Waiting
Login processing...

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

Engineering

Høj gennemløbsanalyse af væskedråbepåvirkninger

doi: 10.3791/60778 Published: March 6, 2020

Summary

Denne protokol muliggør effektiv indsamling af eksperimentelle højhastighedsbilleder af væskedråbepåvirkninger og hurtig analyse af disse data i batches. For at strømline disse processer beskriver metoden, hvordan du kalibrerer og konfigurerer apparater, genererer en passende datastruktur og implementerer et script til billedanalyse.

Abstract

Eksperimentelle undersøgelser af væskefaldspåvirkninger på overflader er ofte begrænset i deres anvendelsesområde på grund af det store udvalg af mulige eksperimentelle parametre såsom materialeegenskaber, indvirkningsforhold og eksperimentelle konfigurationer. Forværrer dette, drop virkninger er ofte undersøgt ved hjælp af data-rige high-speed fotografering, så det er vanskeligt at analysere mange eksperimenter i en detaljeret og rettidig måde. Formålet med denne metode er at muliggøre en effektiv undersøgelse af dråbepåvirkninger med højhastighedsfotografering ved hjælp af en systematisk tilgang. Udstyr er justeret og kalibreret til at producere videoer, der kan behandles nøjagtigt af en brugerdefineret billedbehandlingskode. Desuden sikrer den her beskrevne opsætning af filstruktur og arbejdsgange effektivitet og klar organisering af databehandlingen, som udføres, mens forskeren stadig er i laboratoriet. Billedbehandlingsmetoden udtrækker den digitaliserede kontur for påvirkningsslippet i hvert billede af videoen, og behandlede data gemmes til yderligere analyse efter behov. Protokollen forudsætter, at en dråbe frigives lodret under tyngdekraften, og virkningen registreres af et kamera, der ser fra side-on med dråben belyst ved hjælp af shadowgraphy. Mange lignende forsøg, der involverer billedanalyse af højhastighedshændelser, kunne behandles med mindre tilpasning af den anvendte protokol og det anvendte udstyr.

Introduction

Væskefaldpåflader på overflader er af stor interesse både for forståelsen af grundlæggende fænomener1 og for industrielle processer2. Drop impacts er blevet undersøgt i over 100 år3, men mange aspekter er endnu ikke fuldt undersøgt. Højhastighedsfotografering bruges næsten universelt til undersøgelser af faldpåvirkninger4, fordi det giver omfattende, tilgængelige data, som gør det muligt at foretage analytiske målinger med god tidsopløsning. Resultaterne af en dråbepåvirkning på en fast overflade5,6,7 spænder fra simpel aflejring til sprøjt8. Virkninger på superhydrofobe overflader undersøges ofte , da de kan generere særligt interessante resultater, herunder drop hoppende9,10,11,12. Den protokol, der er beskrevet her , blev udviklet for at undersøge vanddråbepåvirkninger på polymeroverflader med mikroskalamønstre, og især mønsterets indflydelse på dråbeeffektresultaterne13,14.

Resultatet af et drop impact-eksperiment kan blive påvirket af en lang række mulige variabler. Størrelsen og hastigheden af faldet kan variere, sammen med flydende egenskaber såsom tæthed, overfladespænding, og viskositet. Faldet kan enten newtonske15 eller ikke-newtonske16. En lang række påvirkningoverflader er blevet undersøgt, herunder væske7,17, fast18, ogelastiske 19 overflader. Forskellige mulige eksperimentelle konfigurationer blev beskrevet tidligere af Rein et al.17. Dråben kan tage forskellige former. Det kan være oscillerende, roterende, eller indvirkning i en vinkel til overfladen. Overfladeteksturen og miljømæssige faktorer såsom temperatur kan variere. Alle disse parametre gør området for dråbe påvirkninger ekstremt vidtrækkende.

På grund af denne store vifte af variabler, undersøgelser af dynamiske flydende befugtning fænomener er ofte begrænset til at fokusere på relativt specifikke eller smalle emner. Mange af disse undersøgelser anvender et moderat antal forsøg (f.eks. 50−200 datapunkter) fra manuelt behandlede højhastighedsvideoer10,20,21,22. Bredden af sådanne undersøgelser er begrænset af mængden af data, der kan opnås af forskeren i en rimelig tid. Manuel behandling af videoer kræver, at brugeren udfører gentagne opgaver, såsom måling af diameteren af påvirker dråber, ofte opnået med brug af billedanalyse software (Fiji23 og Tracker24 er populære valg). Den mest udbredte måling til karakterisering af faldpåvirkninger er diameteren af et spredende faldpå 25,26,27,28.

