Waiting
Login processing...

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

Engineering

טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים

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

Summary

שיטה אנלוגי השפעול נגיש עבור לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית צפופה נוזלים מוצג. הטכניקה משתמשת חלקיקים velocimetry תמונה של ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומאפשר תצפית ישירה, מאקרוסקופית של תהליכים דינמיות ידוע והוא ניבא קיימת אינטראקציה חזקה, גבוהה צפיפות גזים ונוזלים.

Abstract

מתוארת שיטה אנלוגיות, מאקרוסקופית לימוד תהליכי hydrodynamic בקנה מידה מולקולרי צפופה גזים ונוזלים. הטכניקה חלה של תקן נוזל דינמי אבחון, חלקיק תמונה velocimetry (PIV), כדי למדוד: i) במהירויות של חלקיקים בודדים (גרגרים), העומד על תבואה-התנגשות קצרה, פרקי זמן, ii) המהירויות של מערכות של חלקיקים, על שניהם קצרים התנגשות-זמן - ו זמן, רצף-זרימה-זמן-מאזניים, השלישי) קולקטיבית מצבי hydrodynamic ידועים להתקיים ב נוזלים מולקולרית צפופה, ו- iv) פונקציות autocorrelation מהירות קצר, ארוך-זמן-סרגל, מרכזי להבנת הדינמיקה של חלקיקים בקנה מידה של מערכות נוזלים שמעצבת חריפה, צפופה. מערכת בסיסית מורכבת מערכת הדמיה, מקור האור, חיישנים הרטט, מערכת הרטט עם תוכנת מדיה, ו PIV וניתוח ידוע. מדידות ניסיוני נדרש וקו מיתאר של כלים תיאורטיים בעת שימוש בטכניקה אנלוגי ללמוד תהליכים hydrodynamic בקנה מידה מולקולרי מודגשים. הטכניקה המוצע מספק אלטרנטיבה פשוטה יחסית כדי פוטוני ושגרו ניוטרון שיטות פיזור משמשת גם מחקרים hydrodynamic מולקולרית.

Introduction

הידרודינמיקה מולקולרית מחקרים את הדינמיקה ואת המכניקה הסטטיסטית של מולקולות בודדות ואוספים של מולקולות בתוך נוזלים. בין הטכניקות ניסיוני רבות שפותחו עבור לימוד מערכות hydrodynamic מולקולרית1,2, פיזור אור1,2,3, סימולציות דינמי מולקולרית4, 5,6,7 , ובמידה פחותה יותר, פיזור וספקטרוסקופית8 היו הנפוץ ביותר בשימוש. למרבה הצער, מגבלות משמעותיות לצרף הטכניקות שני האחרון. סימולציות דינמיקה מולקולרית (MD), לדוגמה: i) הן מוגבלת קטן יכולות Equation 1 דומיינים המכילים מולקולות מעטים יחסית Equation 2 , ii) דורשים שימוש של פוטנציאל הבין-החלקיקים משוער, iii) בדרך כלל להציג תקופתי תנאי גבול, לא חוקי תחת תנאי זרימה ללא שיווי משקל בתפזורת, ו- iv) יכול, בזמן הנוכחי, לענות על השאלה הבסיסית של דינמיקה מולקולרית סרגל איך, מעורבים או מולקולות יחיד או אוספים של מולקולות, מושפעים, זוג בחזרה, בכמות גדולה, זרימת נוזלים ללא שיווי משקל. המגבלה העיקרית המשויך ניוטרון פיזור קשורה לרמת הקושי של גישה מספר מוגבל של נייטרונים קרן מקורות זמינים.

כדי לספק הקשר עבור השיטה הניסיונית אנלוגי שהוצגו במאמר זה, אנו מדגישים בטכניקות פיזור אור שהוחל נוזלים פשוט צפוף-גז, נוזל-המדינה. בניסוי טיפוסי פיזור אור, קרן אור מקוטב לייזר מכוונת לאמצעי חקירה קטנה המכילה את דגימת נוזל נייח. אור המתפזרת מולקולות בתוך המדגם הוא זוהה אז בזווית קבועה מסוימים ביחס קרן התקרית. בהתאם המשטר דינמי מולקולרית של עניין, זיהוי וניתוח של האות אור מפוזר משלבת קלות סינון או אור ערבוב שיטות איתור. כפי שתואר על ידי ברן ואסטוריה1, סינון טכניקות, אשר בדיקה במצב נוזל דינמיקה מולקולרית בזמן מאזני קצר יותר Equation 3 s, להציג של פוסט-פיזור interferometer או סריג עקיפה, ומאפשרים סריקה של צפיפות ספקטרלי האור מפוזר. אופטי ערבוב טכניקות, המשמש דינמיקה איטי-סרגל זמן, Equation 4 s, לעומת זאת, לשלב הפוסט-פיזור autocorrelator או ספקטרום מנתח, שבו התוכן ספקטרלי של האות פזורים מופק מן האור מפוזר נמדד העוצמה.

באופן כללי, לייזר probes, לפחות אלה הפועלים לטווח הגלוי של הקשת, יש הרבה יותר זמן מאשר המרווח האופייני בין מולקולות נוזל-המדינה אורכי גל. בנסיבות אלה, קרן בדיקה מלהיב חמש קולקטיבי, איטי-סרגל זמן, מצבי hydrodynamic ארוך באורך גל2,9,10 (איטי יחסית התדירות האופיינית התנגשות): שני viscously damped, נגד הפצת גלי קול שני מצבי ערבוליות חשיפות, המפזרת גרידא, מצב יחיד המפזרת תרמי (האנטרופיה). מצבי קול מתרגשים בכיוון (האורך) הקרן התקרית, ואילו מצבי טרנדו מתרגשים בכיוון רוחבי.

בהתחשב ניסיוני פיזור טכניקות, שתי שאלות עקרוניות, משקרת בלב שיווי משקל, ללא שיווי משקל המכניקה הסטטיסטית של מולקולרית, מערכות נוזלי-המדינה, נשארים מעבר אור ומדידות פיזור נייטרון:
1) ארגומנטים קפדני9,11 מראים כי יכול להיות להצביע מחדש את הדינמיקה התנגשות - ולא משנה-collision-סרגל זמן אקראית של מולקולות נוזל-המדינה בודדים, בכפוף דינמיקה ניוטונית מתוקנת קלאסית או דינמיקה קוונטית, ב טופס Langevin מוכללת משוואות (GLE). GLE, בתורו, מהווים כלי מרכזי התיאורטי במחקר של המכניקה הסטטיסטית ללא שיווי משקל של מולקולות בתוך צפופה גזים ונוזלים. למרבה הצער, שכן לא ניתן לפתור את הדינמיקה של מולקולות בודדות (לא macromolecular) או בטכניקת פיזור, אין כיום דרך ישירה, מעבר לסימולציות MD, לבחון את החוקיות של GLE.
2) השערה היסוד משקרת בלב של דינמיקה של נוזלים מאקרוסקופית הרצף, כמו גם הידרודינמיקה מולקולרית microscale, רוביצה זה על אורך - ופרקי זמן גדולים יחסית קטרים מולקולרית, התנגשות פעמים, אבל קטן יחסית הרצף ואת הזמן-פיסיקליות, שיווי משקל תרמודינמי המקומי (LTE) משתלטת. רצף זרימה וחום העברה דגמים, כמו משוואות נאוויה-סטוקס (NS), ההנחה ליקוויד טנשן אקספרימנט הוא נדרש9 כדי כמה מהותי ללא שיווי משקל, זרימה בקנה מידה הרצף ותכונות תחבורה אנרגיה – כמו מדגיש הטיה צמיגה, הולכה תרמית – אך ורק שיווי משקל תרמודינמי במאפיינים, כמו טמפרטורה, אנרגיה פנימית. באופן דומה, בעוד microscale תנע ואנרגיה התחבורה הינם תהליכים ממהותם ללא שיווי משקל, המשקף את המראה של מסה בשילוב, microscale, תנע, זרמי האנרגיה, דגמים של תהליכים אלה microscale מניח הזרמים מייצגים לפליטת קטן ליקוויד טנשן אקספרימנט9. שוב, לפי מיטב ידיעתנו, היו אין בדיקות ניסויית ישירה של ההנחה ליקוויד טנשן אקספרימנט. בפרט, נראה כי אין ניסויים פיזור hydrodynamic מולקולרית נוסו בתוך זרימת הנוזלים צפופה, לנוע, ללא שיווי משקל.

בנייר זה, אנחנו חלוקה לרמות טכניקה ניסיוני אנלוגי שבו החלקיקים מאקרוסקופית, יחיד ואת הדינמיקה הקולקטיבית של חלקיקים של ערימות התבואה זז, שנמדדו בשימוש רגיל של חלקיקים הדמיה Velocimetry (PIV), ניתן לחזות באופן עקיף, לפרש ולחשוף molecule יחיד מרובי הידרודינמיקה ב צפופה גזים ונוזלים. הרכיבים הפיזיים ותיאורטי המאפשרים את הטכניקה המוצע מתוארים במאמר האחרונות שפורסם על-ידי שלנו קבוצה12. השפעול, מערכת מאקרוסקופית חייב להפגין: (i) מתמשכת בנטייה מקומית, שיווי משקל מכני סטטיסטי macroscale ו (ii) קטן, ליניארי לטיסות שיווי משקל המחקים תנודות ללא שיווי משקל (חלש) נצפתה מערכות hydrodynamic מולקולרית. תיאורטית: מודלים microscale קלאסית (i) המתאר את שיווי המשקל ואת חלש-ללא שיווי משקל המכניקה הסטטיסטית של צפופה, מערכות N-חלקיקים שמעצבת חייב להיות עיצבתי בצורה macroscale, וחייב מודלים macroscale וכתוצאה מכך (ii) בצורה אמינה לחזות יחיד, מרובה-החלקיקים התת-דינמיקה, מ קצר, חלקיקים-התנגשות-זמן-ניתן להרחבה מדרגית עד זמן, רצף-זרימה--פרקי זמן.

