Waiting
Login processing...

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

Engineering

تحليل الإنتاجية العالية لتأثيرات قطرات السائل

doi: 10.3791/60778 Published: March 6, 2020

Summary

يتيح هذا البروتوكول جمع ًا فعالًا للصور التجريبية عالية السرعة لتأثيرات الإسقاط السائل ، والتحليل السريع لتلك البيانات على دفعات. لتبسيط هذه العمليات، تصف الطريقة كيفية معايرة وإعداد الجهاز، وإنشاء بنية بيانات مناسبة، ونشر برنامج نصي لتحليل الصور.

Abstract

غالبًا ما يتم تقييد الدراسات التجريبية لتأثيرات القطرة السائلة على الأسطح في نطاقها بسبب المجموعة الكبيرة من المعلمات التجريبية المحتملة مثل خصائص المواد وظروف الارتطام والتكوينات التجريبية. ومما يزيد من تفاقم ذلك، أن تأثيرات الإسقاط غالباً ما تُدرس باستخدام التصوير عالي السرعة الغني بالبيانات، بحيث يصعب تحليل العديد من التجارب بطريقة مفصلة وفي الوقت المناسب. والغرض من هذه الطريقة هو تمكين دراسة فعالة من الآثار قطرات مع التصوير عالية السرعة باستخدام نهج منهجي. يتم محاذاة المعدات ومعايرتها لإنتاج مقاطع الفيديو التي يمكن معالجتها بدقة بواسطة رمز معالجة صور مخصص. وعلاوة على ذلك ، فإن إعداد بنية الملف وسير العمل الموصوفين هنا يضمنان الكفاءة والتنظيم الواضح لمعالجة البيانات ، والذي يتم أثناء وجود الباحث في المختبر. تستخرج طريقة معالجة الصور المخطط التفصيلي الرقمي للقطرة المؤثرة في كل إطار من الفيديو، ويتم تخزين البيانات المعالجة لمزيد من التحليل حسب الحاجة. يفترض البروتوكول أن يتم تحرير قطرة عموديا تحت الجاذبية، ويتم تسجيل التأثير من خلال عرض الكاميرا من الجانب على مع قطرة مضيئة باستخدام الظل. ويمكن تناول العديد من التجارب المماثلة التي تنطوي على تحليل صورة للأحداث عالية السرعة مع تعديل طفيف للبروتوكول والمعدات المستخدمة.

Introduction

آثار الإسقاط السائل على الأسطح هي ذات أهمية كبيرة على حد سواء لفهم الظواهر الأساسية1 والعمليات الصناعية2. وقد درست آثار قطرة لأكثر من 100 سنة3، ولكن العديد من الجوانب لم يتم التحقيق فيها بشكل كامل. يستخدم التصوير عالي السرعة عالميًا تقريبًا لدراسات تأثيرات الإسقاط4 لأنه يوفر بيانات غنية ويمكن الوصول إليها والتي تمكن من إجراء القياسات التحليلية بدقة الوقت الجيد. نتائج تأثير قطرة على سطح صلب5،6،7 تتراوح بين ترسب بسيط من خلال لرش8. غالبًا ما تتم دراسة التأثيرات على الأسطح الكارهة للماء لأنها يمكن أن تولد نتائج مثيرة للاهتمام بشكل خاص ، بما في ذلك انخفاض كذاب9،10،11،12. تم تطوير البروتوكول الموصوف هنا لدراسة تأثيرات قطرة الماء على أسطح البوليمر مع الأنماط الصغيرة ، وعلى وجه الخصوص تأثير النمط على نتائج تأثير الإسقاط13،14.

وقد تتأثر نتيجة تجربة تأثير الإسقاط بمجموعة كبيرة من المتغيرات المحتملة. قد يختلف حجم وسرعة القطرة، إلى جانب خصائص السوائل مثل الكثافة والتوتر السطحي واللزوجة. قد يكون الانخفاض إمانيوتن15 أو غير النيوتونية16. وقد درست مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأسطح تأثير، بما في ذلك السائل17،الصلبة 18،ومرنة19 الأسطح. وقد سبق أن وصف رين وآخرونمختلفالتشكيلات التجريبية الممكنة. يمكن أن تأخذ القطرات أشكالًا مختلفة. يمكن أن تكون متذبذبة أو دوارة أو ارتطام بزاوية على السطح. قد يختلف نسيج السطح والعوامل البيئية مثل درجة الحرارة. كل هذه المعلمات تجعل مجال الآثار قطرات واسعة النطاق للغاية.

ونظراً لهذه المجموعة الكبيرة من المتغيرات، فإن دراسات ظواهر ترطيب السوائل الدينامية غالباً ما تقتصر على التركيز على مواضيع محددة أو ضيقة نسبياً. تستخدم العديد من هذه التحقيقات عددًا معتدلًا من التجارب (على سبيل المثال، 50-200 نقطة بيانات) تم الحصول عليها من مقاطع الفيديو عالية السرعة المعالجة يدويًا10و20و21و22. ويقتصر اتساع هذه الدراسات على كمية البيانات التي يمكن أن يحصل عليها الباحث في فترة زمنية معقولة. تتطلب المعالجة اليدوية لمقاطع الفيديو من المستخدم تنفيذ مهام متكررة ، مثل قياس قطر القطرات المؤثرة ، التي غالبًا ما تتحقق باستخدام برامج تحليل الصور (فيجي23 و Tracker24 هي خيارات شائعة). القياس الأكثر استخداما لتوصيف آثار الإسقاط هو قطر قطرة انتشار25،26،27،28.