På grund af forbedringer i billedbehandling, automatiske computer-aided metoder er begyndt at forbedre dataindsamling effektivitet. For eksempel er billedanalysealgoritmer til automatisk måling af kontaktvinkel29 og overfladespænding ved hjælp af vedhængsdropmetode30 nu tilgængelige. Der kan opnås langt større effektivitetsgevinster for højhastighedsfotografering af faldeffekter, der producerer film, der består af mange individuelle billeder til analyse, og faktisk er nogle nylige undersøgelser begyndt at bruge automatiseret analyse15,18, selv om den eksperimentelle arbejdsgang ikke har ændret sig klart. Andre forbedringer i forsøgsdesignet til drop impact-eksperimenter er opstået som følge af fremskridt inden for kommercielt tilgængelige LED-lyskilder , som kan kombineres med højhastighedskameraer via shadowgraph-teknikken31,32,33,34.

I denne artikel beskrives en standardiseret metode til indfangning og analyse af drop impact-film. Det primære mål er at muliggøre en effektiv indsamling af store datasæt, hvilket generelt bør være nyttigt for de mange forskellige dråbekollisionsundersøgelser, der er beskrevet ovenfor. Ved hjælp af denne metode kan den tidsforløste, digitaliserede kontur for en påvirker dråbe opnås for ~ 100 eksperimenter om dagen. Analysen beregner automatisk dråbeeffektparametrene (størrelse, hastighed, Weber- og Reynolds-tal) og den maksimale spredningsdiameter. Protokollen gælder direkte for alle grundlæggende dråbeparametre (herunder væske,størrelse og slaghastighed), substratmateriale eller miljøforhold. Undersøgelser, der scanner en lang række eksperimentelle parametre, kan udføres inden for en relativt kort tidsramme. Metoden tilskynder også til høj opløsning undersøgelser, der dækker en lille række variabler, med flere gentagne eksperimenter.

Fordelene ved denne metode leveres af det standardiserede eksperiment og en klar datastruktur og arbejdsgang. Den eksperimentelle opsætning producerer billeder med ensartede egenskaber (rumlige og kontrast), der kan overføres til en brugerdefineret billedanalysekode (inkluderet som en supplerende kodningsfil, der kører på MATLAB) til hurtig behandling af optagede videoer umiddelbart efter eksperimentet. Integration af databehandling og -anskaffelse er en primær årsag til den forbedrede samlede hastighed i dataindsamlingen. Efter en samling af dataindsamling, hver video er blevet behandlet, og alle relevante rådata er gemt til yderligere analyse uden at kræve oparbejdning af videoen. Desuden kan brugeren visuelt inspicere kvaliteten af hvert forsøg umiddelbart efter det er udført og gentage forsøget, hvis det er nødvendigt. Et indledende kalibreringstrin sikrer, at den eksperimentelle opsætning kan gengives mellem forskellige laboratoriesessioner med god præcision.

Det antages, at for at gennemføre denne metode brugeren har adgang til en højhastigheds-kamera arrangeret, så det billeder overfladen fra en vandret (side-on) synspunkt. En skematisk repræsentation af dette arrangement er vist i figur 1, herunder definition af kartesiske akser. Systemet skal kunne placere både kameraet og prøven præcist i tre dimensioner (X, Y og Z). En shadowgraph metode er implementeret for belysning af dråben og er placeret langs den optiske sti af kameraet. Systemet skal bruge et JÆVN-belysningssystem af høj kvalitet (herunder et kollimaeringskondensatorobjektiv), der kan flyttes i X- og Z-retning for at tilpasse den optiske vej til kameraet. Det antages også, at brugeren har adgang til en sprøjtepumpe, som de kan programmere til at producere individuelle dråber af ønsket volumen, når den er tilsluttet en bestemt nål35. Dråben falder ind under tyngdekraften, så dens anslagshastighed styres af nålens position over overfladen. Selv om denne opsætning er ganske generisk, Tabel over materialer lister specifikke udstyr, der anvendes til at opnå de repræsentative resultater, og bemærker nogle potentielle begrænsninger pålagt af valg af udstyr.

