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Engineering

조밀한 가스 및 액체 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 아날로그 거시적인 기술

Published: December 4, 2017 doi: 10.3791/56632

Summary

조밀한 액체의 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 실험적으로 접근 가능한 아날로그 방식 제공 됩니다. 기술은 진동, 높은 회복 곡 식 더미의 입자 이미지 velocimetry를 사용 하 고 동적 프로세스 알려지고 강력 하 게 상호 작용, 높은 밀도 가스 및 액체에 예측의 직접적이 고 거시적인 관찰을 수 있습니다.

Abstract

조밀한 가스 및 액체 분자 규모 유체 프로세스를 공부 하는 아날로그, 거시적인 방법 설명 되어 있습니다. 기술을 적용 한 표준 유체 동적 진단, 입자 이미지 velocimetry (PIV)을 측정: i) 개별 입자 (곡물), 짧은, 곡물-충돌에 현존의 속도 시간 눈금, 모두 짧은 입자의 시스템의 속도 ii) 충돌-시간-및 긴, 연속체-흐름-시간-비늘, iii) 조밀한 분자 액체, 및 iv에 존재 하기 위하여 알려진 집단 유체역학 모드) 짧은-및 긴-시간-규모 속도 상관 함수, 중앙 입자 규모의 역학을 이해 하 강하게 상호 작용, 밀도 유체 시스템입니다. 기본 시스템 이미징 시스템, 광원, 진동 센서, 진동 시스템 알려진 미디어, 그리고 PIV 및 분석 소프트웨어로 구성 되어 있습니다. 필요한 실험 측정 및 아날로그 기술을 사용 하 여 분자 규모 유체 프로세스를 공부 하는 데 필요한 이론적 도구에 대 한 개요는 강조 표시 됩니다. 광자를 비교적 간단한 대안을 제공 하는 제안 된 기술 그리고 중성자 빔 분자 유체역학 연구에 전통적으로 사용 되는 분산 방법.

Introduction

유체역학 분자 역학과 개별 분자의 통계 역학과 유체 내 분자의 연구. 많은 실험 기법 중 분자 유체 시스템1,2, 산란1,2,3, 분자 동적 시뮬레이션4, 공부에 대 한 개발 5,,67 그리고, 낮은 정도로 탄성이 중성자 산란8 가장 일반적으로 사용 되었습니다. 불행히도, 중요 한 제한 후자의 두 가지 방법에 연결합니다. 예를 들면 분자 역동성 (MD) 시뮬레이션: i)는 작은 공간 및 시간 제한 Equation 1 상대적으로 적은 분자를 포함 하는 도메인 Equation 2 , ii) 사용 해야 대략적인 간 입자 잠재력의 iii) 일반적으로 정기적인 소개 경계 조건, 비 평형 대량 흐름 조건, 및 4에서 잘못 된) 현재, 수 없습니다, 어떻게 분자 규모 역학, 단일 분자 또는 분자의 컬렉션의 근본적인 질문에 대답, 영향을 받는, 그리고 부부 다시, 대량, 비 평형 유체 흐름. 중성자 산란과 관련 된 주요 제한 액세스 중성자 빔 소스 사용할 수 있는 제한 된 수의 어려움에 묶여 있습니다.

이 문서에서 제공 하는 아날로그 실험 기법에 대 한 컨텍스트를 제공, 우리는 간단한 조밀한 가스와 액체 상태의 유체에 적용 되는 산란 기술을 강조 표시 합니다. 전형적인 산란 실험에서 편광된 레이저 광선 정지 액체 샘플을 포함 하는 작은 심문 볼륨에 지시 된다. 샘플 내에서 분자에서 흩어져 빛 다음 일부 고정 각도로 입사 빔을 기준으로 검색 됩니다. 관심의 분자 동적 정권 따라 탐지 및 흩어져 빛 신호 분석은 라이트 필터링 또는 빛 감지 방법을 혼합을 통합 합니다. 필터링 기술, 보다 짧은 조정 시간에 액체 상태 분자 역학 조사는 베른 및 Pecora1설명 된 대로 Equation 3 s, 후 비 산 간섭계 또는 회절 격자를 소개 하 고 스펙트럼 밀도의 가능 흩어져 빛. 느린 시간 스케일 역학에 대 한 사용 기술의 혼합 광 Equation 4 s, 대조적으로, 통합, 흩어져 신호의 스펙트럼 콘텐츠 측정된 흩어져 빛에서 추출 되는 포스트 scattering autocorrelator 또는 스펙트럼 분석기 강도입니다.

일반적으로, 레이저 프로브, 적어도 그는 스펙트럼의 보이는 범위에서 액체 상태 분자의 특성 간격 보다 훨씬 긴 파장을가지고. 이러한 상황에서 조사 빔 흥분 5 집단, 느린 시간 단위, 긴 파장 유체역학 모드2,,910 (느린 특성 충돌 주파수 기준): 두 viscously 감쇠, 카운터 전파 하는 음파, 두 uncoupled, 순전히 방산 전단 모드 및 단일 방산 열 (엔트로피) 모드. 가로 방향으로 회전력 모드는 흥분 하는 동안 사운드 모드는 입사 빔 (세로) 방향으로 기쁘게 생각 합니다.

순수 실험 기법, 마음의 평형 및 비 평형 통계 역학, 분자의 거짓말 두 가지 근본적인 질문을 비 산 고려 액체 상태 시스템, 빛 및 중성자 산란 측정 넘어 유지 됩니다.
고전 뉴턴 역학 또는 양자 역학, 개별 액체 상태 분자의 무작위, 충돌 및 하위-collision-시간-스케일 역학에서 개 주 될 수 있다 1) 엄격한 인수9,11 쇼는 일반화 된 Langevin 방정식 (GLE)의 형태입니다. GLE, 차례 차례로, 조밀한 가스 및 액체 분자의 비 평형 통계 역학의 연구에 중앙 이론적 도구를 구성 됩니다. 불행히도, 개별 (비 고분자) 분자의 역학 중 분산 기술에 의해 해결 될 수 없는, 거기 이므로 현재 직접적인 방법, MD 시뮬레이션 넘어 GLE의 유효성을 테스트 하려면.
2) 기본적인 가설 거시적인 연속체 유체 역학의 중심부에서 거짓말, 또한 미 분자 유체역학, posits 그에 길이 및 시간-눈금 분자 직경 및 충돌, 하지만 작은 연속체에 상대적으로 큰 길이 시간의 척도, 현지 열역학 평형 (LTE) 통용 한다. 연속 흐름 및 열 전송 모델에서 Navier-스톡 스 (NS) 방정식 같은 LTE 가정은 필요한9 본질적으로 비 평형, 연속체 규모 흐름 및 에너지 전송 기능을 결합 하기 위하여-같은 점성 전단 응력 및 열 전도-엄격 하 게 평형 열역학 속성, 온도 내부 에너지 등. 마찬가지로, 미 추진력과 에너지 전송 됩니다 본질적으로 비 평형 과정, 결합된, 눈금 질량의 모양을 반영 하는 동안 이러한 미 프로세스의 기세, 및 에너지 전류, 모델 가정 하는 전류 LTE9에서 작은 물결을 나타냅니다. 다시, 우리의 지식의 최선을 LTE 가정의 직접 실험 테스트가 되었습니다. 특히, 그것은 아무 분자 유체역학 산란 실험 밀도, 이동, 비 평형 액체 흐름 내에서 시도 되어 나타납니다.

이 문서에서 우리는 거시적인, 단일 입자와 입자 집단 역학 표준 입자 이미징 Velocimetry (PIV)를 사용 하 여 측정 진동 곡 식 더미의 수 예측에 사용할 직접 하지, 아날로그 실험 기술 개요 해석 하 고 조밀한 가스 및 액체에서 단일 및 다중 molecule 유체역학을 노출. 제안 된 기법을 사용 하는 실제 및 이론적인 요소12우리의 그룹 의해 간행 된 최근 종이에서 진술 된다. 실험적으로, 거시적인 시스템을 전시 한다: (i)는 지속적인된 지역, macroscale 통계 기계적 균형, 및 (ii) 작은 선형에서 출발 균형을 모방 (약한) 비 평형 변동 경향을 관찰 분자 유체 시스템입니다. 이론적으로: 평형과 밀도의 약하게 비 평형 통계 역학을 설명 하는 (i) 클래식 미 모델, 상호 작용 N 입자 시스템 해야 될 개 주 macroscale 형태로, 그리고 (ii) 결과 macroscale 모델 해야 안정적으로 짧은, 입자 충돌-시간-눈금, 연속 흐름-시간 눈금에에서 단일 및 다중 입자 역학을 예측 했다.