כאן, אנו מציגים פרוטוקול נסיוני נתונים היסטוריים, כמו גם נציג התוצאות המתקבלות על-ידי טכניקה חדשה. בניגוד סימולציות MD ו אור ושיטות ניוטרון פיזור, טכניקה חדשה מאפשרת, בפעם הראשונה, מחקר מפורט של תהליכי hydrodynamic מולקולרית בתוך זורם, חריפה ללא שיווי משקל, צפיפות גבוהה גזים ונוזלים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת מערכת רטט

  1. להגדיר את המערכת רטט כמוצג באיור1. מערכת זו מורכבת טבעתי פוליאוריתן קערה (נתקל של הקוטר החיצוני של 600 מ מ), מצורף יחיד-מהירות (1740 rpm), המנוע לא מאוזנים, איפה שהשני מייצר ויברציות תהליך. זה קשור בסיס משוקללת, מופרדים על ידי קבוצה של שמונה מעיינות (הקערה ואת בסיס משוקללת נרכשים מורכבים כמו חתיכה אחת). לצרף את מכלול קערה האוטובוסים ולאבטח עם שני ווים גומי שסופקו. משאבת סחרור מקום על השולחן ליד הקערה וצרף משאבת צינור עודפים לשחק באולינג נקודת כניסה שימון.
    1. לצרף תאוצה triaxial הרדיוס הפנימי של טבעתי קערה ויברציות הקערה מוקלטות בתנאים משרעת נמוכה, להעביר תאוצה מרכך אות חיישן. במקום המרכך את האות על שולחן מן המערכת רטט. השילוב מרכך תאוצה/אות נשלטת על ידי נתונים רכישת חומרה/תוכנה מותקנת במחשב רגיל.
  2. הכן מדיה שבחרת על ידי שטיפה במים ומאפשרת להתייבש. מספר סוגים של מדיה שימשו במהלך ניסויים שונים. לשימוש זה נייר, קרמיקה ליטוש המדיה ישר חותך משולש (10 מ"מ x 10 מ"מ x 10 מ מ משולש כפי במ בחזית והן בעובי 10 מ מ).
    1. לקבוע את התקשורת אריזה בצפיפות על ידי קודם הנחת עליו שק פלסטיק ריק בקנה מידה המעבדה taring קנה המידה. למלא את השק פלסטיק עם התקשורת שבחרת (לא כדי לחרוג 18.927 L (5 gal) ולהקליט את המשקל של התקשורת (g או ק ג). עבור סוג זה של המדיה ולהגדיר הנוכחי ניסיוני, המשקל היה 22.68 ק ג (50 ק ג).
      1. מקם את הדלי כיור גדול, או מחוץ לבניין הרחק ציוד אחר. למלא את הדלי (בשביל זה להגדיר, דלי 18.927 L (5 gal) שימשה) עם מים לסימן מלא ולאט להפחית שק פלסטיק מדיה לתוך הדלי. ברגע השק של מדיה לגמרי שקוע, לאט הרימו את השקית מהמים כדי למנוע מתיז ומניחים את השק הצידה. השתמש גליל 1000 מ ל סיים למלא את הדלי לסימון שלה המקורי המלא, מקליט את הסכום הכולל של מים נוסף. זו כמות המים נוסף יהיה Equation 5 בו Equation 5 הוא החומר אריזה אמצעי התקשורת (כי זה להגדיר, 13,750 מיליליטר מים נוספה חזרה לדלי). כמות המים הוסיף יהיה תלוי בסוג המדיה בשימוש.
      2. חישוב צפיפות האריזה של התקשורת באמצעות המשוואה הבאה:
        Equation 6
        איפה Equation 7 היא צפיפות האריזה של התקשורת, Equation 8 היא המסה של המדיה (עבור מדיה זו, הצפיפות חושבה להיות 1649 Equation 9 ).
    2. להפעיל את מערכת רטט על-ידי חיבורו לשקע חשמל (מודל זה יש שתי אפשרויות, 1) תקע לקיר או 2) לרוץ עם שעון עצר מחובר לעמוד). להפעיל תוכנה רכישת נתונים במחשב על ידי לחיצה על החץ "התחל" על המשתמש תוכנית ולאסוף מידע במשך דקה אחת. נתוני התאוצה להיות מוצג לבדיקה מיידית (עוד זמן תחום והן בתדירות domain) והן מאוחסן באופן אוטומטי לקובץ csv עבור עיבוד שלאחר פוטנציאליים. נתק את יחידת משקע החשמל לבטל את הפעלתה של מערכת רטט.
    3. הוסף מדיה קערה רטט.
    4. להכין תרכובת, המורכב 3880 מ"ל של מים ו- 120 מ של גימור מורכבים (FC) פתרון (3% נפח). משאבת סחרור מוגדר 1.9 ל/ש (לסובב בחיוג ל 27 כדי להשיג את קצב הזרימה), אך לא ליזום את לזרום. פעולה זו תבטיח כי הפתרון הוא לא גידולים, אך מספיקה למנוע מהתקשורת רטוב. (הפתרון הזה הוא פתרון נפוץ גימור רטט). הפתרון מעשים כסוכן סיכה ומבטיחה שהתקשורת אינה ביחד או להתיש במהלך ההליך.
    5. להפעיל את מערכת רטט על-ידי חיבורו אל שקע החשמל. אסוף נתונים תאוצה כפי שצוין בשלב 1.2.2. נתק את יחידת משקע החשמל לבטל את הפעלתה של מערכת רטט.

2. מהירות הדמיה

הערה: עבור מדידות שדה תבואה מהירות, מתקבל על ידי הדמיה חלק של פני השטח של ערימת תבואה זורם, אזור ההדמיה, Equation 10 תואם שדה הראיה (FOV) נקבע בשלב 2.2.4 להלן. מדידת הזמן משתנה, המהירויות תבואה בודדים (על פני ערימה) ניתן להשיג על-ידי בחירת אזור משנה קטן, קבוע, Equation 11 , נמצא Equation 12 איפה, כפי שיפורט להלן, Equation 11 הוא גודל האזור המתוכנן זרעים בודדים.