بسبب التحسينات في معالجة الصور ، بدأت الأساليب التلقائية بمساعدة الكمبيوتر في تحسين كفاءة جمع البيانات. على سبيل المثال، خوارزميات تحليل الصور للقياس التلقائي لزاوية الاتصال29 والتوتر السطحي باستخدام طريقة إسقاط قلادة30 متوفرة الآن. ويمكن تحقيق مكاسب أكبر بكثير من الكفاءة للتصوير الفوتوغرافي عالية السرعة من آثار قطرة، والتي تنتج الأفلام التي تتكون من العديد من الصور الفردية للتحليل، وبالفعل بدأت بعض الدراسات الحديثة لاستخدام التحليل الآلي15،18، على الرغم من أن سير العمل التجريبي لم يتغير بشكل واضح. وقد نشأت تحسينات أخرى في التصميم التجريبي لتجارب تأثير الإسقاط من التطورات في مصادر ضوء LED المتاحة تجاريًا ، والتي يمكن أن تقترن بكاميرات عالية السرعة عبر تقنية الظل31،32،33،34.

تصف هذه المقالة طريقة موحدة لالتقاط وتحليل أفلام تأثير الإسقاط. والهدف الرئيسي هو التمكين من جمع مجموعات البيانات الكبيرة بكفاءة، وهو ما ينبغي أن يكون مفيداً عموماً للطائفة الواسعة من دراسات أثر الإسقاط الموصوفة أعلاه. باستخدام هذه الطريقة، يمكن الحصول على المخطط التفصيلي الرقمي الذي تم حله بالوقت لقطرة مؤثرة لـ ~ 100 تجربة في اليوم. يقوم التحليل تلقائيًا بحساب معلمات تأثير القطرات (الحجم والسرعة وأرقام ويبر ورينولدز) والحد الأقصى لقطر الانتشار. البروتوكول ينطبق مباشرة على أي معلمات قطرات الأساسية (بما في ذلك السائل، والحجم، وسرعة الاصطدام)، والمواد الركيزة، أو الظروف البيئية. يمكن إجراء الدراسات التي تفحص مجموعة كبيرة من المعلمات التجريبية في إطار زمني قصير نسبيًا. كما تشجع هذه الطريقة الدراسات عالية الاستبانة، والتي تغطي مجموعة صغيرة من المتغيرات، مع تكرار التجارب المتعددة.

يتم توفير فوائد هذه الطريقة من خلال التجربة الموحدة ، وهيكل بيانات واضحة وسير العمل. ينتج الإعداد التجريبي صورًا ذات خصائص متناسقة (مكانية وتباين) يمكن تمريرها إلى رمز تحليل صور مخصص (مضمن كملف ترميز تكميلي يعمل على MATLAB) للمعالجة الفورية لمقاطع الفيديو المسجلة مباشرة بعد التجربة. وإدماج تجهيز البيانات واكتسابها هو السبب الرئيسي لتحسين السرعة الإجمالية لجمع البيانات. بعد جلسة الحصول على البيانات، تمت معالجة كل فيديو ويتم تخزين جميع البيانات الأولية ذات الصلة لمزيد من التحليل دون الحاجة إلى إعادة معالجة الفيديو. وعلاوة على ذلك، يمكن للمستخدم فحص بصريا نوعية كل تجربة مباشرة بعد تنفيذها وتكرار التجربة إذا لزم الأمر. تضمن خطوة المعايرة الأولية إمكانية إعادة إنتاج الإعداد التجريبي بين جلسات المختبر المختلفة بدقة جيدة.

ومن المفترض أن لتنفيذ هذا الأسلوب المستخدم لديه حق الوصول إلى كاميرا عالية السرعة مرتبة بحيث صور السطح من وجهة نظر أفقية (جانبية على). يظهر تمثيل تخطيطي لهذا الترتيب في الشكل 1، بما في ذلك تعريف المحاور الديكارتية. وينبغي أن يكون للنظام القدرة على وضع كل من الكاميرا والعينة بدقة في ثلاثة أبعاد (X و Y و Z). يتم تنفيذ طريقة الظل لإلقاء الضوء على قطرات ويتم وضعها على طول المسار البصري للكاميرا. يجب أن يستخدم النظام نظام إضاءة LED للتيار المباشر عالي الجودة (بما في ذلك عدسة مكثف) يمكن تحريكه في اتجاهي X و Z لمحاذاة المسار البصري مع الكاميرا. ومن المفترض أيضا أن المستخدم لديه إمكانية الوصول إلى مضخة حقنة التي يمكن برمجتها لإنتاج قطرات الفردية من الحجم المطلوب عند توصيلها إلى إبرة معينة35. تقع القطرة تحت الجاذبية بحيث يتم التحكم في سرعة ارتطامها من خلال موضع الإبرة فوق السطح. على الرغم من أن هذا الإعداد عام تمامًا ، يسرد جدول المواد معدات محددة تستخدم للحصول على النتائج التمثيلية ، ويشير إلى بعض القيود المحتملة التي يفرضها اختيار المعدات.

