überlegungen, die dazu führen, dass die Blendung in Bildern, FC stetigen und Kalibrierung des PIV Systems. Bei der Aufstellung der Behälter und das Kamera-Stativ/Gerüst ist nachzuweisen, dass das schwingende System keinen Teil der Kamera oder Kamera-Support-System berührt zu gewährleisten, dass die Kamera während der Tests absolut stabil bleibt. Ausreichende Beleuchtung muss auf dem gesamten Testgelände um sicherzustellen, dass Einzelstücke von Medien während der gesamten Prüfung die Kamera abholen kann und, dass Schatten nicht zu zusätzlichen Stücke Geist anwesend sein. Eine anfängliche Menge der Lösung muss entsorgt werden, über die Medien vor dem Start des schwingende Systems um sicherzustellen, dass die Medien "geschmiert" und klebt nicht am Anfang des Tests zusammen. Wenn die Stücke aneinander kleben, sie repräsentieren nicht mehr Moleküle beeinflussen einander, und sie verursachen Reibung, die die Medien zermürbt und verändert ihre Größe und Masse. Wenn die Kalibrierung des PIV Systems oder die Variablen nicht korrekt in das System eingegeben werden, wird das System falsche Vektorrichtung und Größen geben. Um sicherzustellen, dass die Kalibrierung genau ist, muss das Lineal senkrecht zur Kamera mit der Skala im Bild lesbar sein.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde unterstützt durch das Office of Naval Research (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik und Keanini] und durchgeführt an der University of North Carolina bei Charlottes Motorsport Research Lab Polieren Medien von Rosler gestiftet wurde.
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).