  1. להציב מצלמה מהירות גבוהה (המצלמה בעלת רזולוציה 1504 x 1128 עד 1,000 מסגרות לשנייה (fps)) כדי ללכוד תמונות על-ידי הצבתו על חצובה או בניית מסגרת נוקשה עם העדשה בניצב לשטח פתוח של מערכת רטט (כאשר הקערה היא vibra טינג) כפי שניתן לראות באיור1. מסגרת נוקשה זו היא נפרדת ממערכת הרטט ומבטיחה כי התנודות של המערכת אינם משפיעים על הדמיה.
    1. לצרף העדשה המתאימה עבור אזור שילוב השטח הרצוי ואת הרזולוציה. עבור הסידור הנוכחי, השתמש עדשת זום 18-250 מ"מ עם יחס עדשה של 1:3.6 - 6.3.  לצרף המצלמה אספקת החשמל, אנטנת GPS.  לחבר את המצלמה למחשב באמצעות כבל CAT5.  למקם את המצלמה כך הקצה של העדשה הוא כ- 550 מ מ מעל פני השטח של המדיה.
      הערה: הצבת המצלמה יותר מדי יגרום המדיה מוגברת אפקטי קצוות, הצבת את המצלמה רחוק מדי יגרום את התמונות כדי להיות כהה מדי לעיבוד. למרחק שצוין, שגיאות עקב אפקטי קצוות, עקמומיות הכולל של אזור הבדיקה הוא < 2%.
    2. להסיר את מכסה העדשה ולהתחיל תוכנת המצלמה. מתי זה התחיל, לחץ על כפתור "מצלמות" ולאחר מכן לחץ על אישור. כאשר המצלמה רשימת מאכלסת, בחר את המצלמה מהרשימה ולחץ פתוח.
    3. בתוכנה מצלמה במחשב, תחת לשונית "Live", לחצו על הלחצן "לחיות" (חץ כחול) כדי להציג FOV של המצלמה. הפעל את מקור האור אותו, כדי להאיר את האזור לדימות. זה יכול להיות כל אור בהיר, כל עוד הוא נדלק האזור מבחן אחיד. איור 1 מציג את המצלמה ואת תצורת אור ביחס למערכת רטט.
    4. כדי לקבוע את עצירת f, להסתכל במסך המחשב עם זרם חי מן המצלמה וכוונן עצירת f להגדרתה מינימלי (בהירות מקסימלית). אם עצירת f מוגדר נמוך, התוצאה היא עומק שדה רדוד. אם עצירת f מוגדרת גבוהה, המסך הוא כהה מדי. את הניסוי הזה, עצירת f היה להגדיר ל- 3.6.
    5. להתאים את אורך המוקד על העדשה כדי לספק את FOV הרצוי (210 מ"מ x 160 מ"מ עבור אירוע זה). את הניסוי הזה, להגדיר את אורך המוקד 180 מ"מ עם המצלמה להגדיר 550 מ מ מעל פני השטח מדיה. איור 2a מראה של FOV דרך המצלמה.
    6. זום דיגיטלית ב- 500 X הגדלה באמצעות תוכנה המצלמה. להתאים את הטבעת מיקוד העדשה במיקוד אופטי בצורה הטובה ביותר. זום דיגיטלי החזרה ל- 100% (בתצוגה רגילה).
    7. תחת הגדרות רכישה במחשב, לחץ על "קצב [הרץ]" ולהגדיר 500 מסגרות לשנייה.
      הערה: כדי לפתור דינמיקה דגן-התנגשות-סרגל זמן, Equation 14 , חייב להיות לפחות בסדר גודל גדול יותר תדירות הרטט שנכפה עליו, Equation 15 (כאן, Equation 16 הרץ)
    8. לפני לקיחת תמונות, למקם את סולם הנשלטים שדה הראייה; זה מספק מידה אורך עיבוד נתונים תמונות עוקבות. תחת הגדרות רכישה על תוכנת המצלמה, בחרו בלשונית "שיא" תחת "לחיות". הגדר "להקליט את מצב" מסגרות "מעגלי" ולהגדיר ל- 1. לחץ על עיגול אדום תחת לשונית "לחיות" כדי להקליט תמונה בודדת, כפי שניתן לראות באיור 2b.
    9. לשמור את התמונה נרכשת כקובץ TIFF של מיקום הספריה של קובץ נוח (כגון כונן קשיח חיצוני) על ידי לחיצה על "קובץ" ולאחר מכן לחץ על "שמור רכישות". תופיע תיבת דו-שיח עם אפשרויות מרובות. ליד סוג קובץ, בתיבת הדו-שיח, בחר .tiff מתוך התפריט הנפתח.
      1. בחר בכרטיסיה 'אפשרויות הורדה' בתחתית תיבת הדו-שיח ולחץ על "עיון". בחלק העליון של תיבת הדו-שיח, הוסף את שם תיקיה עבור הבדיקה. בתיבת הדו-שיח "עיון", לחיפוש, בחר במיקום הרצוי (כגון כונן קשיח חיצוני) ואת התיקייה המתאימה. לאחר תיקיה נבחרה, לחץ על "אישור" ואז "שמור". תיבת מנהל ההורדות יופיעו. הקובץ יתחיל להעביר, ניתן לשמור את מיקום הקובץ שצוין בתיקיית 001. לאחר שהתמונה העבירה, תיבה מצב "בוצע" יופיע על המסך.
      2. מחק תמונות מהמצלמה באמצעות לחיצה על לחצן מחק אדום.
        הערה: הפרוטוקול אפשר לעצור כאן.

3. איסוף נתונים

הערה: אם הפרוטוקול הושהה, יהיה עליך להפעיל מחדש המצלמה. בצע את שלב 3.1. אם פרוטוקול לא הושהה, דלג לשלב 3.1.2.

  1. תוכנת המצלמה ומתחילים להפעיל תאורה כפי שצוין בשלב 2.
    1. תוכנת המצלמה הופעלה, בדוק לתנאי תאורה ולהפעיל בשידור חי כמפורט בשלב 2.2.2. כדי להבטיח הריכוז.
    2. בחר זמן ריצה ניסיוני הכולל,Equation 17
      הערה: שתי מתחרות לעמוד בדרישות: i) Equation 18 בטח מספיק זמן. כי תנאי הזרימה תבואה סטטיסטית נייח להגדיר, ו- ii) Equation 18 לא צריך להיות כל כך הרבה זמן כדי לייצר כמויות גדולות של נתונים מיותרים. ציר הזמן שבו יופיעו מצבים נייחים חייב להיקבע על ידי ניסוי וטעייה. שיטות שונות, הקשיחות בדרגות שונות, יכול לשמש. . For example, i) לוודא מהירות תבואה ממוצע הזמן בנקודה קבועה, או בנקודות קבועות מרובים, יגיע עם גודל נומינלית קבועה או מגניטודות, או ii) להבטיח כי, בנוסף אמצעי נייח, סטיות המתאימים גם להניח נומינלית קבועה מגניטודות. עבור ניסוי זה, הנתונים נאספו עבור 10.12 s, המתאים רכישת מסגרות 5060. תנאים יציבים בזרם תבואה להגדיר לאחר כ 1 s.
  2. להפעיל את הקערה רטט.
    1. להפיץ 150 מ ל גימור/שימון תרכובת (שלב 1.2.4) באופן שווה סביב הקערה כדי לספק הרטבה הראשונית של התקשורת; ולאחר מכן מקם הכד הנותרים מורכבים על הרצפה עם צינור המצורפת את משאבת סחרור. להפעיל את משאבת סחרור (כפי שנקבע בשלב 1.2.4) על-ידי להחליק את המתג של "כיבוי" כדי "השעון".
    2. להפעיל את הקערה רטט על-ידי חיבורו לשקע חשמל ולא לחכות לפחות דקה אחת כדי להבטיח אפילו להרטיב ויציבה נוזלים תנועה ברחבי התקשורת (תנועה זורמת קבוע מתרחשת כאשר זרימת נוזל מזין את הקערה מן משאבת סחרור שווה לזרימה של נוזל מתנקז הניקוז הקערה.
  3. לכידת וידאו של איסוף נתונים.
    1. ברגע נוזל מגיע תנועה יציבה (שלב 3.2.2), להפעיל את המצלמה על ידי לחיצה על סמל אדום שיא במסך המחשב ולאחר מכן לחץ על ההדק אדום עליו כדי להקליט תמונות עבור הנבחרת זמן משך, Equation 18 . המצלמה יתעד את תמונות עבור המצוין Equation 18 ולשמור תמונות אלה הזיכרון הפנימי שלו. איור 2a הוא דוגמה של תמונה בודדת מתוך ערכה של דימויים 5060.
    2. ברגע נתונים נאספים, כיבוי מערכת רטט על-ידי ניתוקו משקע החשמל, לבטל את משאבת סחרור על-ידי היפוך את המתג מהחלק "השעון" כ- "off".
      הערה: הפרוטוקול אפשר לעצור כאן.

