Yöntem makalesi

Non-Newtonian Akışkanlar Bırak Etkisi Dynamics Eğitim Hızlı Görüntüleme Tekniği

DOI:

10.3791/51249

⸱

5 Mart 2014

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, The University of Chicago, 2James Franck Institute, The University of Chicago, 3Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Yale University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Farklı fiziksel parametrelerin çok kısa bir süre (bir milisaniyeden daha az onda biri) üzerinde dinamiklerini etkileyebilecek beri non-Newtonian akışkanların Bırak etkisi karmaşık bir süreçtir. Bir hızlı görüntüleme tekniği farklı non-Newtonian akışkanların etkisi davranışlarını karakterize etmek amacıyla tanıtıldı.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Akışkanlar mekaniği alanında, birçok dinamik süreçleri çok kısa bir zaman aralığında meydana ama aynı zamanda detaylı gözlem için yüksek uzaysal çözünürlüğü, geleneksel görüntüleme sistemleri ile gözlemlemek için zorlu hale senaryoları gerektirmez sadece. Bunlardan biri genellikle milisaniye onda biri içinde olur sıvıların damla etkisi vardır. Bu sorunun üstesinden gelmek için hızlı bir görüntüleme tekniği / aşağı 10 um görüntünün uzaysal çözünürlüğü getirmek için uzun çalışma mesafesi olan bir makro lens ile yüksek hızlı bir kamera (saniyede bir milyon kare yeteneğine) birleştiren tanıtıldı piksel. Görüntüleme tekniği kaydedilen videonun analizi, bu tür akış alanına yayılan mesafe ve sıçramasına hızı gibi ilgili akışkan dinamik miktarlarda, hassas ölçüm sağlar. Bu görselleştirme sisteminin yeteneklerini göstermek için, non-Newtonian akışkanların damlacıkları düz ve sert bir yüzeye çarpacak etki dinamikleri characte vardırrized. Iki durum olarak kabul edilir: oksitlenmiş sıvı metal damlacıkları için biz yayılan davranış odaklanmak ve yoğun paketlenmiş süspansiyonlar için biz sıçramasına başlangıcını belirler. Daha genel olarak, burada tanıtılan yüksek zamansal ve mekansal görüntüleme çözünürlük kombinasyonu microscale olayların geniş bir yelpazesinde hızlı dinamiğini çalışmak için avantajlar sunuyor.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Katı bir yüzey üzerine etki damla damla kesin bir kontrol yayılma ve sıçrama istendiği 3,4, mürekkep püskürtmeli baskı kullanarak elektronik imalat 1, sprey kaplama 2, ve katkı maddesi içeren bir çok üretim uygulamalarında önemli bir işlemdir. Ancak, damla etkisinin doğrudan gözlem iki nedenden dolayı teknik olarak zordur. Birincisi, bir zaman ölçeği içinde böyle optik mikroskoplar ve DSLR fotoğraf makineleri gibi geleneksel görüntüleme sistemleri, kolayca yansıması için çok kısa (~ 100 mikro-saniye) oluşur karmaşık bir dinamik bir süreçtir. Flaş fotoğrafçılık çok daha hızlı ders görüntünün kutu, ama zamanla evrim ayrıntılı analizi için gerekli olan, sürekli kayıt için izin vermez. İkincisi, darbe istikrarsızlıkların neden uzunluk ölçeği 10 mikron 5 kadar küçük olabilir. Bu nedenle, kantitatif darbe sürecini oldukça yüksek uzaysal çözünürlüğü ile birlikte ultra hızlı görüntüleme birleştiren bir sistemi incelemek için sık sıkİstenilen. Bu tür bir sistem, darbe 6-8 sonra küresel geometrik deformasyon üzerinde duruldu, ama bu tür sıçrama başlangıcı olarak erken zaman hakkında bilgi, etkisi ile ilişkili nonequilibrium süreçleri, toplamak edemedi damlacık etkisi erken çalışmalarının yokluğunda. Sıvıların 9,12 CMOS yüksek hızda videografisi son gelişmeler aşağı 1 mikro saniye olduğu aşağıda bir milyon fps ve pozlama süreleri kadar kare hızını itti. Ayrıca, yeni geliştirilen CCD görüntüleme teknikleri de bir milyon fps 9-12 yukarıdaki kare hızını zorlayabilir. Öte yandan uzamsal çözünürlük, büyütücü lensler 12 ile 1 mikron / piksel sırasına arttırılabilir. Bunun bir sonucu olarak, benzeri görülmemiş ayrıntılı olarak damla etki çeşitli aşamalarında ilgili fiziksel parametreleri geniş bir aralık etkisini araştırmak ve sistematik deney ve teori 5,13-16 karşılaştırmak mümkün hale gelmiştir. Örneğin, Newton tipi sıvılarda sıçramasına geçiş fou olduiçsel reoloji verim akışkanların gerilimi 17 yayılmasını dinamiklerini karar verir iken nd, atmosfer basıncında 5 tarafından ayarlanmalıdır.