Figure 1
Figur 1: Skematisk repræsentation af den minimale eksperimentelle opsætning. Et højhastighedskamera er placeret på billeddråber, der påvirker lodret på en prøve fra side-on. En LED-lyskilde er på linje med kameraets sigtelinje for skyggegrafi. En nål bruges til individuel dråbeproduktion, og kartesiske akser er defineret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Metodebeskrivelsen er fokuseret på måling af kanterne af flydende dråber, når de falder og påvirker. Billeder er fremstillet af den almindeligt anvendte side-on synspunkt. Det er muligt at undersøge sprede dråber fra både side-on og bottom-up visninger ved hjælp af to højhastighedskameraer13,14, men bottom-up visning er ikke muligt for uigennemsigtige materialer, og en top-down visning producerer tilpasning komplikationer. Den grundlæggende arbejdsgang kan bruges til at forbedre forskningen for små objekter med en diameter på 2,3 mm, der påvirker overflader, og den kan bruges til større eller mindre objekter med yderligere mindre ændringer. Forbedringer og alternativer til den eksperimentelle opsætning og metode overvejes yderligere i diskussionsafsnittet.

Protocol

1. Opsætning af højhastighedskameraet

  1. Indstil kameraets faste synsfelt (FOV), og beregn omregningsfaktoren fra pixel til mm.
    1. Anbring en justeringsmarkør (f.eks. en 4 mm sidelængdemarkør med den medfølgende billedanalysekode) på prøvetrinets midterposition, så den vender mod kameraet. Juster kameraets forstørrelse, så den firkantede markør passer ind i FOV. Sørg for, at markøren er i fokus, og tag et billede.
      BEMÆRK: Billedanalysekoden kræver, at et billeddråbe dækker mere end 1 % af den samlede FOV, ellers klassificeres den som støj. Ligeledes bør dråben ikke tage op mere end 40% af FOV, ellers er det identificeret som en mislykket billedbehandling begivenhed.
    2. Lås forstørrelsen af linsen og sørg for, at dette forbliver uændret under en batch af eksperimenter.
    3. Indlæs den grafiske brugergrænseflade (GUI) for droplet impact analyse software ved at klikke på ikonet i MATLAB.
    4. Kør billedanalysekoden. Klik på knappen Til kalibrering af kameraet på gui'en, og vælg det billede, der er opnået i trin 1.1.1. Angiv kalibreringskvadratets størrelse i mm, og klik på OK.
    5. Flyt det rektangel, der vises på skærmen, indtil kalibreringsfirkanten er det eneste objekt i det. Klik på OK, hvorefter softwaren automatisk beregner omregningsfaktoren. Hvis den automatiske kalibrering mislykkes, skal du følge softwarevejledningen for at udføre manuel kalibrering.
  2. Juster forsøgssystemet.
    1. Klargør den væske, der anvendes til udlevering af individuelle dråber.
      1. Placer kanleholderen omkring brugerens øjenhøjde for at gøre det nemt at læsse.
      2. Rens slangen manuelt for at fjerne væske ved at skubbe luft igennem med en sprøjte. Sørg for, at slangen ikke er snoet, og at nålen er sikker og ren. Fastgør nålen og slangen, så nålen er lodret.
        BEMÆRK: Rengør om nødvendigt stålnålen med ethanol i et ultralydsbad.
      3. Fyld sprøjten med den væske, der undersøges (f.eks. vand), og fastgør den til den computerstyrede sprøjtepumpe. Rens nålen ved hjælp af sprøjtepumpen (klik og hold dispenserknappen nede), indtil der ikke er bobler i væsken.