4. תהליך נתוני וידאו עם PIV

  1. להכין מהירות גבוהה המצלמה תמונות PIV עיבוד.
    1. שמור את התמונות רכשה כקובצי TIFF ביצוע הפרוצדורות המתוארות בשלב 2.1.9. (במערכת הנוכחית, מסגרות תמונה 5060 אסף 10.12 מעל s לוקח יותר משעה להעביר). לאחר העברת תמונות, תיבה מצב "בוצע" יופיע על המסך. הקבצים יישמרו באותה ספריית קובץ כיול בתיקיית משנה המזוהה כ- 002. מחק תמונות מהמצלמה.
    2. להמיר תמונות צבע בגווני אפור כדי לאפשר עיבוד על ידי תוכנת PIV. להעלות את התמונות לתוך התוכנה ניתוח נתונים באמצעות פונקצית "imread()". המרת עותק של תמונות באמצעות הפונקציה "rgb2gray()", שמור/כתיבה של תמונות חדשות אלה לתוך תיקיה חדשה באמצעות הפונקציה "imwrite()".
      הערה: פונקציה זו ניתוח תהליך/נתונים זמינה לסוגים רבים של תוכנה לניתוח נתונים, נכתב כ/כפי תוכנית מלאה על-ידי החוקר. איור 2-c הוא דוגמה של תמונה מוגדלת ב לאחר יש כבר המרה לגווני אפור והוא היה מעובד על ידי PIV.
  2. השתמש בתוכנה PIV כדי לחשב שדות מהירות.
    1. להשתמש באשף הייבוא כדי לייבא את קבוצת תמונות בגווני אפור כתמונות פריים אחד אל הסביבה תוכנה PIV. להתחיל הייבוא על-ידי לחיצה על "קובץ" ולאחר מכן בחר "יבא" ו- "לייבא תמונות".  בתיבת הדו-שיח אשף ייבוא תמונה תופיע.  בחר באפשרות ייבוא "פריים אחד" מתוך התפריט ולחץ על לחצן "הוסף תמונות".  בחר כיול התמונה ולחץ על 'פתח', אשר מוסיף את התמונה "תמונות כדי לייבוא" תיבת הרשימה.  בעת ייבוא התמונות, להוסיף את התמונה כיול (שלב 2.1.9) קודם לכן התמונה העליונה בתיבה ייבא רשימה.  לחץ שוב על לחצן "הוסף תמונות", לסמן את כל נתוני התמונות ולחץ "פתוח" כדי להוסיף אותם בתיבת הדו-שיח "תמונות כדי ייבוא".  לחץ על "הבא" לאחר כל התמונות הרצויות נבחרו. קלט את הגדרות המצלמה בשימוש, לכלול גובה הצליל, קצב, פיקסל, מסגרת בתיבות הדו-שיח. לחץ על "הבא" ועל "סיים" כדי להשלים את תהליך הייבוא.
    2. להפריד את התמונה כיול התמונה סט והפרמטרים סרגל אורך הקלט לתוך התוכנה PIV.
      1. אם הרשימה תוכן כבר אינה מוצגת, ערכת תמונה מיובאת קליק ימני ובחר "הצג רשימת תוכן" בצד שמאל של המסך בעץ בסיס נתונים. בהנחה שכיול התמונה הייתה התמונה הראשונה שיובאה, קליק ימני בתמונה השנייה ברשימה ובחר "פיצול אנסמבל מ כאן". גרור ושחרר את התמונה החדשה שנוצרה להגדיר (המכיל רק את התמונה כיול) למיקום בצד השמאל של המסך שכותרתו "הכיול החדש".
      2. ערכת תמונת הכיול החדש שמוקם קליק ימני ובחר "גורם סולם מדידה". כאשר כיול התמונה מופיעה על המסך, מקם את סמני "A" ו- "B" בבתמונה הסרגל (או חפץ אחר של יודע גודל אם שליט לא שימש) קלט את המרחק בין הסמנים בתיבת הטקסט "מרחק מוחלט". לחץ על "אישור" בתיבת הדו-שיח "גורם סולם מדידה", אשר לשמור את ההגדרה כיול, סגור את תיבת הדו-שיח ואת הדימוי כיול.
    3. ליצור קבוצה של זוגות תמונה על-ידי בחירת ערכת תמונה מיובאת ' ולחץ על 'נתח' '. בחר הבא "להפוך מסגרת כפולה" מתוך הרשימה של שיטות ניתוח זמינים. לבחור "(1-2, 2-3, 3-4,... (N-1) כפול תמונות) "סגנון אפשרות.
      1. פתח כל תמונה בערכת תמונה (למעט כיול תמונה), לחץ לחיצה ימנית על התמונה ובחר "צפיפות החלקיקים". הצגה בתיבת הדו-שיח לזהות חלקיקים יופיע על המסך. זה יראה לנבוח על רקע אזור בדיקה. לחץ על הכרטיסיה הגדרות בתיבת דו-שיח זו ולשנות "בדיקה גודל אזור" עד למינימום של 3 חלקיקים נראים בעקביות באזור בדיקה.  גודל אזור זה המכשיר יהיה גודל אזור חקירה שהוזן בשלב 4.2.5.
    4. השתמש בפקודה 'נתח' על התמונה שנבחרה מוגדר לבחור PIV עיבוד אלגוריתם ובפרמטרים משויכים. בחר בשיטת "מתאם מסתגלת" ולהגדיר את האזור של פיקסלים אשר ישמש להגדרת וקטור במרחב בשלב 4.2.5. (תהליך זה מחלק תמונות לתוך רשת של פיקסל n n × "תחומי החקירות")
    5. להגדיר את גודל אזור חקירה על-ידי איתור הכרטיסיה "תחומי החקירות" ובחירה לגדלים אזור חקירה זמינים בין המינימום של 8 פיקסלים המרבי של 256 פיקסלים (כי היה להשתמש בשיטה זו, 32 פיקסלים על 32 פיקסלים). הזן את הערך שנקבע בשלב 4.2.3.1.
      1. כדי להגביר את הצפיפות של וקטורים שנוצרו, להוסיף אחוז "חפיפה" אזור חקירה בבחירת חופפים 0%, 25%, 50% או 75% מתוך התפריט הנפתח.
    6. לבצע ניתוח המוביל התבואה נמדדו מהירות שדה על-ידי בחירה "אישור" תיבת "המתאם מסתגלת". המערכת תתחיל ניתוח.  כמו המערכת מעבד את הנתונים, המפה וקטור הראשון יופיע על המסך. בדוק את השדות מהירות מספר הראשונה כדי לקבוע אם הם יופיעו משביע רצון על ידי הערכת מהירות וכיוון כפי שניתן לראות באיור 2 c. אם השדה מהירות לא מופיע מציאותי, לבטל את הפעלת ניתוח, חזור על שלב 4.2.4 ולשנות הגדרות ניתוח. (כאשר הניתוח הושלם, שדה vectoring, פורש את FOV, נוצרת עבור כל זוג תמונות בערכת (שלב 4.2.3)). איור 2 ג מראה של שדה וקטורי מספק דוגמה במהלך תהליך ניתוח זה יש כבר בשכבות על תמונה בגווני אפור.
      הערה: עבור כל אזור חקירה פיקסל n n ×, התוכנה PIV משווה את התבנית של נקודות האור משנה-grain בקנה מידה בתוך אזור חקירה נגד דפוסי המתאימים שנתפסו בתמונה הבאה. מתוך השוואה זו, קובע התוכנה PIV וקטור בממוצע באזור העקירה, Equation 21 , בסופו של דבר, על ידי חלוקת Equation 21 על ידי תוספת זמן בין מסגרות, Equation 22 , המהירות באזור הממוצע, Equation 23 בו Equation 24 מתייחס החקירה אזור Equation 24 . בניסויים הנוכחי, כל אזור החקירה כללה של n n x = 32x32 פיקסלים; המספר הכולל של תחומי חקירה סוגייה משפטית כל 210 מ"מ x 160 מ"מ FOV וכך היה 47 x 35, המקביל ל- 1504 x 1128 פיקסלים.

5. תהליך נתונים הרטט

הערה: שלב 5 יכול להיעשות בו זמנית עם שלב 4 אם נעשה שימוש במערכות מחשב אחרת או ניתוח תוכנה.

  1. פתח את תוכנת ניתוח נתונים ולרוקן באמצעות הפונקציה "load()" להכניס תאוצה נתונים שהושגו כשהיה הקערה רטט (שלב 1.2.2). מהיר טרנספורם פורייה של נתונים באמצעות הפונקציה "fft()". ליצור דמות של נתונים באמצעות הפונקציה "עלילה". חזור עם הנתונים שהושגו כשהיה הקערה רטט קיימת מדיה (שלב 1.2.5).
    הערה: פונקציה זו ניתוח תהליך/נתונים זמינה לסוגים רבים של תוכנה לניתוח נתונים, נכתב כ/כפי תוכנית מלאה על-ידי החוקר.
    1. ללימוד תהליכים hydrodynamic מולקולרית, מספר פעולות עיבוד נתונים נדרשים בדרך כלל. עיין בסעיפים נציג תוצאות ודיון להלן לקבלת קווי המתאר של ההליכים העיבוד הראשי; ראה Keanini, et al. (2017) 12 פרטים על איך נמדד PIV נתונים יכול לשמש כדי לחלץ מידע דינמיות במערכות hydrodynamic מולקולרית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בהצגת התוצאות נציג, נתייחס לתהליכים הרצף-סרגל האלו שנצפה ו החזוי לאורך זמן-סולמות, Equation 25 שנמצאים זמן רב יחסית ציר הזמן התנגשות תבואה אופיינית, Equation 26 Equation 27 , חלקיק-סרגל תהליכים לאלה שנמדדו, ניבא על הזמן-סולמות, Equation 28 , שאינם נמצאים על מנת של, או קטן יותר Equation 29 Equation 30 בו Equation 31 הוא תדירות הרטט של המיכל מדיה תבואה.

הטכניקה המוצע מספק בו זמנית, משולב, superposed מידע ניסיוני על יחיד-החלקיקים ואת הדינמיקה כפולה-חלקיק, אקראי, זמן ממוצע הקיימים על פני פרקי זמן החל בקצב הדגימה המצלמה PIV ההופכי, Equation 32 ל אורך כל נתון הפעלה ניסיונית, Equation 33 עבור התוצאות שהוצגו כאן, Equation 34 מצלמה מסגרות לשנייה, Equation 35 = 10.12 s.

התוצאות מסודרות כדלקמן. ראשית, אנו מראים, באמצעות סרטון וידאו נציג, שמושגות כל המדידות בתנאים בחוזקה ללא שיווי משקל שבו התקשורת תבואה זז לעבור בזרם קולקטיבית, נוזל דמוי; לראות סרטים משלימה 1a-c . קיומו של מקומיים שיווי משקל תרמודינמי, ליקוויד טנשן אקספרימנט, נצפו על שטח החקירה שרירותי, במרחב מוגבל מצלמה על פני השטח של הזרם ממוקדת, ואז הוכח; ראו איור 3. עדות לטיסות חלש ללא שיווי משקל ליקוויד טנשן אקספרימנט – המתרחשים על סולמות חלקיקים בודדים, והופקה על ידי הזרקה מחזורית של האנרגיה התנודתית לתוך כלי התקשורת תבואה — ולאחר מכן מוצג; ראה איור 4. לבסוף, כאמצעי הממחיש את הארוך-זמן-המשקל, זורם פרטנית ללא שיווי משקל יכול להיות סביר החזוי בבקתות־חוף בגירסאות של חלקיקים-מידה מדויק, דיסקרטית, מסה, תנע חוקי שימור, כאן, נאוויה-סטוקס (NS) משוואות, אנו מציגים השוואה בין שדות התבואה זמן ממוצע נצפתה זרימה נגד אלה החזוי על ידי המשוואות NS; ראה איור 6.