İşte basit ama güçlü, hızlı görüntüleme tekniği tanıttı ve darbe non-Newtonian akışkanların iki tip dinamiklerini incelemek için uygulanır: Sıvı metaller ve yoğun dolu süspansiyonlar. Havaya maruz kalma ile, esasen (cıva hariç) tüm sıvı metaller kendiliğinden kendi yüzeyinde bir oksit cilt geliştirmek olacaktır. Mekanik olarak, cilt etkili yüzey gerilimi ve metallerin 18 ıslatma yeteneğini ortadan bulunmuştur. Bir önceki yazıda 15, yazarların çeşitli kantitatif yayma sürecini okudu ve deri etkisi darbe dinamiklerini, darbe parametreleri ile maksimum yayılma yarıçapının özellikle ölçeklendirme nasıl etkilediğini açıklamak başardık. Sıvı metal, yüksek yüzey yansıtma sahip olduğu için, aydınlatma dikkat ayar görüntüleme gereklidir. Süspansiyonlar, birbir sıvı içinde küçük parçacıklardan oluşan re. Hatta basit Newton sıvılar için, özellikle de asılı partiküllerinin yüksek miktarda kısmını, yani yoğun süspansiyonlar, belirgin hale Newtonian olmayan davranışlar, partiküller sonuçlarının eklenmesi. Özel olarak, sıçrama başlangıcı bir süspansiyon damla pürüzsüz, sert bir yüzeye isabet önceki çalışmaları 16 incelenmiştir. Sıvı-parçacık ve parçacık-arası etkileşimleri hem basit sıvılardan Beklenenin anlamlı sıçrama davranışını değiştirebilir. Yüksek uzamsal çözünürlük gereklidir, bu deneylerde, 80 mikron kadar küçük parçacıkları izlemek için.

Böyle yüksek temporal ve uzaysal çözünürlüğü, artı yan ve alttan hem de etkilerini gözlemlemek için yeteneği gibi çeşitli teknik gereksinimleri bir arada, hepsi burada anlatılan görüntüleme kurulum ile memnun olabilir. Standart bir protokol izlenerek, aşağıda açıklanan dinamik darbe araş olabilir,davranışı yayılması ve sıçraması için açıkça gösterildiği gibi, kontrollü bir şekilde tigated.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1.. Hızlı Görüntüleme Kurulum (Bakınız Şekil 1)