Figure 1
الشكل 1: التمثيل التخطيطي للإعداد التجريبي الأدنى. يتم وضع كاميرا عالية السرعة لقطرات الصورة التي تؤثر عموديا على عينة من الجانب على. يتم محاذاة مصدر ضوء LED مع خط رؤية الكاميرا للظل. يتم استخدام إبرة لإنتاج قطرات الفردية، ويتم تعريف المحاور الديكارتية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يركز وصف الأسلوب على قياس حواف القطرات السائلة أثناء سقوطها وتأثيرها. يتم الحصول على الصور من وجهة النظر الجانبية الشائعة الاستخدام. من الممكن التحقيق في انتشار القطرات من كل من المشاهدات الجانبية والسفلية باستخدام كاميرتين عاليتي السرعة13و14، ولكن طريقة العرض من أسفل إلى أعلى غير ممكنة للمواد المبهمة ، وترى من أعلى إلى أسفل مضاعفات المحاذاة. يمكن استخدام سير العمل الأساسي لتحسين البحث لأي كائنات صغيرة (قطرها 2-3 مم) تؤثر على الأسطح، ويمكن استخدامه للكائنات الأكبر أو الأصغر مع مزيد من التغييرات الطفيفة. يتم النظر في التحسينات والبدائل للإعداد التجريبي والأسلوب بشكل أكبر في قسم المناقشة.

Protocol

1. إعداد الكاميرا عالية السرعة

  1. قم بتعيين حقل الرؤية الثابت (FOV) للكاميرا وحساب عامل التحويل من البكسل إلى الملي.
    1. ضع علامة محاذاة (على سبيل المثال، علامة طول جانب 4 مم مع رمز تحليل الصورة المقدم) على الموضع المركزي لمرحلة العينة بحيث تواجه الكاميرا. ضبط تكبير الكاميرا بحيث علامة مربع يناسب داخل FOV. تأكد من أن العلامة في التركيز والتقاط صورة.
      ملاحظة: يتطلب رمز تحليل الصورة أن تغطي القطرات المصوّر أكثر من 1% من إجمالي FOV، وإلا تم تصنيفها كضوضاء. وبالمثل ، يجب أن لا تأخذ قطرات أكثر من 40 ٪ من FOV ، وإلا فإنه يتم تحديدها كحدث معالجة الصور الفاشلة.
    2. قفل تكبير العدسة وضمان أن هذا يبقى دون تغيير خلال دفعة من التجارب.
    3. تحميل واجهة المستخدم الرسومية (واجهة المستخدم الرسومية) لبرنامج تحليل تأثير القطرات عن طريق النقر على الرمز داخل MATLAB.
    4. تشغيل رمز تحليل الصور. في واجهة المستخدم الرسومية، انقر فوق زر معايرة الكاميرا وحدد الصورة التي تم الحصول عليها في الخطوة 1.1.1. أدخل حجم مربع المعايرة في مم وانقر فوق موافق.
    5. نقل المستطيل المعروض على الشاشة حتى مربع المعايرة هو الكائن الوحيد داخله. انقر فوق موافق وسيقوم البرنامج تلقائيا بحساب عامل التحويل. إذا فشلت المعايرة التلقائية، اتبع دليل البرنامج لإجراء المعايرة اليدوية.
  2. محاذاة النظام التجريبي.
    1. إعداد السائل المستخدمة للاستغناء عن قطرات الفردية.
      1. ضع الإبرة في مستوى العين حول المستخدم لتمكين سهولة التحميل.
      2. تطهير الأنابيب يدويا لإزالة أي سائل عن طريق دفع الهواء من خلال مع حقنة. تأكد من أن الأنابيب ليست ملتوية وأن الإبرة آمنة ونظيفة. إصلاح الإبرة والأنابيب بحيث الإبرة هو عمودي.
        ملاحظة: إذا لزم الأمر، تنظيف إبرة الصلب مع الإيثانول في حمام بالموجات فوق الصوتية.
      3. ملء الحقنة مع السائل الذي يجري التحقيق (على سبيل المثال، الماء) وإرفاقه إلى مضخة حقنة الكمبيوتر التي تسيطر عليها. تطهير الإبرة باستخدام مضخة حقنة (انقر مع الاستمرار على زر الاستغناء) حتى لا توجد فقاعات في السائل.