      4. Indstil sprøjtepumpen, så den dispenserer den mængde, der kræves for frigivelse af en individuel dråbe.
        BEMÆRK: For de repræsentative resultater var den gennemsnitlige dråbediameter 2,6 mm ved hjælp af en dispenserhastighed på 0,5 ml/min. og et dispenseret volumen på 11 μL. Pumpehastigheden skal være langsom nok til, at dråber dannes og frigives under tyngdekraften, og dette kan finjusteres gennem trial and error. Mængden af dråbe kan tilnærmes som14
        Equation 1
        hvor D er nålen diameter, γLG er flydende gas overflade spænding, og ρ er væsketætheden.
    2. Prøven (f.eks. flad polydimethylsiloxan [PDMS]) justeres ved at placere den under nålen og udviske en enkelt dråbe ved hjælp af sprøjtepumpen. Kontroller, at dråben lander og spredes på det område af prøven, der er af interesse, og hvis ikke ændre prøvepositionen efter behov.
      BEMÆRK: Hvis dråbejusteringen har vist sig at være vanskelig, skal du kontrollere, at nålen er monteret korrekt i nåleholderen lodret og ikke er bøjet. Prøven er nu justeret i forhold til X- og Y-akserne og bør ikke flyttes under eksperimenter.
    3. Juster og fokuser kameraet.
      1. Der dispenseres en enkelt dråbe på prøven. Juster prøveholderens lodrette position (Z), indtil overfladen er plan med midten af kameraets FOV.
      2. Juster kameraets vandrette position (X), så dråben på prøven justeres i midten af FOV. Juster LED'ens lodrette (Z) og vandrette (X) position, så den passer til kameraets position, så lysets centrum vises i midten af FOV. Juster kameraets afstand (Y) fra dråben, så dråben kommer i fokus.
        BEMÆRK: Systemet er nu justeret og kalibreret. Hvis placeringen af alt udstyr er uændret, kan protokollen afbrydes midlertidigt og genstartes uden justering. Prøvejusteringen i lodret retning (Z) skal gentages for prøver af varierende tykkelse.
    4. Indstil optagebetingelserne for kameraet.
      1. Indstil kameraets billedhastighed til en optimal værdi for det objekt, der optages.
        BEMÆRK: Kameraets optimale billedhastighed (fps)kan forudsiges ved hjælp af31
        Equation 2
        hvor N er prøvetagningshastigheden (antal billeder, der er taget, da genstanden dækker længdeskalaen, normalt 10), V er dråbens hastighed, og j er billedlængdeskalaen (f.eks.
      2. Indstil kameraets eksponeringstid til en værdi, der er så lille som muligt, samtidig med at der bevares tilstrækkelig belysning. På dette tidspunkt skal du justere objektivblænden til den mindste tilgængelige indstilling, samtidig med at der bevares tilstrækkelig belysning.
        BEMÆRK: Et skøn for den minimale eksponeringstid (te) er givet af31
        Equation 3
        hvor k er længdeskalaen (f.eks. størrelsen på en pixel), er PMAG den primære forstørrelse, og V er hastigheden af dråben.
      3. Indstil aftrækkeren for kameraet. Brug en sluttilstandsudløser, så kameraet buffere optagelsen og stopper derefter på udløseren (f.eks. et brugermuseklik).
        BEMÆRK: Et automatisk udløsersystem kan bruges til at automatisere denne proces.

