Denne protokollen muliggjør effektiv innsamling av eksperimentelle høyhastighetsbilder av væskefalleffekter, og rask analyse av disse dataene i grupper. For å effektivisere disse prosessene beskriver metoden hvordan du kalibrerer og konfigurerer apparater, genererer en passende datastruktur og distribuerer et bildeanalyseskript.
Eksperimentelle studier av væskefallpåvirkninger på overflater er ofte begrenset i deres omfang på grunn av det store utvalget av mulige eksperimentelle parametere som materialegenskaper, slagforhold og eksperimentelle konfigurasjoner. Sammensetning av dette studeres ofte falleffekter ved hjelp av datarik høyhastighetsfotografering, slik at det er vanskelig å analysere mange eksperimenter på en detaljert og rettidig måte. Formålet med denne metoden er å muliggjøre effektiv studie av dråpevirkninger med høyhastighetsfotografering ved hjelp av en systematisk tilnærming. Utstyret er justert og kalibrert for å produsere videoer som kan behandles nøyaktig av en egendefinert bildebehandlingskode. Videre sikrer filstrukturoppsettet og arbeidsflyten som er beskrevet her effektivitet og klar organisering av databehandling, som utføres mens forskeren fortsatt er i laboratoriet. Bildebehandlingsmetoden trekker ut den digitaliserte omrisset av den pågående dråpemen i hver videoramme, og behandlede data lagres for videre analyse etter behov. Protokollen forutsetter at en dråpe frigjøres vertikalt under tyngdekraften, og virkningen registreres av et kameravisning fra side-på med dråpen opplyst ved hjelp av skyggegrafi. Mange lignende eksperimenter som involverer bildeanalyse av høyhastighetshendelser kan løses med mindre justering av protokollen og utstyret som brukes.
Væskefallpåvirkninger på overflater er av stor interesse både for forståelse av grunnleggende fenomener1 og for industrielle prosesser2. Falleffekter har blitt studert i over 100 år3, men mange aspekter er ennå ikke fullt ut undersøkt. Høyhastighetsfotografering brukes nesten universelt til studier av falleffekter4 fordi det gir rike, tilgjengelige data som gjør det mulig å lage analytiske målinger med god tidsoppløsning. Resultatene av en dråpe innvirkning på en solid overflate5,6,7 varierer fra enkel avsetning til sprut8 . Virkninger på superhydrofobe overflater blir ofte studert som de kan generere spesielt interessante resultater, inkludert slipp spretter9,10,11,12. Protokollen beskrevet her ble utviklet for å studere vanndråpepåvirkninger på polymeroverflater med mikroskalamønster, og spesielt påvirkning av mønsteret på falleffektutfall13,14.
Resultatet av et falleffekteksperiment kan påvirkes av et stort utvalg av mulige variabler. Størrelsen og hastigheten på fallet kan variere, sammen med væskeegenskaper som tetthet, overflatespenning og viskositet. Dråpen kan være enten Newtonian15 eller ikke-Newtonian16. Et stort utvalg av slagflater harblitt studert, inkludert væske7,17,fast18,og elastiske19 overflater. Ulike mulige eksperimentelle konfigurasjoner ble tidligere beskrevet av Rein et al.17. Dråpemen kan ta forskjellige former. Det kan være oscillerende, roterende eller innvirkning i en vinkel til overflaten. Overflateteksturen, og miljøfaktorer som temperatur kan variere. Alle disse parametrene gjør at felt av dråpe virkninger ekstremt omfattende.
På grunn av dette store spekteret av variabler er studier av dynamiske flytende fuktingsfenomener ofte begrenset til å fokusere på relativt spesifikke eller smale emner. Mange slike undersøkelser bruker et moderat antall eksperimenter (f.eks. 50-200 datapunkter) hentet fra manuelt behandlede høyhastighetsvideoer10,20,21,22. Bredden i slike studier er begrenset av mengden data som kan oppnås av forskeren i rimelig tid. Manuell behandling av videoer krever at brukeren utfører repeterende oppgaver, for eksempel måling av diameteren på slagdråper, ofte oppnådd ved bruk av bildeanalyseprogramvare (Fiji23 og Tracker24 er populære valg). Den mest brukte målingen for å karakterisere falleffekter er diameteren på en spredningsdråpe25,26,27,28.
På grunn av forbedringer i bildebehandling begynner automatiske dataassisterte metoder å forbedre datainnsamlingseffektiviteten. For eksempel er bildeanalysealgoritmer for automatisk måling av kontaktvinkel29 og overflatespenning ved hjelp av anhengdråpemetoden30 nå tilgjengelig. Mye større effektivitet gevinster kan gjøres for høyhastighets fotografering av dråpe effekter, som produserer filmer bestående av mange individuelle bilder for analyse, og faktisk noen nyere studier har begynt å bruke automatisert analyse15,18, selv om den eksperimentelle arbeidsflyten ikke har klart endret seg. Andre forbedringer i eksperimentell design for drop impact eksperimenter har oppstått fra fremskritt i kommersielt tilgjengelige LED lyskilder, som kan kobles med høyhastighetskameraer via shadowgraph teknikk31,32,33,34.