      4. تعيين مضخة حقنة بحيث سيتم الاستغناء عن حجم المطلوبة للإفراج عن قطرة الفردية.
        ملاحظة: بالنسبة للنتائج التمثيلية، كان متوسط قطر القطرات 2.6 مم باستخدام معدل صرف قدره 0.5 مل/دقيقة وحجم موزع يبلغ 11 ميكرولتر. يجب أن يكون معدل الضخ بطيئا بما فيه الكفاية بحيث تشكل قطرات والإفراج تحت الجاذبية، وهذا يمكن صقلها من خلال التجربة والخطأ. يمكن تقريب حجم القطرات على أنه14
        Equation 1
        حيث D هو قطر الإبرة،وإل جي هو التوتر سطح الغاز السائل، وكثافة السوائل.
    2. محاذاة العينة (على سبيل المثال، مسطحة polydimethylsiloxane [PDMS]) عن طريق وضعه تحت الإبرة والاستغناء عن قطرة واحدة باستخدام مضخة الحقنة. تأكد من أن القطرات تهبط وتنتشر على مساحة العينة ذات الفائدة، وإذا لم تقم بتغيير موضع العينة على النحو المطلوب.
      ملاحظة: إذا كانت محاذاة القطرات صعبة، فتحقق من أن الإبرة مثبتة بشكل صحيح في حامل الإبرة عموديًا وليست منحنية. يتم محاذاة العينة الآن نسبة إلى محاور X و Y ولا يجب نقلها أثناء التجارب.
    3. محاذاة الكاميرا وتركيزها.
      1. الاستغناء عن قطرة واحدة على العينة. ضبط الموقف الرأسي (Z) من حامل العينة حتى السطح هو مستوى مع مركز FOV من الكاميرا.
      2. ضبط الموضع الأفقي (X) للكاميرا بحيث يتم محاذاة القطرة على العينة في وسط FOV. ضبط المواضع الرأسية (Z) والأفقية (X) للمصباح LED لمطابقة موضع الكاميرا، بحيث يظهر مركز الضوء في وسط FOV. ضبط المسافة (Y) للكاميرا من قطرات بحيث يأتي قطرات في التركيز.
        ملاحظة: يتم الآن محاذاة النظام ومعايرته. إذا لم يتغير وضع كافة المعدات، يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتًا وإعادة تشغيله دون إعادة تنظيم. يجب تكرار محاذاة العينات في الاتجاه الرأسي (Z) للحصول على عينات من سماكة مختلفة.
    4. تعيين شروط التسجيل للكاميرا.
      1. تعيين معدل الإطار للكاميرا إلى قيمة مثالية للكائن الذي يتم تسجيله.
        ملاحظة: يمكن التنبؤ بمعدل الإطار الأمثل للكاميرا(fps)باستخدام31
        Equation 2
        حيث N هو معدل أخذ العينات (عدد الصور التي تم التقاطها ككائن يغطي مقياس الطول، عادة 10)، V هو سرعة القطرة، وJ هو مقياس طول التصوير (على سبيل المثال، FOV).
      2. قم بتعيين وقت تعرض الكاميرا إلى قيمة صغيرة قدر الإمكان مع الاحتفاظ بإضاءة كافية. في هذه المرحلة، قم بضبط فتحة العدسة على أصغر إعداد متاح مع الاحتفاظ بما يكفي من الإضاءة.
        ملاحظة: يتم إعطاء تقدير للحد الأدنى لوقت التعرض(te)بمقدار31
        Equation 3
        حيث k هو مقياس الطول (على سبيل المثال، حجم البكسل)، PMAG هو التكبير الأساسي، وV هو سرعة القطرة.
      3. تعيين الزناد للكاميرا. استخدم مشغل وضع النهاية بحيث تقوم الكاميرا بالتخزين المؤقت للتسجيل، ثم تتوقف عند المشغل (على سبيل المثال، النقر بالماوس على المستخدم).
        ملاحظة: يمكن استخدام نظام مشغل تلقائي لأتمتة هذه العملية.