여기, 우리는 자세한 실험 프로토콜 뿐만 아니라 새로운 기술에 의해 얻은 대표적인 결과 제시. 달리 MD 시뮬레이션 및 빛과 중성자 산란 방법, 새로운 기술, 수 처음으로 흐르는, 강력 하 게 비 평형, 조밀한 가스와 액체 내 분자 유체 프로세스의 상세한 연구.

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Protocol

1입니다. 진동 시스템의 준비

  1. 그림 1에서 같이 진동 시스템을 설정 합니다. 환상 폴리우레탄 그릇 (데 600 mm의 외부 직경), 단일-속도 (1740 rpm), 불균형된 모터에 연결 된 후자 생성 프로세스 진동이이 시스템에 의하여 이루어져 있다. 이것은 중된 기지에 연결 하 고 8 개의 온천 (그릇 및가 중된 자료 구입 한 조각으로 조립)의 그룹으로 구분. 스탠드를 그릇 어셈블리를 연결 하 고 두 개의 제공 된 고무 후크 보안. 연동 펌프를 그릇 근처 테이블에 놓고 윤 활 입구 포인트 그릇 펌프 출구 호스를 연결 합니다.
    1. 낮은 진폭 조건 하에서 기록 된 그릇 진동에 고리 모양의 그릇의 내부 반지름을 3 축가 속도계를 부착 하 고 센서 신호 컨디셔너에는 속도계를 연결. 진동 시스템에서 테이블에 신호 컨디셔너를 놓습니다. 가 속도계/신호 컨디셔너 조합 표준 컴퓨터에 설치 된 데이터 수집 하드웨어/소프트웨어에 의해 제어 됩니다.
  2. 물에 세척 하 고 건조를 허용 하 여 선택한 미디어를 준비 합니다. 여러 종류의 미디어는 다양 한 실험 동안 사용 되어 왔습니다. 이 문서에 대 한 미디어 바로 잘라 삼각형 (10 m m x 10 m m x 10 m m 삼각형 고 전면 두께 10 m m에서 볼 때)를 연마 하는 세라믹을 사용 합니다.
    1. 먼저 실험실 규모는 빈 플라스틱 자루를 배치 하 고 규모를 taring 하 여 밀도 포장 하는 미디어를 확인 합니다. (않기로 18.927 L (5 분)을 초과 하 고 미디어 (g 또는 kg)의 무게를 기록 선택한 미디어와 플라스틱 자루를 채우기 합니다. 이 유형의 미디어와 현재 실험 설정에 대 한 무게 22.68 kg (50 파운드) 이었다.
      1. 대형 싱크대에 또는 다른 장비에서 건물 밖에 서 양동이 놓습니다. 양동이 작성 (이 설정에 대 한 18.927 L (5 분) 양동이 사용 되었다) 전체 마크 하 고 천천히 물을 양동이에 플라스틱 자루 미디어의 전체 낮은. 미디어의 자루 완전히 빠져들 면 천천히 splashing 피하기 위해 자루를 옆으로 배치 하는 물에서 가방을 올립니다. 졸업 하는 1000 mL 실린더를 사용 하 여 양동이 물 추가의 총 금액을 기록, 그것의 원래 전체 마크를 리필. 이 양의 물 추가 될 것입니다 Equation 5 어디 Equation 5 (에 대 한 설정, 13750 mL의 물이 양동이에 다시 추가 되었습니다) 미디어의 볼륨을 포장 하는 소재. 추가 하는 물의 양을 사용 되는 매체 형식에 종속 됩니다.
      2. 다음 수식으로 미디어의 패킹 밀도 계산.
        Equation 6
        어디 Equation 7 미디어의 패킹 밀도 Equation 8 는 미디어의 질량 (이 미디어에 대 한 밀도 계산 1649 Equation 9 ).
    2. (이 모델은 두 가지 옵션, 1) 벽에 플러그 또는 2) 서에 연결 된 타이머 달린) 전원 콘센트에 연결 해 진동 시스템을 활성화 합니다. 데이터 수집 소프트웨어는 컴퓨터에 프로그램을 작성 하는 사용자에 "시작" 화살표를 눌러 활성화 하 고 1 분에 대 한 데이터를 수집. 가속도 데이터는 모두 즉시 검토 (모두는 시간 도메인과 주파수 도메인)에 대 한 표시 되며 잠재적인 사후 처리를 위해.csv 파일에 자동으로 저장 된. 비활성화 진동 시스템을 전원 콘센트에서 장치를 분리 합니다.
    3. 진동 그릇에 미디어를 추가 합니다.
    4. 화합물, 3880 mL 물과 마무리 복합 (FC) (3% 볼륨) 솔루션의 120 mL의 구성 된 준비. 1.9 L/h (27이 흐름 속도 달성 하기 위해 회전 속도 다이얼), 연동 펌프를 설정 하지만 흐름을 시작 하지 마십시오. 솔루션 recirculated 하지 하지만 젖은 미디어를 유지 충분 하다 이렇게 하면. (이 솔루션은 일반적으로 사용 되 진동 마무리 솔루션). 솔루션 윤 활 에이전트 역할을 하 고 미디어를 함께 하지 않거나 절차 동안 아래로 착용 되도록 합니다.
    5. 전원 콘센트에 연결 해 진동 시스템을 활성화 합니다. 1.2.2 단계에서 지정 된가 속도계 데이터를 수집 합니다. 비활성화 진동 시스템을 전원 콘센트에서 장치를 분리 합니다.

2. 고속 이미징

참고: 흐르는 곡 식 더미, 이미징 영역의 표면 부분을 이미징 하 여 얻은 곡물 속도 필드 측정을 위해 Equation 10 시야 (FOV) 단계 2.2.4 아래에서 확인에 해당. 시간 가변의 측정, 개별 입자 속도 (더미 표면)에서 얻어질 수 있다 작은, 고정 하위 영역을 선택 하 여 Equation 11 , 내 Equation 12 로 아래, 어디 Equation 11 개별 곡물의 예상된 지역 순서입니다.

