Moleküler hidrodinamik süreçlerinde yoğun gaz ve sıvı için Analog bir makroskopik yüntem

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 sistemleri^1,2, ışık saçılma^1,2,3, moleküler dinamik simülasyon^{4eğitimi 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 modları^2,9,10 (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 değişkenleri^9,11 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.

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 sa…

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-ölçe…

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 il…

Materials

Vibratory Polishing Bowl	Raytech	AV-75
Flow Meter	Peristaltic Pumps	913 Mity Flex
Scale	Pelouze	4040
Triaxial Accelerometer	PCB Piezotronics	PCB 356B11	Accelerometer with Sensor Signal Conditioner
Data Acquisition Computer	IBM	Thinkpad	Used with high speed camera
High Speed Camera	Redlake	Motionxtra HG-XR
Zoom Lens	Tamron	Model A18	18-250mm F/3.5-6.3
High intensity Light	ARRI	EB 400/575 D
Data Processing Computer	Dell	Dell Precision Tower 7910
PIV Software	Dantec Dynamics	Dynamic Studio 2013	version 3.41.38
Data Acquisition Hardware	National Instruments	SCXI	SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter
Data Acquisition Software	National Instruments	LabVIEW 2012
Data Processing Software	MATHWORKS	MATLAB
Polishing Media	Rosler	RSG 10/10S	Multiple media types used (mixed, spherical, triangular)
Polishing Solution	Rosler	FC KFL (3%)	3% soap solution with water
Ruled Scale	Swiss Precision Instruments	13-911-3
Graduated Cylinder	Global Scientific	601082