2. Gennemførelse af eksperimenter

  1. Forbered computerfilsystemet til en række eksperimenter.
    1. Opret en mappe til lagring af film til den aktuelle gruppe eksperimenter. Angiv denne mappe som lagringsplacering for kamerasoftwaren efter kameraproducentens vejledning. Sørg for, at filformatet for optagne billeder er .tif.
    2. Klik på knappen Angiv kurve i billedanalyseGUI'en, og vælg den samme mappe som i trin 2.1.1, som fortæller softwaren, at den skal overvåge denne mappe for nye videoer.
    3. Opret mappestrukturen til en gruppe eksperimenter.
      1. Klik på knappen Opret mapper på billedanalyseGUI'en, og angiv fire værdier som bedt om: 1) mindste slippunktsfrigivelseshøjde, 2) den maksimale frigivelseshøjde, 3) højdetrinnet mellem hvert eksperiment og 4) antallet af gentagne eksperimenter i hver højde.
        BEMÆRK: Slaghastigheden kan tilnærmes som V = (2gh)1/2, hvor g er accelerationen på grund af tyngdekraften, og h er faldfrigivelseshøjden.
      2. Klik på OK for at køre scriptet Opret mapper.
        BEMÆRK: Der er nu oprettet en række mapper i mappen til dette eksperiment. Disse mapper hedder "height_xx", hvor xx er højden af slipningsmidlet frigivelse. I hver af disse mapper er tomme mapper klar til at gemme data for hvert gentagelseseksperiment. Punkt 2.1 gentages for hver ny overflade eller væske, der skal undersøges.
  2. Forbered overfladen efter behov for forsøget. Ved anslagskraft på en tør, fast overflade skal overfladen rengøres med en passende standardprotokol og lade den tørre helt.
  3. Registrer en hændelse for nedslag på sliptegn.
    1. Prøven placeres på prøvestadiet. Hvis det er nødvendigt, skal du rotere overfladen for at justere den med kameraet. Flyt nålen til den ønskede dråbefrigivelseshøjde.
    2. Sørg for, at visningen fra kameraet er uhindret, og optag og gem derefter et billede (der skal bruges senere under billedbehandling) ved hjælp af kamerasoftwaren. Begynd videooptagelsen, så kameraet optager og bufferer (dvs. fylde den interne hukommelse af kameraet).
    3. Der udafgives en enkelt dråbe til prøven ved hjælp af sprøjtepumpen (trin 1.2.1.4). Udløs optagelsen for at stoppe, når kollisionshændelsen er fuldført. Overfladen fjernes fra prøveholderen, og tør den efter behov.
  4. Forbered videofilen til yderligere analyse.
    1. Beskær videoen.
      1. Brug egnet software (f.eks. højhastighedskamerasoftwaren) til at scanne videoen igennem for at finde det første billede, hvor dråben er helt inden for FOV. Beskær starten af videoen til dette billede.
      2. Gå videre med det antal rammer, der kræves for at fange de fænomener af interesse under virkningen eksperiment (f.eks 250 rammer er normalt tilstrækkelige til virkninger fanget på 10.000 fps). Beskær slutningen af videoen til dette billede.
      3. Gem videoen som en .avi-fil, og indstil lagringsstien til den tilsvarende mappe for den aktuelle eksperimentelle batch, udgivelseshøjden og gentagelsesnummeret.
    2. Klik på knappen Sortér filer i billedanalyse-GUI. Bekræft visuelt, at baggrundsbilledet i trin 2.3.2 nu vises på skærmen. Dette finder den senest gemte .avi-fil og .tif-fil og flytter dem til den samme mappe, forudsat at de blev taget på samme tid.
    3. Klik på knappen Kør sporing for at starte billedbehandlingen. Videoen vises med den resulterende billedbehandling overlejret. Kontroller kvalitativt, at billedbehandlingen fungerer korrekt ved at se videoen.
      BEMÆRK: Når billedbehandlingen er afsluttet, viser billedbehandlingskoden et billede af sliplet ved maksimalt spredning. Hvis kameraet ikke kalibreres korrekt, kan det føre til forkert billedbehandling. Gentag om nødvendigt kalibreringen, indtil billedbehandlingen lykkes.
    4. Punkt 2.3 og 2.4 gentages, idet nålens højde justeres efter behov for at udføre alle forsøg i dette parti.
      BEMÆRK: Hver eksperimentel mappe indeholder nu en række .mat-filer. Disse filer indeholder de data, der er udtrukket af billedbehandlingssoftwaren og gemt til fremtidig analyse, herunder drop outline, area, bounding box og perimeter for hver ramme.

3. Analyse af rådata

  1. Klik på knappen Procesdata i billedanalysegui'en for at begynde at beregne de vigtigste variabler ud fra de rådatabehandlede data. Hvis dette køres efter den eksperimentelle session, bliver brugeren bedt om at vælge den mappe, der indeholder den batch af eksperimenter, der skal behandles.
  2. Indtast de fire værdier som bedt: 1) billedhastighed for optagelse (fps), 2) væsketæthed (kg/m3),3) væskeoverfladespænding (N/m) og 4) væskeviskositet (Pa·s).
    BEMÆRK: Softwaren standard til en frame rate på 9.300 fps og de flydende egenskaber af vand i omgivende forhold. De angivne værdier bruges til at beregne Weber- og Reynolds-numrene.
  3. Gem dataene i filen videofolders.mat, og eksporter som en .csv-fil.
    BEMÆRK: Koden indlæser filen prop_data.mat for et enkelt eksperiment, beregner placeringen af dråbecentret, finder anslagsrammen (defineret som det sidste billede, før dråbecentret decelererer), og den ramme, hvor dråbens vandrette spredning maksimeres. De gemte outputdata vil være anslagshastigheden (ved hjælp af en 1st-rækkefølge polynomial pasform til den lodrette position af dråbecentret som funktion af tid), den ækvivalente diameter af dråben (beregnet ved at antage rotationssymmetri omkring Z-aksen for at finde dråbevolumenet, og derefter finde diameteren af en kugle med det pågældende volumen36),dråbediameteren ved maksimal spredning og indvirkningen Weber og Reynolds-numre.