בניסויים שלנו, אנחנו חוקרים מונחה רטט הדינמיקה של מדיה שמונה תבואה שונים, לכל סוגי המדיה מאופיין על ידי צורה נתונה, או תערובת של צורות, צפיפות מסה ו קבוצה אופיינית, קבוע של ממדים. בניסויים כל, הקערה של media מתמלא מסה סכום קבוע של דגן מדיה, תדר הרטט של משרעת של הקערה קבועות הרץ. 29.3 ו- 2 מ מ, בהתאמה. כפי שהיא מתוארת סרט משלימה 1a, נצפתה תבניות זרימה תבואה, הן עבור כל מדיה שמונה, איכותית. מהניסוי דומה: איטי, יציב, תלת מימדי זרם לוליינית, המשקף רכיב דומיננטי, בצורה רדיאלית-פנימה, באילו זרמי מדיה מן הקערה החיצוני גבול בצורה רדיאלית פנימה לכיוון הגבול הפנימי של הקערה, בשילוב עם רכיב azimuthal חלש. לפיכך, בניגוד מדידות פיזור אור ניוטרון, מדידות של מכניקה סטטיסטית יחיד-חלקיק, מולטי-particle-בקנה מידה צריך כאן להתבצע בנוכחות זרימה ללא שיווי משקל.

זז דגן מערכות מאפשרות מה שאנחנו מאמינים שהוא ניסיוני ההפגנה הראשונה של שיווי משקל תרמודינמי מקומיים בתוך זורם נוזל ללא שיווי משקל. כפי שמוצג באיור3, היסטוגרמות המנורמל של מהירויות נמדד אופקית תבואה משונה, שהושג באזור חקירה קבועה 4 מ מ x 4 מ מ על פני השטח ערימת תבואה, הם בכושר היטב על ידי פונקציות התפלגות מקסוול-בולצמן (MB). הפצות MB, בתורו, לספק ראיות חזקות של מספר מאפיינים דינמיות היסוד: i) הם עקביים עם קיומו של התנגשות-סרגל dynamics המילטוניאן (dissipationless), כנ ל ii) הם עקביים עם קיומו של אנרגיות פוטנציאל interparticle ללא תלות מהירות, כמו גם פוטנציאל תלויית אנרגיות, ו- iii) הם מספקים ראיות חזקות של שיווי משקל מקומי, מאקרוסקופית, מכני. חשוב לציין, כל התכונות הללו אפשר לפרש macroscale התגלמות של תכונות דינמיות באופן מסורתי ההנחה במערכות hydrodynamic מולקולרית נוזלי-מצב שיווי משקל.

על מנת לחשוף את המכניקה הסטטיסטית של הבודדים הגרגרים, המהירות תבואה המקומי המיוחד חייב להיות מופק המהירות שנמדדה התבואה המקומית: אני) הראשון, תקופתיים ספקטרלי רכיבים בתוך המהירות שנמדדה מקומיים, המשקף מוצק דמוי רטט אלסטי של ערימת תבואה, חייב להיות מסונן מ ה (PIV-) מהירות שנמדדה, משתנה הזמן שנצפה בנקודה החקירה. ii) הבא, הפרוטוקול המקומיים מסוננת מהירות, המייצגים את הרכיב גרידא, כמו נוזל זרימה של הדינמיקה של הגרגרים, משמשת כדי לקבוע את הזמן המקומי, מהירות ממוצעת (לאורך כל התקופה הניסיונית, Equation 36 iii) בסופו של דבר, המקומי מהירות ממוצעת (מסונן) יופחת מ משתנה הזמן המקומי מסוננים המהירות. הרשומה מהירות וכתוצאה מכך משתנה הזמן ובכך מייצג את מקומי מהירות נוזל מוזר, כפי שנצפה בנקודה החקירה.

מעבר נטייה לחזור, בכל המקומות, לכיוון ליקוויד טנשן אקספרימנט, מערכות דינמיות מאקרוסקופית – אם הם רוצים לשמש אנלוגים נכון של מערכות hydrodynamic מולקולרית נוזלי-המדינה - צריך להחזיק קבוצה שנייה של מאפיין קריטי: תנודות אקראיות חלש מ מקומית שיווי משקל, המתקיים על התנגשות, משנה-collision-זמן-קשקשים, עקביים עם כללית Langevin dynamics. כאן, כפי שמוצג באיור 4, הפונקציה autocorrelation מנורמל יחיד-תבואה מהירות (מוזר), Equation 37 , מוצגים באותו מבנה איכותי רב-חזה בהדמיות MD צפופה גזים ונוזלים2,13 : i) מהירה, ללא-מעריכית, משנה-collision-סרגל זמן דעיכה כדי ערכים, ואחריו ii) מורחבת, שליליים מעט איטי, גישה חזרה לכיוון האפס. פיזית, ושוב2,4 זנב ארוך שלילי באיור איור 4 מופיע כדי לשקף את השפעתן הקולקטיבית של השכנה בקנה אחד עם חזה-MD dynamics מולקולה בודדת ב נוזלים צפופה grains על התנועה של הבודדים הגרגרים12. במונחים תיאורטיים, המבנה זמני קצר-סרגל של Equation 38 באופן מלא תואם, ניתן להסבר במונחים של, מוכללת דינמיקה Langevin2.

עוד דינמיות מרכיב הכרחי לביסוס אנלוגי מאקרוסקופית חזוי למערכות hydrodynamic מולקולרית נוזלי-המדינה מתמקדת הידרודינמיקה קולקטיבית. תחילה, על פרקי זמן ארוכים – ארוך יחסית Equation 39 - על גדול-פיסיקליות – גדול יחסית הממד תבואה אופיינית, Equation 40 -מערכת מאקרוסקופית הידרודינמיקה חייב להפגין באותו מבנה מודאלית בתגובה חזה ולא נצפתה מערכות מולקולרית נוזלי-המדינה2,9,10. כאמור לעיל, התגובה של נוזלים צפופה של מערכות תנודות ספונטני והן שהטיל מבחוץ הפרעות - לדוגמה, קרני החלקיקים בניסויים פיזור ורעידות קטנות-משרעת בניסויים שלנו – מורכב משני viscously-damped נגד הפצת מצבי קול, שני, חשיפות, מצבי טרנדו המפזרת, מצב המפזרת תרמי (האנטרופיה). שנית, הדינמיקה קולקטיבית סרגל זמן ארוך, אורך-בקנה מידה גדול של מערכות N-חלקיקים מאקרוסקופית – כמו מערכות מולקולרית – להמשיך את המשוואות NS (לרבות, שוב, שימור מסה ואנרגיה).

כיום, ביחס מאקרוסקופית תגובה מודאלי, יש לנו רק עקיף ראיות ניסיוני של מצבי אקוסטית לח נוזל-המדינה : כמוצג באיור 5, solid-state אקוסטית גלים עומדים, מונחה-הרטט שנכפה עליו תדירות, Equation 41 כמו גם ברגע הרמוניות של Equation 41 הם נצפו שלנו ערימות התבואה זז. למרבה הצער, בשל מגבלות במערכת הניסוי הנוכחי, אנחנו לא להתבונן מצבי אקוסטית ב ספקטרום של המהירות המקומי המיוחד נוזל . כדי לרגש כגון מצבי, ניסויים חדשים שיבוצע בו הקערה של media יהיה כפוף ההשפעה מחזורית. מבוסס על קיומו ברורה וחד משמעית של מצבי אקוסטית של מצב מוצק, אנו צופים כי גישה זו תחשוף את מצבי אקוסטית נוזל-המדינה.

לעומת זאת, יש לנו ראיות חזקות לפיהן הדינמיקה הקולקטיבית, מאקרוסקופית, ותיק, בקנה מידה גדול של ערימות התבואה זז מציית את המשוואות NS. כפי שמוצג באיור 6, הפצות מהירות נמדד PIV מצב יציב הנמדד על פני השטח של ערימה vibrated טוב חזה על ידי משוואות NS14. כאן, כמפורט Mullany. et al. 14, המשוואות נפתרים מספרית בתוך תחום מלבני, מימדי המקביל FOV משטח המשמשים PIV מהירות שדה המידות14. הסימולציות להשתמש תבואה אפקטיבי נמדד השפעול צמיגויות ולהטיל משתנה במרחב מהירות תנאי גבול, נקבע על ידי מדידות PIV, על שלושה מתוך ארבעה גבולות התחום. למרות הסימולציה ההנחה היא אך ורק שני ממדי זרימה, שבו הזרימה בפועל הוא תלת-ממדי, מזניח את הנוכחות של hub של הקערה media מרכזי (האחרון לתת הקערה בצורת סופגניה/טבעתי), ממוצע השגיאות בין החזוי בפועל מהירות מגניטודות הם רק גודל 15%.

Figure 1
איור 1: הגדרת מערכת רטט ניסיוני עם המצלמה ותאורה - מערכת זו מורכבת הקערה פוליאוריתן טבעתי נתקל של הקוטר החיצוני של 600 מ מ, עם יחיד-מהירות (1740 rpm), מנוע לא מאוזן. המצלמה ומערכת תאורה מעל הקערה רטט, המחוברים תומכים מבנים או חצובות לא בקשר עם מערכת רטט. פעולה זו מבטיחה כי ההצעה של הקערה אינו גורם התנועה את המצלמה או את האור. משאבת מינון מספק זרימה קבועה לשמן את המדיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

משלימה סרט 1: תבואה טיפוסי זרימת וידאו- () A קליפ טיפוסי של הזרם דגן כפי שנתפסו על ידי המצלמה במהירות גבוהה. (b) איטית וידאו של מדיה שעברו זרימה וצורניים סביב לחומר נייח (c) איטית וידאו של מדיה שעברו זרימה תקינה לתוך העובּד נייח. השדות PIV למדוד מהירות (ג) מושווים נגד מהירות תיאורטית מחושב שדות איור 6. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקבצים האלה.