2- إجراء التجارب

  1. إعداد نظام ملفات الكمبيوتر لسلسلة من التجارب.
    1. إنشاء مجلد لتخزين الأفلام للمجموعة الحالية من التجارب. تعيين هذا المجلد كموقع حفظ لبرنامج الكاميرا بعد دليل الشركة المصنعة للكاميرا. تأكد من أن تنسيق الملف للصور الملتقطة هو .tif.
    2. انقر على زر تعيين المسار في واجهة المستخدم الرسومية لتحليل الصور واختر نفس المجلد كما هو الحال في الخطوة 2.1.1 ، والتي تخبر البرنامج لمراقبة هذا المجلد لمقاطع الفيديو الجديدة.
    3. إنشاء بنية المجلد لسلسلة من التجارب.
      1. انقر على زر جعل المجلدات على واجهة المستخدم الرسومية تحليل الصورة وأدخل أربع قيم كما هو مطالب: 1) الحد الأدنى لارتفاع الإفراج عن قطرات، 2) ارتفاع الإصدار الأقصى، 3) خطوة الارتفاع بين كل تجربة، و 4) عدد التجارب المتكررة في كل ارتفاع.
        ملاحظة: يمكن تقريب سرعة الارتطام كـ V = (2gh)1/2، حيث g هو التسارع بسبب الجاذبية وh هو ارتفاع إطلاق الإسقاط.
      2. انقر فوق موافق لتشغيل البرنامج النصي إنشاء مجلدات.
        ملاحظة: تم الآن إنشاء مجموعة من المجلدات في الدليل لهذه التجربة. تسمى هذه المجلدات "height_xx" حيث xx هو ارتفاع إصدار القطرات. في كل من هذه المجلدات، المجلدات الفارغة جاهزة لتخزين البيانات لكل تجربة تكرار. كرر القسم 2.1 لكل سطح أو سائل جديد يجب دراسته.
  2. إعداد السطح على النحو المطلوب للتجربة. للتأثير على سطح جاف وصلب ، قم بتنظيف السطح باستخدام بروتوكول قياسي مناسب والسماح له بالجفاف تمامًا.
  3. تسجيل حدث تأثير إسقاطي.
    1. ضع العينة على مرحلة العينة. إذا لزم الأمر، قم بتدوير السطح لمحاذاته مع الكاميرا. نقل الإبرة إلى ارتفاع الإفراج عن قطرة المطلوب.
    2. تأكد من أن المنظر من الكاميرا غير معرقل، ثم التقط صورة وحفظها (لاستخدامها لاحقًا أثناء معالجة الصور) باستخدام برنامج الكاميرا. ابدأ تسجيل الفيديو بحيث يتم تسجيل الكاميرا والتخزين المؤقت (أي ملء الذاكرة الداخلية للكاميرا).
    3. الاستغناء عن قطرة واحدة على العينة باستخدام مضخة حقنة (الخطوة 1.2.1.4). قم بتشغيل التسجيل لإيقاف بمجرد اكتمال حدث التأثير. إزالة السطح من حامل العينة وتجفيفه، حسب الاقتضاء.
  4. إعداد ملف الفيديو لمزيد من التحليل.
    1. اقتصاص الفيديو.
      1. باستخدام برنامج مناسب (على سبيل المثال، برنامج الكاميرا عالية السرعة)، تفحص من خلال الفيديو للعثور على الإطار الأول الذي هو قطرة تماما داخل FOV. اقتصاص بداية الفيديو إلى هذا الإطار.
      2. المضي قدماً بعدد الإطارات اللازمة لالتقاط الظواهر المثيرة للاهتمام أثناء تجربة الارتطام (على سبيل المثال، عادة ما يكون 250 إطاراً كافياً للتأثيرات التي يتم التقاطها بمعدل 10,000 إطار في الثانية). اقتصاص نهاية الفيديو إلى هذا الإطار.
      3. حفظ الفيديو كملف .avi، وإعداد مسار الحفظ إلى المجلد المقابل للدفعة التجريبية الحالية، وارتفاع الإصدار، ورقم التكرار.
    2. في واجهة المستخدم الرسومية لتحليل الصور، انقر فوق الزر فرز الملفات. تأكد بصريًا من أن صورة الخلفية التي تم التقاطها في الخطوة 2.3.2 يتم عرضها الآن على الشاشة. هذا يجد أحدث ملف .avi المحفوظة وملف .tif وينقلها إلى نفس المجلد، على افتراض أنها اتخذت في نفس الوقت.
    3. انقر فوق زر تشغيل التتبع لبدء معالجة الصور. سيتم عرض الفيديو مع معالجة الصور الناتجة متراكبة. تأكد من أن معالجة الصور تعمل بشكل صحيح من خلال مشاهدة الفيديو.
      ملاحظة: عند الانتهاء من معالجة الصورة، سيتم عرض رمز معالجة الصور صورة للقطرة في أقصى انتشار. يمكن أن يؤدي الفشل في معايرة الكاميرا بشكل صحيح إلى معالجة صورة غير صحيحة. إذا لزم الأمر، كرر المعايرة حتى تتم معالجة الصور بنجاح.
    4. كرر المقاطعتين 2.3 و 2.4 ، وضبط ارتفاع الإبرة على النحو المطلوب لإجراء جميع التجارب في هذه الدفعة.
      ملاحظة: كل مجلد تجريبي سيحتوي الآن على سلسلة من ملفات .mat. تحتوي هذه الملفات على البيانات المستخرجة من قبل برنامج معالجة الصور وحفظها للتحليل المستقبلي، بما في ذلك مخطط الإسقاط والمنطقة والمربع المحيط ومحيط كل إطار.

3- تحليل البيانات الأولية

  1. في واجهة المستخدم الرسومية لتحليل الصور، انقر فوق الزر "معالجة البيانات" لبدء حساب المتغيرات الرئيسية من البيانات المعالجة الخام. إذا تم تشغيل هذا بعد جلسة العمل التجريبية، ستتم مطالبة المستخدم بتحديد المجلد الذي يحتوي على مجموعة من التجارب لمعالجة.
  2. أدخل القيم الأربعة كما هو موجه: 1) معدل الإطار للتسجيل (fps)، 2) كثافة السوائل (كجم / م3)،3) توتر سطح السائل (N/m)، و 4) لزوجة السوائل (Pa·s).
    ملاحظة: البرنامج الافتراضي إلى معدل إطار 9,300 إطارا في الثانية وخصائص السوائل من المياه في الظروف المحيطة. يتم استخدام القيم المدخلة لحساب أرقام ويبر ورينولدز.
  3. حفظ البيانات في ملف videofolders.mat وتصديرك كملف .csv.
    ملاحظة: ستقوم التعليمات البرمجية بتحميل الملف prop_data.mat لتجربة واحدة، وحساب موضع مركز القطرات، والعثور على إطار التأثير (المعرّف كالإطار الأخير قبل إبطاء مركز القطرات)، والإطار الذي يتم فيه تكبير الانتشار الأفقي للقطرة. بيانات الإخراج المحفوظة ستكون سرعة الارتطام (باستخدام 1st من الدرجة متعدد الحدود تناسب الموقف الرأسي لمركز قطرة كدالة للوقت) ، القطر المكافئ للقطرة (محسوبة بافتراض التماثل الدوراني حول محور Z للعثور على حجم القطرة ، ثم العثور على قطر الكرة مع هذا المجلد36)، وقطر القطرات في الحد الأقصى للانتشار ، وتأثير أرقام ويبر ورينولدز.

Representative Results

يتم تحويل المسافات التي تقاس من الصور بالبكسل إلى ملليمتر باستخدام مربع مرجعي معروف. يجب أن يكون هذا المربع دون عائق في FOV الكاميرا، وفي التركيز(الشكل 2A). سيؤدي التركيز غير الصحيح للمربع المرجعي(الشكل 2B)إلى حدوث خطأ منهجي في المتغيرات المحسوبة، على سبيل المثال، السرعة. لتقليل الخطأ في حساب عامل التحويل يجب أن يغطي المربع المرجعي أكبر قدر ممكن من FOV. يجب أن يكون الطول الجانبي للمربع معروفًا بدقة عالية قدر الإمكان ، نظرًا للحد الأقصى لدقة الكاميرا.

يعتمد برنامج تحديد القطرات على سطح العينة التي يتم تقديمها أفقيًا إلى الكاميرا ، كما هو موضح في الشكل 2C. الأسطح التي يتم عازمة أو حلها بشكل سيئ(الشكل 2D)سوف تنتج أخطاء معالجة الصور. يمكن استخدام البرنامج لتحليل القطرات التي تؤثر على الأسطح المسطحة التي ليست أفقية ، طالما أن حافة السطح تنتج تباينًا حادًا ضد الخلفية.

لضمان أن يتم تعقب انتشار قطرات كامل من قبل البرنامج يجب أن تهبط قطرات في وسط العينة(الشكل 2E). إذا تم محاذاة النظام بشكل غير صحيح، ثم يمكن أن تنجرف قطرات من مركز الموقف، وسوف تكون خارج التركيز(الشكل 2F). إذا كان القطرة خارج التركيز سيكون الحجم المحسوب غير صحيح. يحدث هذا التأثير غالبًا بسبب ضعف محاذاة النظام المستخدم لتحريك الإبرة رأسيًا بعيدًا عن السطح ، مما سيؤدي إلى انحراف في موقع الارتطام كدالة للارتفاع. ويقترح أن يقوم المستخدم بتطبيق نظام لوح خبز بصري (أو ما شابه) لضمان المحاذاة المتوازية والعمودية.

لضمان أن حواف الصورة من قطرات تأثير تظهر حادة، ويقترح أن أقصر وقت التعرض ممكن مع مصدر الضوء المتاحة ينبغي أن تستخدم(الشكل 2G). غالبًا ما تؤدي محاذاة مسار الإضاءة غير الصحيحة بالنسبة للكاميرا إلى ضبط إعدادات أخرى مثل فتحة الكاميرا ووقت التعرض. هذا ينتج حافة غامض إلى قطرات السفر(الشكل 2H)

Figure 2
الشكل 2: المشكلات الشائعة مع المعايرة غير الصحيحة للنظام. (أ)مربع المعايرة محاذاة بشكل صحيح وركزت. (ب)معايرة مربع من التركيز، وإنتاج عامل معايرة غير صحيحة. (C)سطح العينة أفقي ويوفر تباينًا عاليًا بين سطح العينة والخلفية. (D)عينة في زاوية للكاميرا، وإنتاج سطح عاكس. (E)قطرة الأراضي في وسط العينة في مستوى التركيز. (واو)قطرات الأراضي قبالة مركز وليس في التركيز بسبب فتحة واسعة المستخدمة. (G)يتم وضع صورة لقطرة ذات حواف حادة بسبب وقت تعرض قصير (10 ميكرون). (H)الإضاءة دون المثلى ووقت التعرض لفترة أطول (99 μs) تنتج طمس الحركة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يمكن أن تنتج الإضاءة غير الصحيحة ومحاذاة العينة وهجًا وظلالًا في الصور المسجلة. وغالبا ما تنتج هذه القطع الأثرية في مراحل معالجة الصور، والتي يمكن أن تقلل من عدد من نقاط البيانات ذات النوعية الجيدة التي تم جمعها. الوهج شائع للسوائل الشفافة إذا لم يتم محاذاة مسار الإضاءة أفقيًا. وينبغي أن يكون البرنامج قادرا على تتبع المخطط الكامل للقطرة في صور الفيديو(الشكل 3A). إذا لم يتم إكمال التتبع، فإن القيم المقاسة مثل طول قطرة الانتشار ستكون غير صحيحة(الشكل 3B).

Figure 3
الشكل 3: طول قطرة مؤثرة كدالة لرقم إطار الفيديو (إطار التأثير = 0). تتوافق كل نقطة بيانات زرقاء مع الصور الواردة. (أ)الإضاءة الصحيحة يسمح البرنامج لتتبع المخطط التفصيلي بأكمله من قطرات (خط أصفر). يتم تحديد نقاط الاتصال (الصلبان الخضراء) بشكل صحيح ، والطول المسجل لقطرة الانتشار هو وظيفة سلسة لعدد الإطار. (ب)الإضاءة الفقراء تنتج وهج على السائل والحافة اليسرى من قطرات لا تتبع بشكل صحيح. يوضح الطول المسجل لقطرة الانتشار عدم الدقة في البيانات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ملف الترميز التكميلي. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

تعتمد هذه الطريقة على التحكم في موضع ومحاذاة عدة أجزاء من النظام. الحد الأدنى من المتطلبات لاستخدام هذا الأسلوب هو القدرة على محاذاة العينة والكاميرا وإضاءة LED. المحاذاة غير الصحيحة لمصدر الضوء إلى مستشعر الكاميرا هي مشكلة شائعة. إذا دخل مسار الضوء إلى الكاميرا بزاوية، يتم إنتاج القطع الأثرية غير المرغوب فيها وتعيق معالجة الصور. يجب أن يهدف المستخدم إلى تحقيق مسار إضاءة أفقي شبه مثالي بين الصمام ومستشعر الكاميرا. وضوابط تحديد المواقع الدقيقة (مثل مراحل الميكرومتر) مفيدة لهذا الجانب من الأسلوب.

يعتمد اختيار العدسة على FOV المطلوبة للتجربة. على الرغم من أن العدسات المتاحة عادة التكبير متغير تسمح للنظام أن تتكيف على الطاير ، فإنها غالبا ما تعاني من قضايا أخرى. في حالة استخدام عدسات التكبير المتغيرة، يجب على المستخدم التأكد من أن التكبير الكلي لا يتغير أثناء مجموعة من التجارب (بمجرد معايرة النظام، قسم البروتوكول 1). يمكن تجنب هذه المشكلة باستخدام عدسات التكبير الثابتة. مع التكبير ثابتة، يمكن تغيير موقف المستوى البؤري لأي نوع من العدسة عن طريق تحريك الكاميرا بالنسبة إلى العينة.

في حين محاذاة النظام فمن المستحسن استخدام عينة فارغة من نفس سمك العينات التي سيتم التحقيق فيها. هذا يمنع العينات ذات الاهتمام من التلف أو الرطب قبل التجارب. إذا تغير سمك العينة أثناء مجموعة من التجارب، فيجب إعادة تنظيم النظام في اتجاه Z.

على الرغم من أنه ليس ضروريًا ، فإن إضافة نظام تحديد المواقع بالإبر ة الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر يمكن أن يزيد بشكل كبير من سرعة ودقة الطريقة. يمكن استخدام أنظمة السكك الحديدية الحركية المتاحة عادة السائر التي تسمح لتحديد المواقع من الإبرة مع دقة الميكرومتر. كما يسمح التحكم الرقمي للإبرة للمستخدم بصفر الارتفاع بالنسبة للسطح بدقة أكبر. تضمن هذه الخطوة الإضافية إمكانية استعادة الإعداد التجريبي بدقة في بداية جلسة عمل مختبر جديدة.

وينصح بأن المستخدم يتعلم استخدام برنامج التحكم للكاميرا عالية السرعة. يمكن لمعظم الأنظمة الحديثة استخدام مشغل الصورة. تستخدم هذه الطريقة الإلكترونيات الداخلية عالية السرعة للكاميرا لمراقبة منطقة من FOV للتغييرات. إذا تمت معايرتها بعناية، يمكن استخدامها لتشغيل الكاميرا تلقائيًا حيث تؤثر القطرة على السطح. تقلل هذه الطريقة من الوقت المستغرق في العثور على الإطارات الصحيحة للفيديو للاقتصاص بعد تسجيل الفيديو.

يمكن توسيع هذه الطريقة لاستخدام أكثر من كاميرا واحدة لتحليل الظواهر التي تعتمد على الاتجاه. إذا كنت تستخدم كاميرات متعددة، ينصح بأن المستخدم يستخدم الأجهزة المشغلة والمزامنة. تسمح معظم أنظمة الكاميرات عالية السرعة بتسجيل مزامنة كاميرات متعددة بنفس معدل الإطار. باستخدام مشغل أجهزة مشترك (على سبيل المثال، منطق الترانزستور-الترانزستور [TTL] النبض)، يمكن للمستخدم تسجيل طرق عرض متزامنة لنفس التجربة. ويمكن تكييف هذه الطريقة لتسجيل نفس الحدث في تكبيرين مختلفين.

يهدف هذا البروتوكول إلى تمكين جمع ومعالجة بيانات الفيديو عالية السرعة بسرعة للقطرات التي تؤثر على الأسطح. كما هو موضح ، فهو متعدد الاستخدامات على مجموعة من ظروف التأثير. ومع إدخال تعديلات طفيفة نسبياً على شفرة التحليل، يمكن توسيع نطاقها لتوفير مزيد من البيانات (مثل الاعتماد على الوقت وملامح الرش) أو لدراسة مختلف أشكال هندسة الأثر. ويمكن أن تشمل التحسينات الأخرى اقتصاص مقاطع الفيديو تلقائيًا لتشمل الأطر الرئيسية المثيرة للاهتمام. هذه الخطوة ، جنبا إلى جنب مع أتمتة ارتفاع الإبرة ، من شأنها أن تسمح لأشرطة الفيديو دفعة ليتم جمعها بطريقة تلقائية بالكامل ، مما يتطلب فقط من المستخدم لتغيير عينة بين الآثار.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