Denne artikkelen beskriver en standardisert metode for opptak og analyse av drop impact-filmer. Hovedmålet er å muliggjøre effektiv innsamling av store datasett, som generelt bør være nyttig for det brede utvalget av falleffektstudier beskrevet ovenfor. Ved hjelp av denne metoden kan den tidsbestemte, digitaliserte omrisset av en innvirkning slipp oppnås for ~100 eksperimenter om dagen. Analysen beregner automatisk dråpeeffektparameterne (størrelse, hastighet, Weber- og Reynolds-tall) og maksimal spredningsdiameter. Protokollen gjelder direkte for eventuelle grunnleggende dråpeparametere (inkludert væske, størrelse og slaghastighet), substratmateriale eller miljøforhold. Studier som skanner et stort utvalg av eksperimentelle parametere kan utføres i en relativt kort tidsramme. Metoden oppfordrer også studier med høy oppløsning, som dekker et lite spekter av variabler, med flere gjentatte eksperimenter.
Fordelene med denne metoden er gitt av det standardiserte eksperimentet, og en klar datastruktur og arbeidsflyt. Det eksperimentelle oppsettet produserer bilder med konsekvente egenskaper (romlig og kontrast) som kan sendes til en egendefinert bildeanalysekode (inkludert som en tilleggskodefil som kjører på MATLAB) for rask behandling av innspilte videoer umiddelbart etter eksperimentet. Integrering av databehandling og innhenting er en hovedårsak til den forbedrede generelle hastigheten på datainnsamling. Etter en økt med datainnhenting er hver video behandlet, og alle relevante rådata lagres for videre analyse uten å kreve reprosessering av videoen. Videre kan brukeren visuelt inspisere kvaliteten på hvert eksperiment umiddelbart etter at det er utført og gjenta eksperimentet om nødvendig. Et innledende kalibreringstrinn sikrer at det eksperimentelle oppsettet kan gjengis mellom ulike laboratorieøkter med god presisjon.
Det antas at for å implementere denne metoden brukeren har tilgang til en høyhastighets kamera arrangert slik at den bilder overflaten fra en horisontal (side-på) synsvinkel. En skjematisk representasjon av denne ordningen er vist i figur 1, inkludert definisjon av kartesiske akser. Systemet skal ha muligheten til å nøyaktig plassere både kameraet og prøven i tre dimensjoner (X, Y og Z). En skyggegrafmetode implementeres for å belyse dråpet og plasseres langs kameraets optiske bane. Systemet bør bruke et direktestrømsystem av høy kvalitet (DC) (inkludert et kondensatorobjektiv) som kan flyttes i X- og Z-retninger for å justere den optiske banen med kameraet. Det antas også at brukeren har tilgang til en sprøytepumpe som de kan programmere til å produsere individuelle dråper med ønsket volum når de er koblet til en bestemt nål35. Dråpefallet faller under tyngdekraften slik at slaghastigheten styres av nålens posisjon over overflaten. Selv om dette oppsettet er ganske generisk, viser Materialtabellen spesifikt utstyr som brukes til å oppnå de representative resultatene, og bemerker noen potensielle restriksjoner pålagt av valg av utstyr.
Figur 1: Skjematisk representasjon av det minimale eksperimentelle oppsettet. Et høyhastighetskamera er plassert til bildedråper som påvirker vertikalt på en prøve fra side-on. En LED-lyskilde er på linje med kameraets synslinje for skyggegrafi. En nål brukes til individuell dråpeproduksjon, og kartesiske akser er definert. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Metodebeskrivelsen er fokusert på måling av kantene av flytende dråper som de faller og påvirker. Bilder hentes fra det vanlige side-on synspunktet. Det er mulig å undersøke spredning av dråper fra både side-på og ned-opp visninger ved hjelp av to høyhastighetskameraer13,14, men nederst opp-visningen er ikke mulig for ugjennomsiktige materialer, og en ovenfra og ned-visning gir justeringkomplikasjoner. Den grunnleggende arbeidsflyten kan brukes til å forbedre forskningen for små (2-3 mm diameter) objekter som påvirker overflater, og den kan brukes til større eller mindre objekter med ytterligere mindre endringer. Forbedringer og alternativer til eksperimentelt oppsett og metode vurderes videre i diskusjonsdelen.
Denne metoden avhenger av kontroll av posisjonen og justeringen av flere deler av systemet. Et minimumskrav for å bruke denne metoden er muligheten til å justere prøven, kameraet og belysningslampen. Feil justering av lyskilden til kamerasensoren er et vanlig problem. Hvis lysbanen kommer inn i kameraet i en vinkel, produseres uønskede gjenstander og hindrer bildebehandling. Brukeren bør sikte på å oppnå en nesten perfekt horisontal belysningsbane mellom LED-lampen og kamerasensoren. Nøyaktige posisjoneringskontroller (f.eks. mikrometerstadier) er nyttige for dette aspektet av metoden.
Valget av objektiv er avhengig av FOV som kreves for eksperimentet. Selv om vanlige variable zoomobjektiver gjør det mulig for systemet å tilpasses på farten, lider de ofte av andre problemer. Hvis du bruker objektiver med variabel zoom, må brukeren kontrollere at den totale forstørrelsen ikke endres under en gruppe eksperimenter (når systemet er kalibrert, protokoll del 1). Dette problemet kan unngås ved hjelp av faste forstørrelseslinser. Med forstørrelsen fast, kan posisjonen til brennvidden til en av typer objektivendres ved å flytte kameraet i forhold til prøven.
Mens du justerer systemet, anbefales det å bruke en tom prøve av samme tykkelse som prøvene som skal undersøkes. Dette hindrer at interesseprøvene blir skadet eller våte før eksperimenter. Hvis prøvetykkelsen endres under en gruppe eksperimenter, må systemet justeres på nytt i Z-retningen.
Selv om det ikke er nødvendig, kan tillegg av et datastyrt nåleposisjoneringssystem i stor grad øke hastigheten og oppløsningen til metoden. Vanligvis tilgjengelige stepper motorskinnesystemer kan brukes som gjør det mulig å posisjonere nålen med mikrometer nøyaktighet. Digital kontroll av nålen gjør det også mulig for brukeren å nullhøyden i forhold til overflaten med større presisjon. Dette ekstra trinnet sikrer at det eksperimentelle oppsettet kan gjenopprettes nøyaktig ved starten av en ny laboratorieøkt.
Det anbefales at brukeren lærer å bruke kontrollprogramvaren for høyhastighetskameraet. De fleste moderne systemer kan bruke en bildeutløser. Denne metoden bruker kameraets interne høyhastighetselektronikk til å overvåke et område av FOV for endringer. Hvis det er kalibrert nøye, kan dette brukes til å utløse kameraet automatisk når dråpet påvirker overflaten. Denne metoden reduserer tiden som brukes til å finne de riktige rammene til videoen for å beskjære etter at en video er tatt opp.
Denne metoden kan utvides til å bruke mer enn ett kamera for analyse av retningsavhengige fenomener. Hvis du bruker flere kameraer, anbefales det at brukeren bruker maskinvareutløser og synkronisering. De fleste høyhastighets kamerasystemer tillater synkronisering av flere kameraer å ta opp med samme bildefrekvens. Ved hjelp av en delt maskinvareutløser (f.eks. transistor-transistorlogikk [TTL]-puls), kan brukeren registrere samtidige visninger av det samme eksperimentet. Denne metoden kan tilpasses ytterligere for å registrere den samme hendelsen ved to varierende forstørrelser.
Denne protokollen tar sikte på å muliggjøre rask innsamling og behandling av høyhastighets videodata for dråper som påvirker overflater. Som demonstrert er den allsidig over en rekke slagforhold. Med relativt små endringer i analysekoden kan den utvides til å gi ytterligere data (f.eks. tidsavhengighet og sprutprofiler) eller for å studere ulike effektgeometrier. Ytterligere forbedringer kan innebære automatisk beskjæring av videoer for å inkludere de viktigste rammene av interesse. Dette trinnet, sammen med automatisering av nålehøyden, ville tillate at batchvideoer samles inn på en helautomatisk måte, og krever bare at brukeren endrer prøven mellom støt.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Marsden Fund, administrert av Royal Society of New Zealand.
24 gauge blunt tip needle | Sigma Aldrich | CAD7930 | |
4 x 4 mm alignment square (chrome on glass) | Made in-house using lithography. | ||
5 ml syringe | ~ | ~ | Should be compatible with syringe pump. Leur lock connectors join the syringe to the needle. |
Aspheric condenser lens | Thor Labs | ACL5040U | Determines beam width, which should cover the field of view. |
Cat 5e ethernet cable | ~ | ~ | A fast data connection between the high-speed camera and PC, suitable for Photron cameras. |
Droplet impact analysis software | ~ | ~ | Provided as Supplementary Coding File. Outline data are stored in .mat files. Calculations are output as .csv files. |
Front surface high-power LED | Luminus | CBT-40-G-C21-JE201 LED | Separate power supply should be DC to avoid flickering. |
High-speed camera | Photron | Photron SA5 | Typically operated at ~10,000 fps for drop impacts. |
High-speed camera software | Photron | Photron Fastcam Viewer | Protocol assumes camera has an end trigger; that movie files can be saved in .avi format, and screenshots in .tif format, to a designated folder; and that movies can be cropped. |
Linear translation stages | Thor Labs | DTS25/M | Used to position the LED, sample and camera. |
Macro F-mount camera lens | Nikon | Nikkor 105mm f/2.8 Lens | Choice of lens determines field of view. |
PC running Matlab 2018b | Matlab | ~ | PC processing power and RAM can effect protocol speed and hence efficiency. |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow | SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer | Substrates made using a 10:1 (monomer:cross-linker) ratio. |
PTFE tubing | ~ | ~ | |
Syringe pump | Pump Systems Inc | NE-1000 | Protocol assumes this can be set to dispense a specific volume. |