Figure 2
איור 2: דוגמה עיבוד ועיבוד פוסט תמונות- () A טיפוסי FOV תמונה בודדת נלקח על ידי המצלמה במהירות גבוהה. (b) A תמונת כיול אופיינית עם סרגל שקנה המידה שלה השתנה. (ג) Zoomed על רקע וקטור מהירות מפה על המסגרת הראשונה של תמונות בשתי מסגרות המשמש לחישוב של וקטורים. הווקטורים מייצגים את תנועת החלקיקים בין מסגרות הראשון והשני של מסגרת כפולה. המהירות נעה בין ~ 0 m/s (אדום כהה) ל- 0.17 m/s (צהוב) באיור זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: ניסיוני עדות מקומית שיווי משקל מכני סטטיסטי. הפצות של מהירויות אופקי תבואה (אקראי) מוזר, נמדד בנקודה שמוצג (נ), מתאימים על ידי שתי הפצות מהירות תלת-ממדי של מקסוול-בולצמן (MB). (-י) מתארת מהירויות (v), ואת פונקציות צפיפות ההסתברות (pdf) הן ביחידות של s ס מ-1 ו- s ס מ-1, בהתאמה, קשקשי אדומה מייצגים 1 ס מ על ידי סוג גרעיניות. הדגנים המוצגים הם: () RS19K; טכניקה מעורבת (b); RS1010 (ג); RCP0909 (ד); RS3515 (e). דמות זו שונתה מ. Keanini et al. במדע Reports (2017)12. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: גרגיר, קצר-סרגל דינאמיקה. הפונקציה autocorrelation מהירות, Equation 42 , עבור הדגנים יחיד, המותווה כפונקציה של מספר תבואה התנגשויות, אופייניים Equation 43 , כאשר t הוא זמן השהיה של Equation 31 הוא תדירות הרטט. התנגשות-סרגל זמן, גרגיר dynamics התערוכה מגמות איכותית מחקה אלה חזתה ב מולקולרית לנוזלים וגזים צפופה, לרבות: (i) לכוד דינמיקה של חלקיקים, כאן שקבע את הרצף בתגובה של נוזל תבואה הרטט מכריח12, דעיכה מהירה, ללא-מעריכית (ii) ב- Equation 38 , בקנה אחד עם Langevin מוכללת dynamics12, ו- (iii) ביטוי של גז דחוס, שלבים תרמודינמי נוזל נוזל מוצק נוזל ומעורבות12. דמות זו שונתה מ. Keanini et al. במדע Reports (2017)12. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: הרטט בתגובה רטט. משרעת ספקטרה15, נחוש מדידות מהירות של תבואה PIV המקומי ומן המכל בו זמנית האצת מדידות, מוצגים ( ו- b), בהתאמה. המיקום מדידה PIV מוצג באיור 3f; ההאצות של סמנים מיכל דגן מתקבלים מן הצד החיצוני של הגורם המכיל. תהודה אקוסטית גלים בתוך המערכת של מכולה ערימת תבואה, באה לידי ביטוי על ידי פסגות ההרים ספקטרום (א), נומינלית חופפים עם מצבי תהודה אקוסטית נרגש בתוך המיכל ריק, שמוצג (b). הידרודינמיקה של שני גרגרים בודדים ושל הערימה כולה תבואה נחשפים על-ידי סינון התגובה אקוסטית מוצק דמוי. דמות זו שונתה מ. Keanini et al. במדע Reports (2017)12. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: השוואה בין PIV נמדד PIV ניבא שדות מהירות. () PIV - שדה מהירות שנמדדה עבור זרימה תקינה בסביבה העובּד נייח (FOV היה מוגבל ל 91 מ מ x 198 מ מ כדי להתאים ההפרשים שצוין באזור) על התמונה של רטט מדיה המשמשת ליצירת מפה וקטורית; (b) מהירות חזה-CFD שדה עבור זרימה תקינה מסביב לחומר נייח. 6b דמות זו שונתה מן התזה ליאורה קצנשטיין ג'יי Navare16. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

על מנת להשתמש ערימות התבואה זז כמו תחליפי מאקרוסקופית על חקירת התהליכים hydrodynamic מולקולרית, experimentalist חייב מצד אחד, ללמוד, ארבע מידות בסיסיות ושימוש מאידך, מאסטר כמה אלמנטים בסיסיים של שיווי משקל, מכניקה סטטיסטית ללא שיווי משקל. התמקדות לראשונה מדידות ניסיוני, אלה כוללים: i) מדידה של תבואה בודדים dynamics באמצעות מדידה של הפונקציה autocorrelation יחיד-חלקיקים מהירות, ii) מדידה של מהירות תבואה השטח הממוצע/ארוך-זמן-סרגל זמן שדות, iii) מדידה של דגן מדיה יעיל צמיגויות, ו- iv) מדידת ספקטרום רעידות של הקערה מדיה, הן ריקות, מלא מדיה.

מדידה של פונקציה autocorrelation מהירות חלקיק יחיד

הדינמיקה אקראי של חלקיקים בודדים, או מולקולות במערכות microscale או זז גרגרים בשיטה הנוכחית, נלמדים באמצעות מדידה של הפונקציה autocorrelation מהירות חלקיק יחיד, Equation 38 2. קטן, למשל, מולקולות דו-אטומית, triatomic, Equation 38 מולקולרית נוזלים ניתן רק לקבוע באמצעות MD סימולציה2,6,7. לעומת זאת, Equation 38 עבור גרגרים בודדים בדגנים זז נוזל דמוי ערימות יכול השפעול להיקבע. באופן ספציפי, על מנת למדוד באופן מהימן Equation 38 , מספר תמונות, Equation 45 השיג עבור כל התבואה נתון עובר דרך הנבחרת (מצלמה) אזור חקירה, Equation 46 צריך להיות מנת של, או יעלה מספר אופייני תבואה התנגשויות, Equation 47 נדרש עבור Equation 38 להירקב מ גודל ראשוני של 1, Equation 48 , עד כמה גודל קטן, כמעט אפסי. עבור הדגנים הקיימים במצב נוזלי יעיל12, Equation 38 נרקב במהירות כדי מעט שלילי מגניטודות – ראה, למשל, איור 4 – ואפס ואז לאט לאט reapproaches. בנסיבות אלה, Equation 49 יכול להיות מוערך ככל שמספר ההתנגשויות גרעיניות המתרחשות עד מיידיות, האופיינית Equation 50 כאשר Equation 51 לפיכך, Equation 52 בו Equation 53 הוא תדירות רטט קערת דגנים שנכפה עליו. בסופו של דבר, Equation 45 יכול להיות המוערך Equation 54 בו Equation 55 מייצג גם את הצד באורך של האזור החקירה (מרובע), Equation 56 או מימד האופיינית המשויך Equation 46 Equation 57 נמדד על (PIV-) מהירות זמן הממוצע בסולם ריכטר-centroid של Equation 46 , Equation 58 הוא קצב המסגרות של המצלמה. הערה, בניסויים שלנו, Equation 59 Equation 60 Equation 61 Equation 62 Equation 63 , כך Equation 64 ו, לכן,Equation 65

מדידות נדרש לחשוף הידרודינמיקה פרטנית למצב נוזלי

גל אלסטי מצבי, במיוחד פונון מצבי, נרגש על ידי שני אמצעים חיצוניים ועל ידי תנודות תרמית אקראית, ידועים להתקיים נוזלים17,18. כמוצג באיור5, ערימות התבואה זז התערוכה גם מוצק דמוי אלסטי בתגובה מכריח הרטט. על מנת לבודד את מאפייני נוזל דמוי ערימת תבואה זז, יש לבצע שתי מדידות: אני) גל אלסטי מצבי בתוך הערימה חייב להיות מזוהה על ידי מדידת הספקטרום האצה של המיכל מדיה, תחת שני (מדיה-) נטען, תנאים לפרוק, ו- ii) מהירות הזמן הממוצע תבואה חייב למדוד, או את centroid של אזור חקירה קטנה אם חוקרים נוזלי-המדינה דינמיקה של גרגרים בודדים, או גדול יותר באזור החקירה (הרבה) אם לומד הקולקטיבי , הרצף דינמיקה של השדה זרימת נוזל תבואה.

לאחר מדידות אלה מתקבלים, ולאחר מכן כפי המפורט בעלון. Keanini et al. 12 , הרכיבים גרידא אלסטי/מוצק, כמו ספקטרלי של נמדד PIV הכולל המהירות – עבור הדגנים יחיד או עבור אוספים של גרגרים – מסוננת של ספקטרום נמדד של מהירות הכולל, מיקום ותלוי זמן. חשוב לציין, התוצאה ההנחה היא לייצג את הדינמיקה גרידא, כמו נוזל של החיטים vibrated. בהתחשב המהירות נוזלים דגנים מסונן מיקום ותלוי זמן – בנקודה או פני שטח מורחבת – ולאחר מכן, בהתאם למשימה, מספר הליכים עיבוד נתונים פשוטה יכולה להתבצע. לדוגמה, אם אחד מעוניין בהשוואה בין הרצף נצפתה זרימה תבואה שדות נגד אלה שמנבאת מודל hydrodynamic נתון, למשל, את המשוואות NS, אז השדה מיקום תלוית זמן-ממוצע מהירות יכול להיקבע על ידי מיחשוב פשוט הזמן הממוצע של כל תלויי-מיקום, זמן משתנה, מסוננים מהירות. ראו, לדוגמה, איור 6, לעיל. אם הדינמיקה של המיקום- המיוחדת תלויי-זמן, כלומר, מהירות אקראי שדה הם עניין, מיקום תלוית זמן-ממוצע המהירות (מסונן) יופחת מן המיקום ותלוי זמן. מהירות הכולל (מסונן). שלב עיבוד זה נדרש, לדוגמה, על מנת לקבוע יחיד חלקיקים מהירות פונקציות autocorrelation, Equation 66 ר' למשל, איור 4.