Representative Results

Konverteringen af afstande målt fra billeder i pixel til millimeter opnås ved hjælp af et kendt referencekvadrat. Denne firkant skal være uhindret i kameraets FOV, og i fokus (Figur 2A). Forkert fokus på referencekvadratet (figur 2B) vil frembringe en systematisk fejl i de beregnede variabler, f.eks. For at mindske fejlen ved beregningen af omregningsfaktoren bør referencekvadratet dække så meget af FOV som muligt. Den side længde af pladsen skal være kendt for at så høj en præcision som muligt, i betragtning af opløsningen grænse for kameraet.

Dråbeidentifikationssoftwaren er afhængig af overfladen af den prøve, der præsenteres vandret for kameraet, som vist i figur 2C. Overflader, der er bøjede eller dårligt løst (Figur 2D), vil give billedbehandlingsfejl. Softwaren kan bruges til at analysere dråber, der påvirker flade overflader, der ikke er vandrette, så længe overfladekanten giver en skarp kontrast mod baggrunden.

For at sikre, at hele dråbespredningen spores af softwaren, skal dråben lande i midten af prøven (figur 2E). Hvis systemet er forkert justeret, kan dråben glide fra midterpositionen og vil være ude af fokus (Figur 2F). Hvis sliplet ikke er i fokus, vil den beregnede størrelse være forkert. Denne effekt er ofte forårsaget af dårlig tilpasning af systemet, der anvendes til at flytte nålen lodret væk fra overfladen, hvilket vil producere en afdrift i anslagsstedet som en funktion af højden. Det foreslås, at brugeren implementerer et optisk brødbrætsystem (eller lignende) for at sikre parallel og vinkelret justering.

For at sikre, at de afbildede kanter på påvirkningsoverfaldet fremstår skarpe, foreslås det, at der anvendes den kortest mulige eksponeringstid med den tilgængelige lyskilde (figur 2G). Forkert justering af belysningsstien i forhold til kameraet fører ofte til justering af andre indstillinger, f.eks. Dette giver en fuzzy kant til den rejsende dråbe (Figur 2H)

Figure 2
Figur 2: Almindelige problemer med forkert kalibrering af systemet. (A) Kalibreringsfirkanten er korrekt justeret og fokuseret. (B) Kalibreringsfirkant ude af fokus, hvilket giver en forkert kalibreringsfaktor. (C) Prøvefladen er vandret og giver en høj kontrast mellem prøveflade og baggrund. (D) Prøven er i en vinkel til kameraet, der producerer en reflekterende overflade. (E) Dråben lander i midten af prøven i fokusplanet. (F) Droplet lander off center og er ikke i fokus på grund af den brede blænde, der anvendes. (G) Et dråbe er afbildet med skarpe kanter på grund af en kort eksponeringstid (10 μs). (H) Suboptimal belysning og en længere eksponeringstid (99 μs) frembringer bevægelsessløring. Klik her for at se en større version af dette tal.

Forkert belysning og justering af prøven kan producere blænding og skygger i de optagede billeder. Disse producerer ofte artefakter i billedbehandlingsfaserne, hvilket kan reducere antallet af indsamlede datapunkter af god kvalitet. Blænding er almindelig for gennemsigtige væsker, hvis belysningskurven ikke er justeret vandret. Softwaren skal være i stand til at spore hele omridset af dråben i videobilleder (Figur 3A). Hvis sporingen ikke er fuldført, vil de målte værdier, såsom længden af spredeslippet, være forkerte (figur 3B).

Figure 3
Figur 3: Længden af et påfaldende dråbe som funktion af videobillednummer (slagramme = 0). Hvert blåt datapunkt svarer til de indsatbilleder. (A) Korrekt belysning gør det muligt for softwaren at spore hele omridset af dråben (gul linje). Kontaktpunkter (grønne kors) er korrekt identificeret, og den registrerede længde af spredeslippet er en jævn funktion af rammenummeret. (B) Dårlig belysning giver blænding på væsken, og dråbens venstre kant spores ikke korrekt. Spredningsdråberdets registrerede længde viser unøjagtigheder i dataene. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende kodningsfil. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Denne metode afhænger af styring af placeringen og justeringen af flere dele af systemet. Et minimumskrav for at bruge denne metode er evnen til at tilpasse prøven, kameraet og belysningLED'en. Forkert tilpasning af lyskilden til kamerasensoren er et almindeligt problem. Hvis lysvejen kommer ind i kameraet i en vinkel, frembringes uønskede artefakter, og billedbehandling hindres. Brugeren skal sigte mod at opnå en næsten perfekt vandret belysningssti mellem LED'en og kamerasensoren. Præcise positioneringskontroller (f.eks. mikrometerfaser) er nyttige for dette aspekt af metoden.

Valget af linse er afhængig af FOV kræves for eksperimentet. Selv om almindeligt tilgængelige variable zoomobjektiver giver mulighed for systemet, der skal tilpasses på flue, de ofte lider af andre spørgsmål. Hvis brugeren bruger variable zoomobjektiver, skal brugeren sikre sig, at den totale forstørrelse ikke ændres under en batch af eksperimenter (når systemet er kalibreret, protokolafsnit 1). Dette problem kan undgås ved hjælp af faste forstørrelsesglas. Når forstørrelsen er fast, kan placeringen af fokale planet er af begge typer objektiver ændres ved at flytte kameraet i forhold til prøven.

Ved justering af systemet er det tilrådeligt at anvende en blindprøve af samme tykkelse som de prøver, der skal undersøges. Dette forhindrer, at de interesseprøver, der er af interesse, bliver beskadiget eller vådt før forsøg. Hvis prøvetykkelsen ændres under et parti eksperimenter, skal systemet justeres i Z-retningen.

Selv om det ikke er nødvendigt, kan tilføjelsen af et computerstyret nålepositioneringssystem øge metodens hastighed og opløsning i høj grad. Almindeligt tilgængelige stepper motorskinnesystemer kan anvendes, der giver mulighed for placering af nålen med mikrometer nøjagtighed. Digital styring af nålen giver også brugeren mulighed for at nulstille højden i forhold til overfladen med større præcision. Dette ekstra trin sikrer, at den eksperimentelle opsætning kan gendannes nøjagtigt i starten af en ny laboratoriesession.

Det tilrådes, at brugeren lærer at bruge kontrol software til højhastigheds-kamera. De fleste moderne systemer kan bruge en billedudløser. Denne metode bruger kameraets interne højhastighedselektronik til at overvåge et område af FOV for ændringer. Hvis det kalibreres omhyggeligt, kan dette bruges til at udløse kameraet automatisk, når dråben påvirker overfladen. Denne metode reducerer den tid, der bruges på at finde de korrekte billeder af videoen, der skal beskæres, når en video er optaget.

Denne metode kan udvides til at bruge mere end ét kamera til analyse af retningsafhængige fænomener. Hvis du bruger flere kameraer, anbefales det, at brugeren bruger hardware udløser og synkronisering. De fleste højhastighedskamerasystemer gør det muligt at synkronisere flere kameraer med samme billedhastighed. Ved hjælp af en delt hardwareudløser (f.eks. transistor-transistorlogik [TTL] puls) kan brugeren registrere samtidige visninger af det samme eksperiment. Denne metode kan tilpasses yderligere til at registrere den samme hændelse ved to forskellige forstørrelser.

Denne protokol har til formål at muliggøre hurtig indsamling og behandling af højhastighedsvideodata til dråber, der påvirker overflader. Som det fremgår, er det alsidigt over en række indvirkningsforhold. Med relativt små ændringer af analysekoden kan den udvides til at tilvejebringe yderligere data (f.eks. tidsafhængighed og stænkprofiler) eller for at undersøge forskellige kollisionsgeometrier. Yderligere forbedringer kunne indebære automatisk beskæring af videoer til at omfatte de vigtigste rammer af interesse. Dette trin, sammen med automatisering af nålen højde, ville gøre det muligt for batch videoer, der skal indsamles på en fuldautomatisk måde, kun kræver brugeren til at ændre prøve i mellem påvirkninger.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Marsden Fonden, der administreres af Royal Society of New Zealand.

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).
Høj gennemløbsanalyse af væskedråbepåvirkninger
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