  1. Incelenecek sıvı ile dolu bir kap serbestçe etki hızını ayarlamak için hareket edilebilir boyunca dikey bir parça kurarak başlayın. Akışkan bir meme boyunca, kabın alt yaprakları ve sonra serbest düşme girer. Bu iş için düşme yüksekliği 0.15 m / sn ± bir çarpma hızı V = (0,4-6,3) 0 vermek için 1-200 cm arasında değişiyordu.
  2. Construct ve eğimli bir yansıtıcı ayna alttan açılan etkisini görselleştirmek için konumlandırılmış altında yatay etki uçağı, genellikle bir cam plaka, tutmak için bir montaj çerçevesi.
  3. Tutucuya temiz ve pürüzsüz cam tabak koyun. Plaka yatay tesviye olduğundan emin olun.
  4. Dikey parça üzerine bir şırınga pompası monte edin.
  5. Sıvı metal etki için, yan görünüm görüntüleme için memenin arkasında şeffaf bir kağıt difüzör yerleştirin. Aynı zamanda, elde etmek için şırınga pompası üzerinde bir beyaz opak kağıt takmakgörüntüleme altındaki (bkz. Şekil 1) için yansıma. Ardından, memenin arkasına ışık kaynağını bulun.
  6. Yoğun süspansiyon etki için, hiçbir difüzör gereklidir. Bunun yerine, sadece görüntüleme düzlemin önünde ışık kaynağı yerleştirin.
  7. İstediğiniz büyütme ve optik çalışma mesafesi için uygun bir odak uzunluğuna sahip makro objektifi seçin. Ardından, kamera objektifi bağlayın.
  8. Bir tripod üzerine kamera monte ve görüntüleme perspektif (yan veya alt) göre kameranın yüksekliğini ayarlayın.

2. Numune Hazırlama

  1. Oksitlenmiş sıvı metalin hazırlanması
    1. Kapalı bir kapta saklayın Galyum-İndiyum Eutectic (EGAIN). Erime sıcaklığı yaklaşık 15 ° C olduğu için, EGAIN, oda sıcaklığında sıvı halde kalır.
    2. Kabından 3 mi EGAIN özü ve bir akrilik plaka üzerine ekstrüde etmek için bir pipet kullanın. Numune tamamen havada okside edilmesi için 30 dakika bekleyin. Bir conseque olaraknce, kırışık okside deri ince bir tabaka tamamen numune yüzeyini kapsamaktadır.
    3. EGAIN örnek ön yıkama ve yüzey oksidasyonu kontrol etmek için farklı konsantrasyonlarda, hidroklorik asit ("Dikkat" HCl) kullanın. Bu asit banyosuna iken Spesifik olarak, bir reometre ile 60 saniye-1 kesme hızında, örnek kesme. Kesme 10 dakika sonra, numune yüzey oksidasyon seviyesi HCI konsantrasyonu, 15,18 tarafından belirlenen, dengeye ulaşır.
    4. Bu ön-yıkamadan sonra, banyosundan EGAIN çıkarmak için bir çelik meme ucu ile plastik bir şırınga kullanın.
    5. Şırınga pompa üzerine monte şırınga ve deney için hazır.
  2. Yoğun bir süspansiyon hazırlanması
    1. Ticari bir şırınga (4.5 mm ya da 2,3 mm çapında) ucunu kesin ve yoğun süspansiyonunun dışarı verilmesi için silindirik bir tüp olarak kullanın.
    2. Pistonu geri çek ve su ile şırınga açık ucuna tüm yol dolgu, s yapmaure sürüklenmiş hava balonu olduğunu.
    3. Şırıngaya küresel ZrO 2 veya cam boncuk koydu. Partiküllerin sedimantasyonu ile, su, memeden dışarı dökülür. Parçacıkları ile açık ucuna tüm yol şırınga doldurun. Süspansiyon yerçekimi altında reçel olacak.
    4. Düz o ucunu tutmak için üst ekstra ıslatılmış parçacıkları kaldırmak için bir jilet kullanın.
    5. Meme üzerine çevirmek ve şırınga pompası üzerine monte. Yüzey gerilimi 16 düşmesini partikülleri önlemek olacaktır.

3. Ayarlama

Video toplama önce, görüntüleme cihazı parametreleri ayarlamak ve aydınlatma hizalama tamamlanmış olması gerekir. Ayrıca, uzaysal çözünürlük kalibre edilmesi gerekir.

  1. , Memeden sıvı (sıvı metal ya da süspansiyon) dışarı itmek için, 20 ml / st 'lik bir hızda şırınga pompası başlatın.
  2. Şırınga ayırmak için akışkan için bekleyin, bir damla ve düşme formununcam alt tabaka üzerine bir test etki yapmak f.
  3. Kameraya bağlayan bilgisayar monitörü uyarısı bulmak için, dikey konumda ve görüntüleme yön dahil kamera konumunu, ayarlayın. Lensin üreme oranı 1:1 sabit zaman odak düzleminde olmak için görüntü düzenlemek için çalışma mesafesi değiştirin.
  4. Kare hızı (> 6,000 fps) yeterince yüksek olduğunda, en iyi görüntü kalitesini elde etmek için diyafram boyutunu, pozlama süresini ve aydınlatma açısı değişir. Şekil 2 (a) sıvı EGAIN ve yoğun bir süspansiyon hem kamera tarafından çekilen tipik görüntüleri gösterir.
  5. (Şekil 2 (b)) ve 1 cm çapında uygun kaç piksel sayarak uzamsal çözünürlük hesaplamak görüş alanında bir cetvel yerleştirin. Yatay ve düşey doğrultular arasındaki çözünürlük farkı yok emin olun.
  6. Yoğun süspansiyon damla paketleme kısmını ölçmek için 3 aşamalı bir süreç takip edin:
    1. Ent kütlesini ölçündarbeden sonra ire uyarısı doğru (doğru olarak tartılır edilebilir bir ölçü kabı içine düşmek düşürmek sağlayarak örneğin).
    2. Daha sonra, bir ısıtıcı ile bütün solvent buharlaşır ve tanecik kütlesi elde etmek için tekrar uyarısı tartın.
    3. Paketleme kısmını almak için parçacıklar ve sıvı hacmini hesaplayın. Tipik olarak, bu hacim fraksiyonu% 60 civarında olmalıdır.
  7. Gözlem yönü (alt ya da yan) göre, uygun kamerayı yerleştirin. Özellikle, aşağıdaki yan görünüm ya da alt görüntüleme için yansıtıcı aynanın aynı düzeyde substrata kamera koymak.

4. Video Kayıt ve Veri Toplama

  1. Görüntüleme kalibrasyon sonra, şırınga pompası yeniden başlatın. Aynı zamanda, çarpma işlemini izlemek için, kamera kontrol yazılımı açın.
  2. Video uzunluğu kabaca yarısı post-tetikleme çerçeve numaralarını ayarlayın. Damla formu ve elle süslemek başladığında dikkatle izleyinger an kamera damla, memeden ayrılır zaman. Veri kayıt önce birkaç uygulama testleri gerçekleştirin.
  3. Veriler kaydedildikten sonra, etkisini içeren kısmına videoyu aşağı düzeltme ve analiz için görüntü dizileri gibi video kaydedebilirsiniz.

5. Post Görüntü işleme ve Analiz

  1. O () Şekiller 3 (ab bakınız) ortalama piksel değeri keskin bir geçiş karşılık gelir yayılır gibi sıvı EGAIN hareketli ön bulmak için bir sınır algılama yöntemi kullanın.
  2. Alt ve yan hem görüntüleri, yoğun süspansiyon sıçramasına başlangıcını belirler.
  3. () Şekil 3 (C) bir uyarıyla kaçan bireysel partiküllerin izlerini elde etmek için partikül izleme algoritmaları gerçekleştirin. Daha sonra, bu yörüngeler arasındaki çıkarma hızı (Şekil 3 (d)) hesaplar.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hızlı görüntüleme tekniği. Şekil yayılması ve çeşitli etki senaryoları için sıçramasına ölçmek için kullanılabilecek 4 (a), örneğin, farklı oksit ten gücü sıvı EGAIN için tipik etki görüntü dizilerini göstermektedir. Aynı memeden ve aynı düşen yükseklikte EGAIN kovarak, tekrarlanabilir çarpma hızı V 0 ile damlacıklar = ± 0.12 m / sn ve yarıçapı R 0 = 6.25 ± 0.10 mm 1.02 oluşturulmuştur. Sol sütun asit içinde yıkanmış olan bir hava oksitlenmiş EGAIN damla etkisini g...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Birkaç adım hızlı görüntüleme uygun yürütülmesi için kritik öneme sahiptir. Birincisi, kamera ve lens uygun kurmak ve kalibre edilmesi gerekir. Özellikle, yüksek uzamsal çözünürlük elde etmek amacıyla, lensin üreme oranı 1:1 civarındadır tutulmalıdır. Bu yoğun süspansiyonlar görüntülenmesi için özellikle önemlidir. Ayrıca, delik büyüklüğü görüntüleme için dikkatli bir şekilde seçilmiş olması gerekir. Örneğin, genel olarak yan gözlem alanında daha uzun bir derinlik, bu nedenle daha küçük açıklık boyutu gerektirir. Videon...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deneysel örneklerini hazırlamakta yardım için birçok yararlı tartışmalar ve Qiti Guo için Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin ve Michelle Driscoll teşekkürler. Bu çalışma Hibe No DMR-0820054 altında Ulusal Bilim Vakfı'nın MRSEC programı tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Galyum-İndiyum ÖtektikSigma Aldrich495425-25G
Hidroklorik Asit Sigma Aldrich320331-2.5L
Zirkonyum oksitGlen Mills Inc.7200
Phantom V12 ve V7 Hızlı KameraGörüşAraştırması N/A
105 mm Micro-NikonN/A
12 V / 200 W ışık kaynağıDedolightN/A
Şırınga PompasıRazelMODEL R9-9E

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chiechi, R. C., Weiss, E. A., Dickey, M. D., Whitsides, G. M. Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers. Angew. Chem. Int. Ed. 47, 142 (2008).
  2. Fukumoto, M., Huang, Y. Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface. J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).
  3. Seerden, K. A., Reis, N., Evans, J. R., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B. Ink-Jet Printing of Wax-Based Alumina Suspensions. J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514 (2004).
  4. Derby, B. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).
  5. Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop Splashing on a Dry Smooth Surface. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
  6. Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).
  7. Yarin, A. L. Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).
  8. Chandra, S., Avedisian, C. T. On the collision of a droplet with a solid surface. Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).
  9. Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).
  10. Thoraval, M. -J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. Drop impact entrapment of bubble rings. J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).
  11. Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. Micro-splashing by drop impacts. J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).
  12. Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubble. Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).
  13. Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. Thin film formation during splashing of viscous liquids. Phys. Rev. E. 82, (2010).
  14. Pregent, S., Adams, S., Butler, M. F., Waigh, T. A. The impact and deformation of a viscoelastic drop at the air-liquid interface. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166, 831 (2011).
  15. Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. Impact dynamics of oxidized liquid metal drops. Phys. Rev. E. 87, (2013).
  16. Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. Splashing onset in dense suspension droplets. Phys. Rev. Lett. 111, (2013).
  17. Luu, L., Forterre, Y. Drop impact of yield-stress fluids. J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).
  18. Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H., Brown, E. Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium. Phys. Fluids. 24, (2012).
  19. Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact. Phys. Rev. Lett. 103, (2009).
  20. Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).
  21. Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Phys. Rev. E. 78, (2008).
  22. Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Phys. Rev. Lett. 106, (2011).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Y ksek H zl KameraUzaysal z n rl kAk kanlar Mekani iDarbe DeneyleriS rama Ba lang cYay lma DavranYo un S spansiyonlar

İlgili makaleler