בסופו של דבר, יעיל דינמי או קנטית צמיגות, Equation 67 או Equation 68 בו Equation 69 , Equation 7 הוא זז תבואה יעיל צפיפות נוזל14 מייצג מרכזי ללא שיווי משקל תחבורה hydrodynamic המאפיין המשויך דגן זורם. לדוגמה, הערכים הנמצאות השפעול - או תיאורטית-קבע של Equation 67 או Equation 70 נדרשים בהדמיות hydrodynamic חישובית תזרימי תבואה. מבחינת היסוד, הערכים ניסיוני של Equation 67 או Equation 70 כדי לאמת תחזיות מכני סטטיסטי של מאפיינים אלה12. חשוב, הקבוצה שלנו יהיה בקרוב לדווח viscometric טכניקה פשוטה למדידת צמיגויות דינמי וברמות קינמטיות יעיל עבור משפחה גדולה של גרגרים זז, כפי שנמדדו במערכת הניסוי שלנו.

יסודות תיאורטיים

בסעיף זה, אנחנו להדגיש ערכה מינימלית של רעיונות תיאורטיים ושיטות ש-experimentalist צריך להתוודע כאשר מנסים להשתמש ערימות התבואה זז כמו אנלוגיים עבור הלומדים, חיזוי של הידרודינמיקה מולקולרית של נוזל מולקולרית מערכות. הכלל הבא חל קלאסית, לעומת מערכות נוזלי קוונטי; ההמלצות המוצעות הן, ברוב המקרים, נציג מספר גדול של מסמכים, מונוגרפיות וספרים. אלה רעיונות ושיטות הנפוץ ביותר נחלקים לשתי קטגוריות, שיווי משקל, ללא שיווי משקל המכניקה הסטטיסטית של מערכות N-חלקיקים.

על שיווי משקל מכניקה סטטיסטית, experimentalist צריך קודם מודל המערכת המילטוניאן19. המילטוניאן מתאר את התנגשות - ולא משנה-collision-סרגל זמן הדינמיקה של מערכת N-חלקיקים, והיא מורכבת בדרך כלל מונח מידול של המערכת הכולל translational אנרגיה קינטית, מונח דוגמנות אנרגיה פוטנציאלית הכוללת של המערכת, ואת במקרים שבהם חלקיקים עוברים משמעותית בתנועה סיבובית, מונח לכידת האנרגיה הקינטית המסתובבת הכולל. כדי להתחבר הדינמיקות המילטוניאן של מערכת N-חלקיקים המשויך שיווי משקל תרמודינמי פונקציות, כגון אנרגיה פנימית של המערכת, או מערכת יעילה הטמפרטורה או לחץ, אחד בדרך כלל הבא בוחר הולם סטטיסטי אנסמבל. N-חלקיקים במערכות, כגון אלה למד בנייר זה, אשר שמחים על ידי מקור נומינלית קבועה של אנרגיה - כאן, רטט עם מודאלים מרובים המיוצר על ידי מנוע תדר יחיד -19,20 אנסמבל microcanonical אנרגיה קבועה , 21 הוא המתאים. עם זאת, מאז חישובים תרמודינמי, כגון חישוב האנטרופיה במערכת, בדרך כלל קשה בהרכב הזה, אנסמבל הקנוני19 בדרך כלל בחירה טובה ומייצרת, יתר על כן, את אותו שיווי משקל תרמודינמי פונקציות להשיג באמצעות ההרכב microcanonical.

בהתחשב מערכת המילטוניאן ואנסמבל סטטיסטי שבחרת, אחד ואז בונה את פונקציית החלוקה של מערכת Q = Q (N, V, T)19,23, V ו- T איפה שיווי משקל נפח וטמפרטורה של המערכת. פיזית19,23, Q מכיל כל המדינות אנרגיה אפשרי, זה, באופן עקרוני, נגישים לכל המערכת. . למעשה, בהתחשב Q ולאור מה שנקרא גשר יחסי19,23 חיבור דיסקרטית N-חלקיקים מערכת dynamics של שיווי משקל תרמודינמי פונקציה19,23, ולאחר מכן כל שיווי משקל ניתן לחשב תרמודינמי מאפיינים המשויכים למערכת N-חלקיקים. אנחנו להדגיש נקודת נוספים: במערכות אינטראקציה, כגון ערימות התבואה פיצוי גבוה מונע על ידי תנודות משרעת נמוכה12,9,19 פונקציית הקורלציה זוג בדרך כלל מופיע (המחיצה הפונקציה, Q), עליך להיות נחוש בדעתך כדי לקבוע מאפייני שיווי משקל תרמודינמי.

לימודי מכניקה סטטיסטית שיווי משקל שאינו ספונטנית, דהיינו, תרמיות, וספונטניות, מבחוץ שהטיל לטיסות מקומיות שיווי משקל תרמודינמי, איפה האחרון עולות עקב מעברי צבע המרחבי במסה, תנע, ו/או אנרגיה. על מנת לפרש ולחזות ללא שיווי משקל דינמיקה של מערכות דגן זז, בהנחה חלש לטיסות מקומיות שיווי משקל - התמונה ההנחה, לדוגמה, ברצף זורם נוזל נשלטת על ידי המשוואות NS - ארבעה כלים תיאורטיים צריך להיות והוא שולט.

ראשית, בהתחשב הדינמיקות ללא שיווי משקל של הבודדים הגרגרים, את GLE, ה פשוטים יותר, ללא זיכרון Langevin המשוואה (LE)2,9,11 מספקים בסיס קפדני ללמוד תכונה זו. בפרט, דינמיקה קצר, התנגשות-סרגל, יחיד-דגן, צפיפות נוזל דמוי הברית12, הם הטובים ביותר מעוצבת באמצעות GLE, בזמן זמן רב יותר קשקשים - מ, נגיד 10 פעמים התנגשות, והוא עוד - LE, המתאר דינמיקה חלקיקים בראונית, מתאים12.

שנית, על מנת לחזות צמיגויות תבואה יעיל, כמו גם דגנים יעיל דיפוזיה עצמית המקדמים2 - הראשון, מאפיין תחבורה חיוני הנדרש לסימולציה במדויק את הזרימה הרצף של תבואה זז נוזלים, הירוק-Kubo יחסי2,9,23 זמינים. כדי להחיל את היחסים ירוק-Kubo, experimentalist צריך ללמוד איך אלה נגזרים; מקורותיה פשוטה יחסית ניתן למצוא, למשל, בון & ייפ2.

הכלי השלישי נדרש ללמוד את הלא-האיזון סטטיסטיים המכניקה של תבואה זז מערכות מקביל קפדני גס graining נוהל9,12 זה recasts את הגירסאות המדויק, דיסקרטית-חלקיקים של המסה, חוקי שימור תנע ואנרגיה לתוך הרצף, קרי, NS, טופס. ההליך ובכך מהווה גשר חיוני שיניעו בקפדנות את המשוואות הרצף המסדירים את הדינמיקה נוזל דמוי באופן קולקטיבי של מערכות דגן זז, כמו גם את הבסיס הרעיוני להבנת הקשר האינטימי בין מאפייני תרמודינמי שיווי משקל מקומיים, כמו לחץ, טמפרטורה, מהירות הקול חום ספציפי, העברת רצף ללא שיווי משקל, מסה, תנע ואנרגיה.

רביעית, על מנת לחשוף ולפרש אורך-בקנה מידה גדול,2,hydrodynamic מצבי9 משרה נוזלי מולקולרית והן מערכות דגן זז12, experimentalist להתחבר עם הניתוח של מצבים אלה. בקצרה, התגובה הרצף של נוזלים מולקולרית כדי פיזור קרני1,2,9, באופן דומה, תגובת הרצף ערימות התבואה רטט12, מגלה את קיומו של חמש, בשילוב, ליניארי ( כלומר-, חלש), מצבי קולקטיבית. המצבים נובעים 5, בשילוב, הרצף המוניים, משוואות שימור תנע ואנרגיה, ולחשוף פיזית, התהליכים מודאלי תקשורת מרחבית הבדלים במאפייני ההכפלה. אלה ההבדלים המרחביים, בתורו, כונן תחבורה הרצף של מאפיינים אלה.

שינויים, פתרון בעיות

בשביל המדידות PIV, קוטר הקערה יכול להיות שונה (גדל) עד לנקודה שבו שדה הראייה של המצלמה ניצב מעל קטע כמעט שטוחה של אזור הבדיקה אשר יסיר יותר מהאפקטים קצה. שיטות נוספות יכול להתווסף למדוד משתנים אחרים כגון כוח או לחץ.

החלקים מכני של הגדרת ניסיוני חזקים, דורשים מעט מאוד צרות הירי. אם התקשורת נראה כי דבק יחד, ניתן להגדיל את שיעור פתרון FC כדי להבטיח תנועה חלקה יחסית.