وقد دعم هذا العمل صندوق مارسدن الذي تديره الجمعية الملكية لنيوزيلندا.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Josserand, C., Thoroddsen, S. T. Drop impact on a solid surface. Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).
  2. Van Dam, D. B., Le Clerc, C. Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate. Physics of Fluids. 16, 3403-3414 (2004).
  3. Worthington, A. M. A study of splashes. Longmans, Green, and Company. London. (1908).
  4. Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Review of Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
  5. Chandra, S., Avedisian, C. On the collision of a droplet with a solid surface. Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 32, (1884), 13-41 (1991).
  6. Marengo, M., Antonini, C., Roisman, I. V., Tropea, C. Drop collisions with simple and complex surfaces. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 292-302 (2011).
  7. Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing. Annual Review of Fluid Mechanics. 38, (1), 159-192 (2006).
  8. Thoroddsen, S. T. The making of a splash. Journal of Fluid Mechanics. 690, 1-4 (2012).
  9. Bartolo, D., et al. Bouncing or sticky droplets: Impalement transitions on superhydrophobic micropatterned surfaces. Europhysics Letters. 74, (2), 299-305 (2006).
  10. Richard, D., Quéré, D. Bouncing water drops. Europhysics Letters. 50, (6), 769-775 (2000).
  11. Bird, J. C., Dhiman, R., Kwon, H. M., Varanasi, K. K. Reducing the contact time of a bouncing drop. Nature. 503, 385-388 (2013).
  12. Khojasteh, D., Kazerooni, M., Salarian, S., Kamali, R. Droplet impact on superhydrophobic surfaces: A review of recent developments. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 42, 1-14 (2016).
  13. Robson, S., Willmott, G. R. Asymmetries in the spread of drops impacting on hydrophobic micropillar arrays. Soft Matter. 12, (21), 4853-4865 (2016).
  14. Broom, M. Imaging and Analysis of Water Drop Impacts on Microstructure Designs. University of Auckland. Doctoral dissertation (2019).
  15. Lee, J. B., Derome, D., Guyer, R., Carmeliet, J. Modeling the maximum spreading of liquid droplets impacting wetting and nonwetting surfaces. Langmuir. 32, (5), 1299-1308 (2016).
  16. Laan, N., de Bruin, K. G., Bartolo, D., Josserand, C., Bonn, D. Maximum diameter of impacting liquid droplets. Physical Review Applied. 2, (4), 044018 (2014).
  17. Rein, M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 12, (2), 61-93 (1993).
  18. Wang, M. J., Lin, F. H., Hung, Y. L., Lin, S. Y. Dynamic behaviors of droplet impact and spreading: Water on five different substrates. Langmuir. 25, (12), 6772-6780 (2009).
  19. Weisensee, P. B., Tian, J., Miljkovic, N., King, W. P. Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces. Scientific Reports. 6, 30328 (2016).
  20. Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop splashing on a dry smooth surface. Physical Review Letters. 94, (18), 184505 (2005).
  21. Clanet, C., Béguin, C., Richard, D., Quéré, D. Maximal deformation of an impacting drop. Journal of Fluid Mechanics. 517, 199-208 (2004).
  22. Collings, E., Markworth, A., McCoy, J., Saunders, J. Splat-quench solidification of freely falling liquid-metal drops by impact on a planar substrate. Journal of Materials Science. 25, (8), 3677-3682 (1990).
  23. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9, (7), 676-682 (2012).
  24. Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education (software). Available from: https://physlets.org/tracker (2019).
  25. Bennett, T., Poulikakos, D. Splat-quench solidification: Estimating the maximum spreading of a droplet impacting a solid surface. Journal of Materials Science. 28, (4), 963-970 (1993).
  26. Rioboo, R., Marengo, M., Tropea, C. Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces. Experiments in Fluids. 33, (1), 112-124 (2002).
  27. Ukiwe, C., Kwok, D. Y. On the maximum spreading diameter of impacting droplets on well-prepared solid surfaces. Langmuir. 21, (2), 666-673 (2005).
  28. Wildeman, S., Visser, C. W., Sun, C., Lohse, D. On the spreading of impacting drops. Journal of Fluid Mechanics. 805, 636-655 (2016).
  29. Biolè, D., Bertola, V. A goniometric mask to measure contact angles from digital images of liquid drops. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 467, 149-156 (2015).
  30. Daerr, A., Mogne, A. Pendent_Drop: An ImageJ plugin to measure the surface tension from an image of a pendent drop. Journal of Open Research Software. 4, (1), 3 (2016).
  31. Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Experiments in Fluids. 54, (2), 1458 (2013).
  32. Rydblom, S., Thӧrnberg, B. Liquid water content and droplet sizing shadowgraph measuring system for wind turbine icing detection. IEEE Sensors Journal. 16, (8), 2714-2725 (2015).
  33. Castrejón-García, R., Castrejón-Pita, J., Martin, G., Hutchings, I. The shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops. Revista Mexicana de Física. 57, (3), 266-275 (2011).
  34. Castrejón-Pita, J. R., Castrejón-García, R., Hutchings, I. M. High speed shadowgraphy for the study of liquid drops. Fluid Dynamics in Physics, Engineering and Environmental Applications. Klapp, J., Medina, A., Cros, A., Vargas, C. Springer. Berlin, Heidelberg. 121-137 (2013).
  35. Tripp, G. K., Good, K. L., Motta, M. J., Kass, P. H., Murphy, C. J. The effect of needle gauge, needle type, and needle orientation on the volume of a drop. Veterinary ophthalmology. 19, (1), 38-42 (2016).
  36. Hugli, H., Gonzalez, J. J. Drop volume measurements by vision. Machine Vision Applications in Industrial Inspection VIII. 3966, 60-67 (2000).
تحليل الإنتاجية العالية لتأثيرات قطرات السائل
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Broom, M. A. J., Willmott, G. R. High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts. J. Vis. Exp. (157), e60778, doi:10.3791/60778 (2020).More

Broom, M. A. J., Willmott, G. R. High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts. J. Vis. Exp. (157), e60778, doi:10.3791/60778 (2020).

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