  1. 고속 카메라 설정 (카메라는 1504 x 1128 해상도 (fps) 초당 1000 프레임) 삼각대에 그것을 배치 하거나 (때 그릇 vibra 진동 시스템의 오픈 표면에 수직인 렌즈와 단단한 프레임을 구축 하 여 이미지를 캡처하려면 ting) 그림 1에서 보듯이 이 엄밀한 진동 시스템에서 별도 프레임과 보장 시스템에서 진동 영상에는 영향을 미치지 않습니다.
    1. 원하는 표면 통합 영역 및 해상도 대 한 적절 한 렌즈를 부착 합니다. 현재 설정는 18-250 밀리미터 줌 렌즈와 1:3.6-6.3 렌즈 비율을 사용 하 여.  카메라 전원 공급 장치 및 GPS 안테나를 연결 합니다.  CAT5 케이블을 사용 하 여 컴퓨터에 카메라를 연결 합니다.  렌즈의 끝은 미디어의 표면 위에서 약 550 m m 되도록 카메라를 놓습니다.
      참고: 배치 카메라 미디어 증가 가장자리 효과 일으킬 것입니다 너무 가까이 하 고 카메라를 너무 멀리 배치 하면 처리 하는 데 너무 어두운 이미지. 지정 된 거리에 가장자리 효과 및 테스트 영역의 전반적인 곡률 오류는 < 2%.
    2. 렌즈 뚜껑을 제거 하 고 카메라 소프트웨어를 시작 합니다. 때 시작 했다, "카메라" 버튼을 클릭 한 다음 확인을 클릭 합니다. 카메라 목록 채울 때 목록에서 카메라를 선택 하 고 열기를 클릭 합니다.
    3. "라이브" 탭에서 컴퓨터에 카메라 소프트웨어에서 카메라의 FOV를 보려면 "라이브" 단추 (파란색 화살표)를 클릭 합니다. 이미지 수를 지역 조명 광원을 켭니다. 이 테스트 지역을 균등 하 게 조명으로 밝은 빛을 수 있습니다. 그림 1 에서는 카메라와 조명 구성 진동 시스템에 관하여.
    4. f-중지를 확인 하려면 카메라에서 라이브 스트림을 사용 하 여 컴퓨터 화면에서 보고 하 고 f-중지를 최소 설정 (최대 밝기)를 조정 합니다. 에 f-중지로 설정 된 경우, 결과 필드의 얕은 깊이. 에 f-중지로 높은 설정, 화면이 너무 어두운입니다. 이 실험은 f-3.6으로 설정 되었습니다.
    5. 원하는 FOV (210 x 160 mm이이 경우에 대 한)를 제공 하는 렌즈에 초점 거리를 조정 합니다. 이 실험에 대 한 설정 미디어 표면 위에 550 m m 카메라로 사용 180 m m에 초점을 설정 합니다. 그림 2a 카메라 FOV를 보여줍니다.
    6. 디지털 카메라 소프트웨어를 사용 하 여 500 X 배율로 확대. 최고의 광학 초점을 위한 렌즈에서 초점 링을 조정 합니다. 디지털 확대/축소 100% (기본 보기)을 반환 합니다.
    7. 컴퓨터에 수집 설정에서 "속도 [Hz]"를 클릭 하 고 초당 500 프레임으로 설정 합니다.
      참고: 곡물 충돌 시간 단위 역학, 해결 하기 위하여 Equation 14 , 적어도 크기 순서 보다 커야 부과 진동 주파수 Equation 15 (여기 Equation 16 Hz)
    8. 보기의 필드에 통치 규모 장소 이미지를 복용 하기 전에 이 이후의 이미지 데이터 처리를 위한 길이 규모를 제공합니다. 카메라 소프트웨어에 인수 설정에서 "라이브"에서 "녹음" 탭을 선택 합니다. 1로 설정 하 고 "순환" 프레임 "녹화 모드" 설정 합니다. 그림 2b에서 보듯이 하나의 이미지를 기록 하는 "라이브" 탭에서 빨간색 동그라미를 클릭 합니다.
    9. "파일"을 클릭 하 여 획득된 한 이미지 편리한 파일 디렉터리 위치 (예: 외부 하드 드라이브)를 TIFF 파일로 저장 한 다음 "저장 인수"을 클릭 합니다. 여러 옵션 대화 상자가 표시 됩니다. 대화 상자에서 파일 형식 옆.tiff 드롭-다운 메뉴에서 선택 합니다.
      1. 대화 상자 아래쪽에 "다운로드 옵션" 탭을 선택 하 고 "찾아보기" 클릭. 대화 상자 위쪽에 있는 테스트에 대 한 폴더 이름을 추가 합니다. "찾아보기" 대화 상자에서 검색 하 고 원하는 위치 (예: 외부 하드 드라이브)와 적절 한 폴더를 선택 합니다. 폴더를 선택한 후 "저장" "확인" 다음 클릭 합니다. 다운로드 관리자 상자가 나타납니다. 파일 전송 하위 001 폴더에 지정 된 파일 위치에 저장을 시작 합니다. 이미지 전송 했습니다, "완료" 상태 상자가 화면에 표시 됩니다.
      2. 빨간 삭제 버튼을 클릭 하 여 카메라에서 이미지를 삭제 합니다.
        참고: 프로토콜 수 수 일시 중지 여기.

3. 수집 데이터

참고: 프로토콜 일시 중지 된 경우 카메라를 다시 시작 해야 필요 합니다. 3.1 단계를 따릅니다. 프로토콜은 일시 중지 하지, 3.1.2 단계로 건너뜁니다.

  1. 카메라 소프트웨어를 시작 하 고 2 단계에서에서 지정 된 대로 조명 설정.
    1. 카메라 소프트웨어 활성화, 조명 조건 확인 하 고 상세한 단계 2.2.2에서에서 라이브를 실행 합니다. 에 적절 한 초점을 확인 합니다.
    2. 총 실험 실행된 시간을 선택Equation 17
      참고: 두 개의 경쟁 요구 사항을 충족 해야 합니다: i) Equation 18 충분히 통계적으로 고정 입자 흐름 조건에 설정 해야 하 고 ii) Equation 18 많은 양의 불필요 한 데이터를 생산 너무 오래 해서는 안됩니다. 고정 조건 표시 시간 규모는 시행 착오에 의해 결정 되어야 합니다. 다양 한 엄격의 다양 한 방법은 사용할 수 있습니다. 예를 들어, i) 확인 시간 평균 곡물 속도 고정 시점 또는 여러 고정 시점 도달 명목상 고정된 크기 또는 크기, 또는 ii), 고정 방법, 뿐만 아니라 해당 차이 또한 가정 명목상 고정 확인 크기입니다. 이 실험에 대 한 데이터는 10.12에 대 한 수집 된 해당 5060 프레임의 취득 하는 s. 입자 흐름에 꾸준히 조건 약 1 후 설정 s.
  2. 진동 그릇을 활성화 합니다.
    1. 150 mL 균등 하 게 제공 하는 미디어;의 초기 일로 그릇 주변 마무리/윤 활 화합물 (1.2.4 단계)의 확산 그리고 장소 조끼 남아와 복합 연동 펌프에 연결 된 호스와 바닥에. "시계"를 "off"에서 스위치를 틀 지 하 여 (단계 1.2.4에서에서 세트로) 연동 펌프를 활성화 합니다.
    2. 전원 콘센트에 연결 해 진동 그릇 설정 고도 습윤 되도록 1 분의 최소 기 미디어를 통해 움직임을 꾸준히 (꾸준히 움직임 경우 연동 펌프에서 그릇을 입력 하는 액체의 흐름은 약 그릇 드레인에서 배출 하는 액체의 흐름에 평등.
  3. 비디오 및 수집 데이터를 캡처.
    1. 액체에 꾸준한 운동 (단계 3.2.2)에 도달 하면, 컴퓨터 화면에 빨간색 기록 아이콘을 클릭 하 여 카메라를 실행 하 고 선택한 기간, 시간 기록 이미지에 빨간색 트리거 체크 표시 클릭 Equation 18 . 카메라는 지정에 대 한 이미지를 기록할 것 이다 Equation 18 그것의 내부 메모리에 그 이미지를 저장 하 고. 그림 2a 5060 이미지 촬영의 세트에서 단일 이미지의 예입니다.
    2. 일단 데이터를 수집 하 고, 전원 콘센트에서 분리 하 여 진동 시스템을 종료 하 고 "off"로 "시계 방향"에서 스위치를 내리고 여 연동 펌프를 비활성화.
      참고: 프로토콜 수 수 일시 중지 여기.

4. 프로세스 PIV와 비디오 데이터

  1. PIV 처리를 위한 고속 카메라 이미지를 준비 합니다.
    1. 2.1.9 단계에 설명 된 절차에 따라 TIFF 파일로 인수 이미지를 저장 합니다. (현재 시스템에서 5060 이미지 프레임 전송 한 시간 이상 10.12 s 소요 수집). 이미지 전송 되 면 "완료" 상태 상자가 화면에 나타납니다. 파일에 저장 됩니다 002로 식별 된 하위 폴더에 교정 파일 디렉토리. 카메라에서 이미지를 삭제 합니다.
    2. PIV 소프트웨어에 의해 처리할 수 있도록 하는 회색 음영 이미지에 컬러 이미지를 변환 합니다. "Imread()" 기능을 사용 하 여 데이터 분석 소프트웨어에는 이미지를 업로드. "Rgb2gray()" 기능을 사용 하 여 이미지의 복사본을 변환 하 고 "imwrite()" 기능을 사용 하 여 새 폴더에 이러한 새로운 이미지를 저장/쓰기.
      참고:이 프로세스/데이터 분석 기능 데이터 분석 소프트웨어의 여러 유형에 사용할 수 있는 이며 연구원 완전 한 프로그램으로 작성 된 것입니다. 그림 2 c 회색조로 변환 되어 되는 후에 확대 된 이미지의 예는 PIV에서 처리.
  2. PIV 소프트웨어를 사용 하 여 속도 필드를 계산.
    1. 가져오기 마법사를 사용 하 여 PIV 소프트웨어 환경에 단일 프레임 이미지도 회색 음영 이미지의 집합을 가져옵니다. "파일"을 클릭 하 여 가져오기 시작 하 고 "가져오기" 및 "가져오기 이미지"를 선택 합니다.  이미지 가져오기 마법사 대화 상자가 나타납니다.  메뉴에서 "단일 프레임" 가져오기 옵션을 선택 하 고 "이미지 추가" 버튼을 클릭 합니다.  보정 이미지를 선택 하 고 클릭 "오픈", "이미지 가져오기" 대화 목록 상자에 이미지 추가 하는.  이미지를 가져올 때 추가 보정 이미지 (단계 2.1.9) 먼저 가져오기 목록에 최고의 이미지입니다.  "이미지 추가" 버튼을 다시 클릭 하 고 모든 데이터 이미지 "열기" "이미지 가져오기" 대화 상자에 추가를 클릭 합니다.  모든 원하는 이미지 선택 후 "다음"을 클릭 합니다. 입력 사용 하는 카메라 설정, 대화 상자에 프레임 속도 픽셀 피치를 포함 합니다. "다음" 및 "" 가져오기 프로세스를 완료 하려면 마침을 클릭 합니다.
    2. PIV 소프트웨어에 입력된 길이 규모 매개 변수 및 이미지 설정에서 보정 이미지를 분리.
      1. 내용 목록 이미 표시 되지 않으면, 가져온된 이미지 집합을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭 하 고 데이터 기본 트리에 스크린의 왼쪽에 "내용 목록 표시"를 선택 합니다. 보정 이미지를 가정할 경우 첫 번째 가져온된 이미지, 목록 및 선택 "분할 앙상블에서" 여기에 두 번째 이미지를 클릭 마우스 오른쪽. "새로운 교정"를 표시 하는 스크린의 왼쪽에 위치에 설정 (교정 이미지만 포함) 새로 만든된 이미지를 끌어서 설정 합니다 됩니다.
      2. 새로 배치 된 보정 이미지 집합을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭 하 고 "측정 배율 인수"를 선택 합니다. 교정 이미지 화면 표시 되 면 배치 이미지에 "A"와 "B" 표시자 통치자 (또는 다른 개체의 눈금자 사용 되지 않은 경우 크기를 알고) "절대 거리" 텍스트 상자에 마커 사이의 거리를 입력 하 고. 보정 설정을 저장 하 고 닫습니다 대화 상자 및 교정 이미지 "측정 축척" 대화 상자에서 "확인"을 클릭 합니다.
    3. 가져온된 이미지 집합을 선택 하 여 이미지 쌍을 만들고 "분석"을 클릭 합니다. 다음 사용할 수 있는 분석 방법의 목록에서 "더블 프레임 만들기"를 선택 합니다. 선택 "(1-2, 2-3, 3-4... (N-1) 더블 이미지) "옵션을 스타일.
      1. 어떤 이미지 (이미지 보정)을 제외 하 고 이미지 집합에서와 이미지를 마우스 오른쪽 단추로 클릭 열고 선택 "입자 밀도". 대화 상자 표시 인식 입자는 화면에 표시 됩니다. 조사 지역 보기를 확대 표시 됩니다. 이 대화 상자에서 설정 탭을 클릭 하 고 "프로브 크기 영역" 3 입자의 최소 조사 지역에서 지속적으로 볼 수 있습니다 때까지 변경.  이 프로브 영역 크기를 심문 영역 크기 4.2.5 단계에서 입력 한 것입니다.
    4. PIV 처리 알고리즘 및 관련된 매개 변수를 선택 하는 설정 선택한 이미지에 "분석" 명령을 사용 합니다. "적응형 상관 관계" 방법을 선택 하 고 단계 4.2.5 공간에서 벡터를 정의 하는 데 사용 됩니다 픽셀의 영역을 정의 합니다. (이 과정 나누어 이미지 n × n 픽셀 "심문 지역"의 표)
    5. "심문 지역" 탭을 찾아서 8 픽셀의 최소 및 최대 256 픽셀의 사이의 사용 가능한 심문 면적 크기 (대 한이 방법은, 32 x 32 픽셀 사용 되었다)를 선택한 여 심문 영역 크기를 설정 합니다. 4.2.3.1 단계에서 결정 하는 값을 입력 합니다.
      1. 만든 벡터의 밀도 증가, 심문 지역 "오버랩" 비율 0%, 25%, 50% 또는 75% 중복 드롭-다운 메뉴에서 선택 하 여 추가 합니다.
    6. "적응형 상관 관계" 대화 상자에서 "확인"을 선택 하 여 측정된 곡물 속도 필드를 선도 하는 분석을 수행 합니다. 시스템 분석을 시작 합니다.  시스템 데이터를 처리할 때 첫 번째 벡터 지도 화면에 표시 됩니다. 나타나는 예상된 속도와 방향을 그림 2 c에서 보듯이 만족 결정 하기 위해 첫 번째 여러 속도 필드를 검사 합니다. 단계 4.2.4, 반복 속도 필드 현실적인 표시 되지 않습니다 분석 세션을 취소 하 고 분석 설정을 변경. (분석 완료 되 면, FOV, 스패닝 벗어나고 필드 생성 됩니다 (4.2.3 단계) 세트에 각 이미지 쌍). 그림 2 c 그레이 스케일 이미지에 중첩 된 분석 과정 예제 만족 스러운 벡터 필드를 보여 줍니다.
      참고: 각 n × n 픽셀 심문 영역에 대 한 PIV 소프트웨어 다음 이미지에서 해당 패턴에 대 한 심문 영역 내에서 하위 grain 규모 밝은 반점의 패턴을 비교 합니다. 이 비교에서 PIV 소프트웨어 결정 지역 평균 변위 벡터, Equation 21 , 그리고 마지막으로, 분할 하 여 Equation 21 프레임 사이 시간 증가 의하여 Equation 22 , 지역 평균 속도 Equation 23 어디 Equation 24 가리킵니다 심문 지역 Equation 24 . 현재 실험에서 각 심문 지역 이루어져 있었다 n x n = 32 x 32 픽셀; 각 210 x 160 mm FOV를 다시 심문 영역의 총 수 따라서 47 x 35, 1504 x 1128 픽셀에 해당 했다.

5. 프로세스 진동 데이터

참고: 5 단계 수행할 수 있습니다 동시에 4 단계와 분석 소프트웨어 또는 다른 컴퓨터 시스템을 사용 하는 경우.

  1. 데이터 분석 소프트웨어를 열고 떨리는 그릇 때 획득 데이터 비어가 속도계에가지고 "로드 ()" 함수를 사용 하 여 (단계 1.2.2). "Fft()" 기능을 사용 하 여 데이터의 고속 푸리에 변환 할. "플롯" 기능을 사용 하 여 데이터의 그림을 만듭니다. 진동 그릇 했다 현재 미디어 (단계 1.2.5) 획득 데이터와 반복.
    참고:이 프로세스/데이터 분석 기능 데이터 분석 소프트웨어의 여러 유형에 사용할 수 있는 이며 연구원 완전 한 프로그램으로 작성 된 것입니다.
    1. 유체역학 분자 과정을 공부 하기 위하여 데이터 처리 작업의 수는 일반적으로 필요 합니다. 주요 처리 절차;의 윤곽선 아래 대표 결과 및 토론 섹션을 참조 하십시오 Keanini, 참조 . (2017) 어떻게 측정된 PIV 데이터에 대 한 내용은 12 분자 유체 시스템에 대 한 동적 정보를 추출 하 사용할 수 있습니다.

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Representative Results

대표 결과 제시, 우리를 참조 하십시오 그의 관찰과 예측으로 연속체 시간 단위 프로세스 시간의 척도에 Equation 25 는 긴 눈금에 상대적인 특성 곡물 충돌 시간, Equation 26 Equation 27 입자 시간 단위 관찰 하 고 시간의 척도에 예측으로 처리 Equation 28 , 그는 순서의, 또는 보다 작은 Equation 29 Equation 30 어디 Equation 31 곡물 미디어 컨테이너의 진동 주파수는.

제안 된 기술 제공 동시, 통합, 단일 입자에 대 한 실험 정보 및 다중 입자, 임의의 시간 평균 역학 현존 역 PIV 카메라 샘플 속도에서 배열 하는 시간의 척도에 superposed Equation 32 를 주어진 실험 실행의 길이 Equation 33 여기, 결과 대 한 Equation 34 카메라 프레임 및 Equation 35 = 10.12 s.

결과 다음과 같이 구성 됩니다. 첫째, 우리 쇼, 모든 측정 진동 곡물 미디어 집단, 액체 같은 흐름; 이동 강하게 비 평형 조건에서 가져온 대표적인 비디오 클립을 사용 하 여 추가 영화 1a-c 를 참조 하십시오. 현지 열역학 평형, LTE, 세부적인 흐름의 표면에 임의의 공간적으로 제한 된 카메라 심문 영역에서의 존재는 다음 설명 했다; 그림 3을 참조 하십시오. LTE에서 약한 비 평형 출발의 증거-개별 입자 비늘에 일어나 고 곡물 미디어에 진동 에너지의 순환 주입에 의해 제작-다음 제시; 그림 4를 참조 하십시오. 마지막으로, 그 긴 시간 규모, 비 평형 세부적인 흐름 예측 될 수 합리적으로 정확한, 이산, 입자 규모 질량 및 운동량 보존 법칙, 여기, Navier-스톡 스 (NS)의 조잡 한 버전을 사용 하 여 시연 하는 수단으로 방정식, 선물이 NS 방정식;에 의해 그 예측에 대 한 관찰된 시간 평균 곡물 흐름 필드의 비교 그림 6을 참조 하십시오.

우리의 실험에서 우리는 진동 제어의 역학 8 다른 곡물 미디어, 각 미디어 유형에 주어진된 모양, 또는 모양, 질량 밀도, 그리고 특성, 고정 크기의 혼합물에 의해 특징 조사. 모든 실험에서 미디어 사 발은 곡물 미디어의 고정된 총 질량으로 가득 하 고 진동 주파수와 진폭 그릇의 각각 29.3 Hz와 2 mm에 고정 됩니다. 입자 흐름 패턴을 관찰 하는 보충 영화 1a에서와 같이 모든 8 개의 미디어, 질적으로 유사한는: 천천히, 꾸준히, 3 차원 나선형 흐름 지배, 광선으로 내부 구성 요소, 외부 그릇에서 어떤 미디어 흐름에 반영 경계 안으로 광선으로 그릇의 내부 경계를 향해 약한 방위 구성 요소와 함께 결합. 따라서, 빛 및 중성자 산란 측정, 달리 단일 입자-및 멀티-particle-규모 통계 역학의 측정 해야 합니다 여기 실시 비 평형 흐름의 존재.

진동이 곡물 시스템 우리 비 평형 액체 흐름 내에서 현지 열역학 평형의 첫번째 실험적인 논증을 믿는 수 있습니다. 그림 3에서처럼 정규화 된 히스토그램 곡 식 더미 표면에 고정된 4mm x 4mm 심문 영역에서 측정된 가로 독특한 곡물 속도의 맥스웰-볼츠만 (MB) 배포 기능에 의해 잘 맞는 있습니다. MB 배포판, 차례 차례로, 여러 기본 동적 속성의 강력한 증거를 제공: i) 그들은 충돌 시간 단위 (dissipationless) 해밀턴 역학의 존재와 일치, ii) 그들은 똑같이의 존재와 일치 잠재력 독립적으로 속도 독립적인 interparticle 잠재력 에너지, 운동 에너지, 및 iii) 지역, 거시적인, 기계적인 평형의 강력한 증거 제공. 중요 한 것은, 이러한 모든 기능 전통적으로 가정 평형 액체 상태 분자 유체 시스템에 동적 속성의 macroscale 구현으로 해석할 수 있다.

개인적인 곡물의 통계 역학을 노출 하려면 로컬 독특한 곡물 속도 측정된 지역 곡물 속도에서 추출 해야 합니다: 난) 로컬 측정된 속도 내에서 첫 번째, 정기적인 스펙트럼 구성 요소 반영 곡 식 더미의 고체 모양의 탄성 진동에서 (PIV) 필터링 해야 합니다 심문 지점에서 측정, 시간 가변 속도 관찰. ii) 다음, 로컬 필터링 속도 기록, 곡물의 역학의 순전히 액체 같은 흐름 구성 요소를 나타내는 지역, 시간 평균 속도 결정 하는 데 사용 됩니다 (전체 실험 기간 동안 Equation 36 iii) 마지막으로, 로컬 평균 (필터링 된) 속도 시간 다양 한 로컬 필터링된 속도에서 뺍니다. 심문 시점에서 관찰 결과 시간 가변 속도 기록 따라서 로컬 독특한 유체 속도나타냅니다.

LTE,으로 모든 위치에서 복귀 하는 경향이 이상 거시적인 동적 시스템-만약 그들이 진정한 아날로그 액체 상태 분자 유체 시스템의 역할을 소유 해야 한다 중요 한 속성의 두 번째 세트: 로컬에서 약한 임의의 변동 평형, 충돌 및 하위-collision-시간-비늘, 일치 하에 일어나는 일반화 Langevin 역학. 여기 그림 4정규화 단일 곡물 (독특한) 속도 자기 상관 함수, Equation 37 , 조밀한 가스와 액체2,13 의 MD 시뮬레이션에서 장기 예측 같은 질적 구조를 전시 : i)는 급속 한, 비-지 수, 하위 collision 시간 단위 감퇴 약간 음수 값, ii) 확장, 다음에 천천히, 다시 0으로 접근. 육체적으로, 그리고 다시 조밀한 액체의 MD 예측 단일 분자 역학과 일치2,4 에 표시 된 그림 4 의 긴 부정적인 꼬리 나타납니다 이웃의 집단적 인 영향을 반영 하기 위해 곡물의 움직임에 개별 곡물12. 이론적인 측면에서 짧은 시간 단위 시간 구조의 Equation 38 완벽 하 게 일관 되, 고의 측면에서 설명할 수 Langevin 역학2일반화.

액체 상태 분자 유체 시스템 예측 거시적인 아날로그를 구축 하는 데 필요한 또 다른 동적 요소 집단 유체역학에 센터. 첫째, 상대적으로 긴 긴 시간-비늘- Equation 39 -큰 길이-저울-특성 곡물 차원에 상대적으로 큰에 Equation 40 -거시적인 시스템 유체역학 같은 모달 응답 구조 예측 하 고 관찰을 전시 합니다 액체 상태 분자 시스템2,,910. 자발적인 변화를 외부에서 부과 된 소요-밀도 유체 시스템의 응답 위에서 설명한 예를 들어 산란 실험에서 입자 빔과 우리의 실험-작은 진폭 진동 구성 2 viscously damped 카운터 전파 사운드 모드, 2, 연결, 퍼지는 회전력 모드 및 방산 열 (엔트로피) 모드 둘째, 거시적인 N 입자 시스템의 긴 시간 규모, 길이 대규모 집단 역학-분자 시스템 처럼 따라야 NS 방정식 (를 포함 하 여, 다시, 질량 및 에너지 보존).

현재, 거시적인 모달 응답에 관하여 우리는 감쇠 액체 상태 음향 모드의 간접 실험적인 증거만: 그림 5에서 보는 바와 같이 고체 부과 진동에 청각 서 파 주파수, Equation 41 의 고조파에 잘 Equation 41 우리의 진동이 곡 식 더미에서 관찰 된다. 불행히도, 현재 실험 시스템에서 제한으로 인해 우리 할 관찰 하지 로컬 독특한 유체 속도의 스펙트럼에 음향 모드. 이러한 모드, 새로운 실험을 자극 하기 위해서는 것입니다 실시 미디어 그릇 주기적 영향 대상이 될 것입니다. 고체 음향 모드의 명확한 존재를 바탕으로, 우리는이 접근은 유체 상태 음향 모드 노출 예상.

대조적으로, 우리는 진동이 곡 식 더미의 집단, 거시적인, 오랫동안 및 대규모 역학 NS 방정식을 순종 할 강력한 증거가 있다. 그림 6에서 같이, 정상 상태 PIV 측정 속도 배급 vibrated 더미의 표면에 측정 NS 방정식14잘 예상 됩니다. 여기, Mullany 그 외 여러분 에 설명된대로 14, 방정식 숫자로 해당 표면 FOV PIV 속도 필드 측정14에서 사용 하는 직사각형, 2 차원 도메인 내에서 해결 된다. 시뮬레이션은 실험적으로 측정 된 효과적인 곡물 점도 사용 하 고 공간 변화 속도 경계 조건을 부과, PIV 측정, 3 4 개의 도메인 경계에 의해 결정 됩니다. 시뮬레이션에는 엄격 하 게 2 차원 흐름, 실제 흐름은 3 차원, 그리고 미디어 그릇의 중앙 허브 (후자 주는 그릇 도넛/원환형 모양)의 존재를 무시에서는 비록 평균 예측 사이의 실제 오류 속도 크기는 15%의 순서에 있습니다.

Figure 1
그림 1: 진동 시스템 카메라와 조명 실험 설정. 이 시스템은 단일-속도 (1740 rpm), 불균형된 모터. 600 밀리미터의 외부 직경을 갖는 환상 폴리우레탄 그릇으로 이루어져 카메라 및 조명 시스템은 진동 그릇 위에 일시 중단 하 고 구조 또는 진동 시스템 접촉 하지 삼각대 지원에 연결 된. 그러면 그릇의 모션 카메라 또는 빛에 움직임을 발생 하지 않습니다. 연동 펌프 미디어에 기름칠 꾸준한 유체 흐름을 제공 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

보충 영화 1: 일반적인 곡물 흐름 비디오. 고속 카메라로 캡처한 입자 흐름의 (a) A 일반 클립. (b) 슬로우 모션 비디오 미디어 고정 가공 소재에 정상적인 흐름을 진행 하는 미디어의 고정 가공 소재 (c) 슬로우 모션 비디오 주위 접선 흐름을 겪고. (C) PIV 측정 속도 분야는 그림 6에 이론적으로 계산 된 속도 필드에 대 한 비교 됩니다. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: 처리 및 사후 이미지 처리 예제. () A 전형적인 FOV 단일 이미지 고속 카메라에 의해 촬영. (b) 일반적인 교정 이미지 축소 통치자와. (c) Zoomed 속도 벡터 보기 지도 벡터를 계산 하는 데 사용 하는 이중 프레임 이미지의 첫 번째 프레임에 중첩. 벡터는 이중 프레임의 첫 번째 및 두 번째 프레임 사이의 입자 움직임을 나타냅니다. 속도 범위에서 ~ 0.17 m/s (노란색)이이 그림에서 0 m/s (짙은 빨간색). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: 지역 통계 기계적 평형의 실험적 증거. (F)에 표시 된 지점에서 측정 가로 독특한 (임의) 곡물 속도의 분포는 2 차원 맥스웰-볼츠만 (MB) 속도 분포에 의해 맞게 됩니다. (-e) 묘사 속도 (v), 그리고 확률 밀도 함수 (pdf)에 cm s-1 과 s c m-1의 단위 각각, 있고 붉은 비늘 대표 곡물 유형별로 1 cm. 표시 된 곡물은: (a) RS19K; (b) 혼합 미디어; (c) RS1010; (d) RCP0909; 그리고 (e) RS3515입니다. Keanini 에서이 그림 수정 되었습니다 과학 보고서 (2017)12. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: 단일 곡물, 짧은 시간 단위 역학. 속도 자기 상관 함수, Equation 42 , 단일 곡물, 곡물 충돌의 독특한 수의 기능으로 플롯에 대 한 Equation 43 , t는 시간 지연 및 Equation 31 진동 주파수는. 충돌 시간 단위, 단일 곡물 역학 전시 분자 액체 및 포함 한 조밀한 가스에서 예측 질적으로 그를 흉내 낸 동향: (i) 갇혀 입자 역학, 여기 연속체 응답 곡물 액체의 진동에 의해 결정 12, (ii) 급속 한, 비 지 수 감퇴에서 강제로 Equation 38 , 일반화 Langevin 역학12및 (iii) 형상 조밀한 가스, 액체, 및 혼합 액체-고체 열역학 단계12의 일치. 이 그림 Keanini 그 외 여러분 에서 수정 되었습니다. 과학 보고서 (2017)12. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5: 진동 진동 응답. 진폭 스펙트럼15, 로컬 PIV 입자 속도 측정 및 동시 컨테이너 가속도 측정, 결정 (ab), 각각 표시 됩니다. PIV 측정 위치는 그림 3 층;에 표시 됩니다. 곡물 컨테이너 가속도 컨테이너의 외부에서 얻을 수 있습니다. 봉우리에는 스펙트럼 (a)에 의해 각 성 곡 식 더미 컨테이너 시스템 내에서 공명 청각 파 공명 음향 모드 에서처럼 (b) 빈 컨테이너 내에서 흥분된 명목상 일치. 유체 역학 둘 다 개인적인 곡물의와 전체 곡물의 고체와 같은 음향 응답을 필터링 하 여 노출 됩니다. Keanini 에서이 그림 수정 되었습니다 과학 보고서 (2017)12. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6: PIV 측정 및 PIV 비교 예측 속도 필드. 고정 가공 주위 정상적인 흐름에 대 한 () PIV-측정된 속도 필드 (FOV 되었습니다 91 x 198 mm는 CFD에 맞게 제한 지역 지정) 진동; 벡터 지도 만드는 데 사용 하는 미디어의 이미지에 겹쳐 (b) CFD 예측 속도 고정 가공 주위 정상적인 흐름에 대 한 필드. 이 그림 6b J. Navare16MSME 논문에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

거시적인 아날로그로 진동이 곡 식 더미를 사용 하 여 분자 유체 프로세스를 조사, 순서는 experimentalist 해야 합니다, 한 반면에, 및 4 개의 기본적인 측정을 사용 하 여 학습과 다른 평형의 몇 가지 기본 요소를 마스터 하 고 비 평형 통계는 기계 실험 측정에 먼저 초점을 맞추고, 이러한 포함: i) 단일 입자 속도 자기 상관 함수, ii) 시간-평균/긴-시간-스케일 표면 입자 속도 측정의 측정을 통해 개별 곡물 역학의 측정 필드, iii) 측정 곡물 미디어 효과적인 점도, 및 iv) 미디어 그릇, 빈과 미디어 가득의 진동 스펙트럼의 측정.

단일 입자 속도 상관 함수 측정

단일 입자 속도 상관 함수의 측정을 통해 개별 입자, 분자 미 시스템에서 또는 현재 방법에 진동이 곡물의 임의의 역학 공부는 Equation 38 2. 작은, 예를 들면, 2 원자, triatomic 분자에 대 한 Equation 38 분자 액체에서만 결정 될 수 있다 MD 시뮬레이션2,,67. 대조적으로, Equation 38 액체 처럼 진동이 곡물에서 개별 곡물에 대 한 더미 결정 될 수 있다 실험적으로. 안정적으로 측정 순서에 특히, Equation 38 , 이미지, 수 Equation 45 선택 (카메라)를 통과 어떤 주어진된 곡물에 대 한 얻은 심문 영역, Equation 46 순서의, 또는의 특성 수를 초과 한다 충돌, 곡물 Equation 47 에 필요한 Equation 38 1의 초기 크기에서 부패 Equation 48 , 몇 가지 작은, 0에 가까운 크기. 유효한 액체 상태로12에 존재 하는 곡물에 대 한 Equation 38 약간 부정적인 크기-를 급속 하 게 부패 한다, 예를 들어, 그림 4 -를 참조 하 고 다음 천천히 reapproaches 0. 이러한 상황에서 Equation 49 는 순간까지 발생 하는 곡물 충돌의 독특한 수로 예상할 수 있는 Equation 50Equation 51 , Equation 52 어디 Equation 53 부과 곡물 그릇 진동 주파수는. 마지막으로, Equation 45 으로 추정 될 수 있다 Equation 54 어디 Equation 55 어느 쪽-의 길이 나타냅니다 (사각형) 심문 지역 Equation 56 또는 연관 특성 차원 Equation 46 Equation 57 는 (PIV-) 측정 시간 평균 속도 크기의 중심에서 Equation 46Equation 58 카메라 프레임 속도입니다. 우리의 실험에 참고 Equation 59 Equation 60 Equation 61 Equation 62 Equation 63 , 그래서 Equation 64 그리고, 따라서,Equation 65

세분화 된 액체 상태 유체역학을 노출 하는 데 필요한 측정

탄력 있는 웨이브 모드, 특히 phonon 모드, 두 외부 수단에 의해 임의의 열 변동에 의해 흥분된 액체17,18에 알려져 있습니다. 그림 5에서 보듯이 진동이 곡 식 더미 마찬가지로 진동 강제에 고체 처럼 탄성 응답을 전시 한다. 진동이 곡 식 더미의 액체와 같은 속성을 분리 하려면 두 측정을 수행 해야 합니다: 나) 더미 내의 탄력 있는 웨이브 모드에서 모두 (미디어-) 미디어 컨테이너의 가속도 스펙트럼을 측정 하 여 식별 되어야 합니다 로드 하 고 무부하 조건, 및 ii) 시간-평균 곡물 속도 해야 합니다 측정, 액체 상태 역학 개별 곡물, 또는 (훨씬) 더 큰 심문 영역을 조사 하는 집단을 공부 하는 경우 경우 작은 심문 영역의 중심에 곡물 유체 흐름 분야의 연속체 역학.

일단 이러한 측정 얻을 수 있습니다, 그리고 다음으로 Keanini 그 외 여러분 에 대 한 자세한 12 , 의 PIV 측정 총-단일 곡물 또는 곡물-의 컬렉션에 대 한 순전히 탄성/솔리드-같은 스펙트럼 구성 요소, 총 위치 및 시간에 따른 속도의 측정 된 스펙트럼에서 필터링 됩니다. 중요 한 것은, 결과 vibrated 곡물의 순전히 액체 처럼 역동성을 표현 하기 위해 간주 됩니다. 시점 또는 확장 영역-다음, 작업에 따라 위치와 시간에 따라 필터링 된 곡물 유체 속도-를 감안할 때, 다양 한 간단한 데이터 처리 절차를 수행할 수 있습니다. 예를 들어 하나는 관심이 경우 비교 관찰된 연속체 곡물 흐름에 그에 대 한 필드에 의해 예측 주어진된 유체 모델, 예를 들어, NS 방정식 그리고 위치 종속 시간 평균 속도 필드는 단순히 계산 하 여 결정 될 수 있다 각 위치에 따라 다릅니다, 시간 변화의 시간 평균 필터링 속도. 참조, 예를 들어 그림 6 위. 만약 위치의 역학-및 시간에 따라 독특한, , 임의의 속도 분야 관심, 위치 종속 시간 평균 (필터링 된) 속도 위치 및 시간에 따른 (필터링 된) 총 속도에서 뺍니다. 이 처리 단계, 예를 들어 단일 입자 속도 상관 함수를 결정 하는 데 필요한는 Equation 66 예를 들어 그림 4를 참조 하십시오.

마지막으로, 효과적인 동적 또는 운동학 점성, Equation 67 또는 Equation 68 어디 Equation 69Equation 7 효과적인 곡물 유체 밀도14 나타냅니다 중앙 비 평형 유체역학 전송 속성 관련 된 진동 입자 흐름입니다. 예를 들어 실험적으로 또는 이론적으로-결정 값의 Equation 67 또는 Equation 70 곡물 흐름의 전산 유체 시뮬레이션에 필요한. 기본적인 관점에서의 실험 값 Equation 67 또는 Equation 70 이러한 속성12의 통계 역학적 예측의 유효성을 검사 하는 데 필요한. 중요 한 것은, 우리의 그룹은 곧 보고 진동이 곡물의 큰 가족에 대 한 효과적인 동적 및 운동학 적 점도 측정 하기 위한 간단한 viscometric 기법 우리의 실험 시스템에서 관찰.

이론적인 요소

이 섹션에서 우리는 최소한 이론적인 아이디어와 메서드는 experimentalist 해야 알게 되는 아날로그 진동 곡 식 더미를 사용 하 여 공부 하 고 분자 액체의 분자 유체역학 예측에 대 한 하려고 할 때의 강조 시스템입니다. 클래식, 양자 액체 시스템;에 반대 하는 다음이 적용 됩니다. 대부분의 경우, 논문, 학술 논문, 그리고도 서의 큰 숫자의 대표에 제안 된 참조입니다. 이러한 아이디어와 방법 가장 일반적으로 두 가지 범주, 평형 및 비 평형 통계 역학 N 입자 시스템의로 구분 됩니다.

평형 통계 역학에는 experimentalist 먼저 해밀턴19시스템을 모델링 하는 데 필요 합니다. 해밀턴 N 입자 시스템의 충돌 및 하위-collision-시간-스케일 역학을 설명 하 고 일반적으로 이루어져 있다 운동 에너지 변환 시스템의 총, 모델링 용어 용어 모델링 시스템의 총 에너지, 그리고 입자 상당한 회전 모션을 받아야 하는 경우 용어 총 회전 운동 에너지를 캡처. N 입자 시스템의 해밀턴 역학 관련된 평형 열역학 함수, 시스템 내부 에너지 효율적인 시스템 온도 또는 압력에 연결 하기 위해 하나 일반적으로 다음 선택 적절 한 통계 앙상블입니다. N 입자 시스템에 대 한 같은 그 공부이 종이에 에너지-여기,의 명목상 고정된 소스에 의해 흥분 하는 단일 주파수 모터-고정된 에너지 microcanonical 앙상블19,20 에 의해 생산 하는 복합 진동 , 21 가 적합 합니다. 그러나, 열역학 계산, 시스템 엔트로피의 계산 등이 앙상블에서 일반적으로 어려운 때문에, 정식 앙상블19 일반적으로 더 나은 선택 이며, 또한, 같은 평형 열역학을 생성합니다 microcanonical 앙상블을 통해 얻은 함수.

시스템 해밀턴 및 선택한 통계 앙상블, 하나 생성 시스템 파티션 함수 Q = Q (N, V, T)19,23, V와 T 있는 시스템의 평형 볼륨 및 온도. 실제로19,23, Q 모든 가능한 에너지 상태, 원칙적으로, 시스템에 액세스할 수를 포함 합니다. 실질적으로, Q, 주어 지 고 주어진 이산 N 입자 시스템 역학 및 연결 하는 평형 열역학 함수19,23, 다음 모든 평형 소위 다리 관계19,23 N 입자 시스템와 관련 된 열역학적 속성을 계산할 수 있습니다. 우리는 추가 포인트를 강조: 상호 작용 시스템, 낮은 진폭 진동12에 의해 구동 높은 회복 곡 식 더미에에서 일반적으로 쌍 상관 함수9,19 (에 나타납니다 기능, Q) 평형 열역학 속성을 결정 하기 위하여 결정 되어야 합니다.

비 평형 통계 역학 연구, 즉, 열, 및 비 자연, 외부에서 부과 하는 자발적인 어디 후자 때문에 질량에 공간 그라디언트 발생, 현지 열역학 평형에서 출발, 기세 및 에너지. 해석 하 고 진동이 곡물 시스템, 및 가정 약한 출발 지역 평형-비 평형 역학 예측 그림 가정, 예를 들어-NS 방정식에 의해 경 세 하는 연속체 유체 흐름에 4 개의 이론적 도구 이어야 한다 배운와 마스터.

첫째, 개별 곡물의 비 평형 역학 고려 GLE, 그리고 간단 하 게, 메모리 무료 Langevin 방정식 (르)2,,911 제공 엄격한 기준으로이 기능을 공부 합니다. 특히, 짧은, 충돌 시간 단위, 단일 곡물 역학, 고밀도 액체와 같은 미국12는 장시간에 GLE를 사용 하 여 모델 크기를 조정-말 10 충돌 시간에서 더 이상-르, Brownian 입자 역학을 설명 하는 최고의 적절 한12.

둘째, 효과적인 곡물 뿐 아니라 효과적인 곡물 점도 예측 하기 위해서는 자기 확산 계수2 -첫 번째, 필수 전송 속성에 필요한 진동 곡물 체액, 녹색-구 보의 연속 흐름을 정확 하 게 모델링 관계2,,923 사용할 수 있습니다. 녹색-구 보 관계를 적용 하려면는 experimentalist 배워야 어떻게 이러한 파생 됩니다; 비교적 간단한 파생 찾을 수 있습니다, 예를 들어 보탬이 & Yip2.

세 번째 도구는 엄격한 거친 graining 절차9,12 , 질량의 정확한, 개별 입자 버전 상환을 하는에 해당 하는 곡물 진동 시스템의 역학은 비 평형 통계 공부에 필요한 연속체, 즉, NS, 양식으로 추진력과 에너지 절약 법. 따라서 엄격 하 게 진동이 곡물 시스템 뿐만 아니라 사이 친밀 한 연결을 이해 하기 위한 개념적 기초의 액체 형, 집단 역학을 경 세 하는 연속체 방정식을 파생 시키기 위한 필수적인 교량을 구성 하는 절차 압력, 온도, 소리 속도 질량의 비 평형, 연속체 수송 비 열 같은 로컬 평형 열역학 속성, 추진력, 그리고 에너지.

넷째, 노출 하 고 길이 대규모 해석, 유체역학 모드2,9 분자 액체와 진동이 곡물 시스템12는 experimentalist를 전면적으로 퍼지다 해야 알게 되의 분석 이러한 모드입니다. 간단히, 분산을 분자 액체의 연속체 응답 광선1,2,9, 그리고 마찬가지로, 진동12, 곡 식 더미의 연속체 응답 5, 결합, 선형 (의 존재를 계시 한다 ., 약한), 집단 모드. 모드, 5에서 연속체 발생 질량, 기세 및 에너지 보존 방정식, 그리고 육체적으로, 보존된 속성에 공간 차이 통신 하는 모달 프로세스를 공개. 이러한 공간적 차이, 차례로, 이러한 속성의 연속체 전송 드라이브.

수정 및 문제 해결

PIV 측정을 위해 그릇 직경 (증가)는 카메라의 시야는 거의 평면 부분의 테스트 영역 가장자리 효과의 더 많은 제거 하는 것을 통해 수직 위치로 수정 수 있습니다. 무력 이나 압력 등 다른 변수를 측정 하기 위해 추가 메서드를 추가할 수 있습니다.

실험 설정의 기계적 조각은 강력 하 고 아주 작은 문제 해결을 요구. 미디어 함께 고정 될 경우, FC 솔루션 속도 상대적으로 부드러운 모션을 위해 증가.

문제 해결의 대다수는 PIV 또는 데이터 분석 시스템에 있을 것 이다. 첫 번째 일반적인 문제는 이미지 올바른 순서로 가져오지 않습니다 때 발생 합니다. 이미지 집합 수 있습니다 정렬 하지 올바르게 컴퓨터 파일 시스템에서 그것은 번호가 매겨진 부정적이 고 긍정적인 숫자를 사용 하 여 같은 경우는 카메라 이미지의 초기 버퍼 후 방 아 쇠로 설정 된 경우 경우. 파일 시스템 더블의 부적 절 한 생성에 차례로 이르게 잘못 된 순서로 PIV 소프트웨어 환경으로 가져올 설정 이미지가 그들의 해당 긍정적으로 번호가 매겨진된 이미지 옆에 직접 번호 부정적인 이미지를 배치할 수 있습니다. 프레임입니다. 다시 적절 한 순서로 정렬 있도록만 양수를 사용 하 여 이미지를 레이블을 지정 합니다.

만약 PIV 시스템 이미지를 가져올 때 오류를 제공, 이미지에 잘못 된 형식 때문에 가능성이 가장 높습니다. 이미지는 회색조 데이터 처리 소프트웨어를 사용 하 여 PIV 소프트웨어 환경으로 가져오기 전에 TIFF 형식으로 저장 된 확인 합니다.

교정 오류, 수 처리 완료 될 때까지 항상 인식 하지만. PIV 소프트웨어 환경 "실행," 각각은 그것의 자신의 특별 한 보정으로 가져온된 이미지 세트를 분리 합니다. 그러므로, 각 새로운 실행 보정 이미지 (2.2.7 단계)를 포함 해야 합니다. 교정 이미지 절대적으로 실험 설치 또는 보기의 필드를 변경 하는 경우 다시 실행 사이의 사용 수 있습니다. 기존 실행 했다 (단계 4.2.1) 가져오기 프로세스를 시작 하기 전에 실행을 선택 하는 경우에 이미지의 새로운 세트를 가져올 수 있습니다. 이것은 새로운 이미지 실행의 기존 보정 이미지를 사용 하도록 설정 하지만 실행에 모든 이미지 세트 같은 카메라를 사용 하 여 캡처된 경우만 할 수 있게 됩니다.

제한 사항

현재 구성, PIV 측정 기술의 주요 한계는 곡물 침대의 명목상 가로 무료 화면에 수직인 수직 곡물 속도 요소를 측정할 수 없다. 그러나 우리의 관측,, 긴-시간-규모, 연속체 곡물 흐름 남아 있는 무료 표면에 기본적으로 수평 수직, 짧은 시간 단위, 무작위 (독특한) 속도 구성 요소는 동일한 크기 순서는 (의 가능성이 동안 표시 2) 수평 독특한 구성 요소 측정. 따라서,이 제한에는 영향이 작은 곡물 침대 표면의 연속 흐름의 분석, 그것은 합리적인 가정 하는 동안 짧은 시간 단위 수직 임의 모션 공유 수평 구성 요소에 대 한 측정으로 동일한 통계 속성 12.

기존의 방법에 관하여 의미

우리의 지식,이 진동이 곡 식 더미 액체 상태 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 예측 아날로그로 사용할 수 있습니다 보여 주기 위해 첫 번째 연구 이다. 분자 규모의 역학 조밀한 액체 및 가스, 중 하나는 측정 빛, 중성자, 또는 높은 주파수 사운드는 심문 볼륨1,2및 다른 사람에서 계산 흩어져 공부 하는 방법은 두 가지 분자 동적 시스템6,7 시뮬레이션 현재 실험에서 결과 그 분자 유체 프로세스 지금 관찰 될 수 있다 직접 진동이 곡 식 더미 역학의 거시적인 실험 측정을 사용 하 여 표시 하는 때문에 중요 합니다. 동등 하 게 중요 한, 거시적인 통계 기계 및이 연구에서 개발 된 연속체 흐름 모델 일관성, 정량적 해석 및 평형 및 비 평형, 단일 곡물 및 멀티 그레인 역학의 예측 수 있습니다. 지금,는 experimentalist 우회, 예를 들어 계산 비싼 시뮬레이션, 또는 기술적으로 도전적인 분자 규모 입자 산란 측정 직접이 과정을 공부할 수 있습니다. 또한, 여기 개발 이론적 프레임 워크는 전산 유체 동적 (CFD) 비슷한 흐름14 모델링을 정당화 하기 위해 사용할 수 있습니다.

미래의 응용 프로그램

거시적인 실험 방법 및 이론적 모델 여기 개발 다양 한 대량 프로세스, 예를 들면, 진동14마무리는 기계의 광범위의 제조에서 중요 한 마무리 공부에 사용할 수 있습니다. 구성 요소입니다. 또한, 여기 시작 하는 기본적인 작업은 우리가 진동, 높은 회복 곡 식 더미와 액체 상태 분자 유체 시스템 간의 동적 연결을 찾아보기 계속할 것 이다. 개별 요소 방법 (DEM)을 활용 하는 모델도 개발 중인 고 떨리는 진동이 곡물의 분자 유체역학 계산 공부 뿐 아니라 프로세스, 마무리의 3 차원 동적 동작을 모델링 하는 데 사용 됩니다. 시스템입니다. [DEM 다릅니다 전산 유체 역학 (CFD)에서 CFD 시뮬레이션 DEM 모델 collisional 뉴턴의 입자 역학에 의해 지배 되는 동안 NS 방정식에 의해 규율 됩니다.]

프로토콜의 중요 한 단계

처음부터이 프로토콜의 가장 중요 한 단계는 초기 설정 또는 덮 이도록 골고루 FOV 확산 되어야 전체 시스템, 조명, 그릇에 관하여 특히 카메라 위치, 아니 반사 시키는 확인 이미지, 꾸준한 FC 흐름 및 PIV 시스템의 교정에 섬광. 그릇과 카메라 삼각대/비 계를 설정할 때 진동 시스템 카메라 또는 카메라 테스트를 통해 절대적으로 꾸준한 유지 되도록 카메라 지원 시스템의 일부를 터치 하지 않습니다 확인 해야 합니다. 적절 한 조명 카메라 테스트를 통해 미디어의 개별 조각을 데리 러 수와 그림자 추가 만들지 않는 유령 조각 수 있도록 전체 시험 영역에 존재 해야 합니다. 솔루션의 초기 금액 언론과 "" 윤 활 테스트의 시작 부분에 함께 스틱 하지 않습니다 보장 하기 위해 진동 시스템을 시작 하기 전에 미디어를 통해 버려진 해야 합니다. 만약 조각을 함께, 그들은 더 이상 서로 영향을 미치는 분자 나타내고 그들은 미디어 아래로 착용 하 고 그들의 크기와 질량 변경 마찰을 일으킬. PIV 시스템 또는 변수 보정 시스템에 올바르게 입력 하지는, 거짓 벡터 방향 및 크기가 시스템 줄 것 이다. 보정은 정확 하 게 되도록 눈금자 이미지에서 쉽게 읽을 수 있는 규모와 카메라에 수직 해야 합니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품은 사무실 해군 연구소 (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik 및 Keanini]에서 지원 하 고 샬 롯의 모터 스포츠 연구 실험실 연마 미디어 Rosler 기증에서 북캐롤라이나의 대학에서 수행.

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

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References

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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).

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