מרבית הירי צרות יהיה במערכות ניתוח PIV או נתונים. הבעיה הנפוצה הראשון מתרחש כאשר התמונות אינן מיובאות ברצף הנכון. ערכת תמונות אולי ימוינו באופן שגוי מערכת קבצים במחשב אם זה ממוספר באמצעות מספרים שליליים או חיוביים, כמו במקרה של אם המצלמה מוגדר להפעיל לאחר קבלת מאגר ראשוני של תמונות. מערכת קבצים יכול להציב את התמונות ממוספרות באופן שלילי ישירות לצד התמונה ממוספרות באופן חיובי המקביל שלהם, שיגרום התמונה שנקבע כדי לייבא סביבת תוכנה PIV בסדר הלא נכון, אשר בתורו מוביל ליצירה לא תקין של זוגיות מסגרות. תווית מחדש את התמונות באמצעות מספרים חיוביים בלבד כדי להבטיח שהם מסודרים ברצף הנכון.

אם המערכת PIV נותן שגיאות בעת ייבוא התמונות, זה ככל הנראה עקב הדימויים להיות בתבנית של שגוי. ודא תמונות הם גווני אפור באמצעות תוכנת עיבוד נתונים הנשמרים בתבנית TIFF לפני ייבוא ל- PIV תוכנה הסביבה.

כיול שגיאות יכול להיות גם נפוצה, אך לא תמיד הכירה עד העיבוד. הסביבה תוכנה PIV מפריד תמונה מיובאת ערכות לתוך "פועל", שלכל אחד מהם יש כיול ייחודי משלו. לכן, כל סדרת לכלול תמונת הכיול (שלב 2.2.7). כיול תמונות ייתכן שימוש חוזר בין פועל רק אם אין שום שינוי הגדרת הניסוי או שדה ראייה. ערכה חדשה של תמונות וניתן לייבא לתוך קיימת אם אמר בניהול נבחרה לפני הפעלת תהליך הייבוא (שלב 4.2.1). זה יאפשר התמונה החדשה מוגדר להשתמש בתמונה כיול הקיים של המרוץ, אבל רק לעשות אם כל הערכות התמונה לטווח הארוך נלכדים באמצעות אותה מצלמה.

מגבלות

המגבלות העיקריות של הטכניקה מדידה PIV, בתצורה הנוכחית שלו, הוא זה. אי אפשר לאמוד הרכיב מהירות אנכית תבואה, בניצב למשטח חינם נומינלית אופקי של המיטה תבואה. התצפיות שלנו, עם זאת, עולה כי הארוך-זמן-קנה המידה, הרצף תבואה זרימה נשאר בעיקרו אופקי על פני השטח ללא תשלום, ואילו הרכיב מהירות (מוזר) אקראי, אנכי קצר-סרגל זמן סביר של באותו סדר גודל כמו ( שני) נמדד רכיבים משונה אופקי. לכן, מגבלה זו יש השפעה קטנה על ניתוח של זרימה הרצף של השטח מיטה תבואה, בזמן סביר להניח תנועה אקראית אנכי קצר-סרגל משתף אותם מאפיינים סטטיסטיים לאלה שנמדדו עבור הרכיבים אופקי 12.

משמעות לגבי שיטות קיימות

לידע שלנו, זהו המחקר הראשון להדגים כי ערימות התבואה זז יכול לשמש אנלוגי חזוי לימוד תהליכי hydrodynamic מולקולרית נוזלי-המדינה. ישנן שתי גישות ללימוד דינמיקה מולקולרית בקנה מידה צפופה נוזלים, גזים, אחד מהם מודד אור, נויטרונים או קול בתדירות גבוהה המתפזרת של החקירה נפח1,2, ואילו האחר, שהמפתחות הדמיה מולקולרית מערכות דינאמיות6,7 . התוצאות של הניסוי הנוכחי הם משמעותיים מאז הם מראים כי תהליכים hydrodynamic מולקולרי יכול עכשיו להיות ישירות שנצפו באמצעות מדידות ניסיוני מאקרוסקופית של דינמיקה ערימת תבואה זז. באותה מידה מכני סטטיסטי משמעותי, מאקרוסקופית ומודלים זרימה של הרצף שפותחו במחקר זה לאפשר לפרשנות עקבית, כמותיים ותחזית של דינמיקה שיווי משקל, ללא שיווי משקל, יחיד-תבואה תבואה מרובה. עכשיו, experimentalist תוכלו ללמוד תהליכים אלה באופן ישיר, תוך עקיפת, לדוגמה, סימולציות שהמפתחות יקר, או טכנית מאתגר מדידות פיזור חלקיקים בקנה מידה מולקולרי. יתר על כן, למסגרת התיאורטית פותח כאן יכול לשמש כדי להצדיק חישובית נוזל דינמי (CFD) מידול זורם דומה14

יישומים עתידיים

שיטות נסיוניות מאקרוסקופית של מודלים תיאורטיים פותח כאן יכול לשמש גם כדי ללמוד מסה שונים לסיים תהליכים, למשל, רטט גימור14, אשר הם חשובים בייצור מגוון רחב של מכונות רכיבים. בנוסף, העבודה הבסיסית החלה כאן תמשיך כשאנחנו חוקרים קשרים דינמית בין ערימות התבואה זז, גבוהה-פיצוי ומערכות hydrodynamic מולקולרית נוזלי-המדינה. מודל ניצול בשיטת אלמנט דיסקרטית (DEM) נמצא גם הוא תחת פיתוח, שישמש מודל הפעולה דינמיות תלת מימדי של רטט לסיים תהליכים, כמו גם שהמפתחות לומד את הידרודינמיקה מולקולרית של תבואה זז מערכות. [DEM שונה חישובית דינמיקה של נוזלים (CFD) בכך CFD סימולציות נשלטים על ידי המשוואות NS, בעוד DEM מודלים נשלטים על ידי הדינמיקה הניוטונית חלקיקים collisional.]

שלבים קריטיים בפרוטוקול

השלבים הקריטיים ביותר ב פרוטוקול זה מן ההתחלה הראשונית להגדיר או המערכת הכללית, במיוחד את מיקום המצלמה ביחס הקערה, תאורה צריכה להיות ' מאטום לשקוף ' כך אחיד שיכסה את FOV, לאמת יש אין השתקפויות הגורמות בוהק תמונות, זרימה קבועה FC, כיול של מערכת PIV. בעת הגדרת את הקערה ואת המצלמה על החצובה/הפיגומים, זה יש לאמת כי מערכת רטט אינו נוגע כל חלק של המצלמה או מערכת תמיכה המצלמה כדי להבטיח המצלמה יישאר יציב לחלוטין לאורך כל הבדיקה. תאורה נאותה חייב להיות נוכח על אזור הבדיקה כולו כדי להבטיח המצלמה יכולה לאסוף יצירות בודדות של מדיה לאורך המבחן, כי הצללים אינם יוצרים נוספים רפאים חתיכות. כמות התחלתית של פתרון חייב להיזרק על התקשורת לפני הפעלת מערכת רטט כדי להבטיח התקשורת היא "יכולתי", לא נשארים ביחד עם תחילת המבחן. אם החלקים ביחד, הם כבר לא מייצגים מולקולות להשפיע על אחד את השני, הם גורמים חיכוך, אשר מתיש התקשורת ומשנה הגודל והמסה שלהם. אם הכיול של המערכת PIV או המשתנים הם לא תוזן למערכת כראוי, המערכת ייתן מגניטודות ובכיוון וקטור שווא. כדי להבטיח שהכיול הוא מדויק, השליט חייב להיות בניצב המצלמה עם קנה המידה קריא בקלות בתמונה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו היה נתמך על ידי המשרד של חיל הים המחקר (הריסות N00014-15-1-0020) [Tkacik, Keanini] והופיע ב אוניברסיטת צפון קרוליינה במעבדה של מחקר מוטורי של שרלוט ליטוש מדיה נתרם על ידי רוסלר.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
  2. Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (1980).
  3. Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles. J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).
  4. Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
  5. Evans, D. J., Morriss, G. P. Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , ANU E Press. (2007).
  6. Levesque, D., Verlet, L. Computer "experiments" on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
  7. Levesque, D., Ashurst, W. T. Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles. Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).
  8. Lovesey, S. W. Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. Lovesey, S. W., Springer, T. , Springer-Verlag. (1977).
  9. Forster, D. Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , Perseus. (1990).
  10. Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
  11. Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
  12. Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658 (2017).
  13. Kushick, J., Berne, B. J. Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids. J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).
  14. Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
  15. Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. G., Mullany, B. Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing. J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).
  16. Navare, J. Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , University of North Carolina at Charlotte. Charlotte, NC. MSME thesis (2017).
  17. Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421 (2012).
  18. Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193 (2016).
  19. Pathria, R. K., Beale, P. D. Statistical mechanics. , 3rd ed, Elsevier. (2011).
  20. Gibbs, J. W. Elementary principles in statistical mechanics. , University Press. (1902).
  21. Toda, M., Kubo, R., Saito, N. Statistical physics I. , 2nd ed, Springer-Verlag. (1992).
  22. Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
  23. Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , Springer. (1991).

Tags

הנדסה גיליון 130 מאקרוסקופית הידרודינמיקה נוזלי מולקולרית Velocimetry תמונה של חלקיקים תבואה פיזיקה אינטראקציות נוזלים צפופה מכניקה סטטיסטית מכניקת הרצף זז ערימת תבואה
טכניקת מאקרוסקופית אנלוגי לימוד תהליכי Hydrodynamic מולקולרית צפופה גזים ונוזלים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Dahlberg, J., Tkacik, P. T.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter