Schnelle Bildtechnik Tropfen Schlag Dynamik der Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten Studieren
Summary
Tropfenaufprall der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist ein komplexer Prozess, da verschiedene physikalische Parameter beeinflussen die Dynamik in sehr kurzer Zeit (weniger als ein Zehntel einer Millisekunde). Eine schnelle Bildgebungsverfahren wird, um die Auswirkungen von verschiedenen Verhaltensweisen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu charakterisieren eingeführt.
Abstract
Auf dem Gebiet der Strömungsmechanik, viele dynamische Prozesse nicht nur über einen sehr kurzen Zeitraum auftreten, sondern erfordern auch eine hohe räumliche Auflösung für detaillierte Beobachtung, Szenarien, die es schwierig, mit konventionellen bildgebenden Systemen beobachten zu machen. Eines davon ist die Tropfenaufprall von Flüssigkeiten, die in der Regel innerhalb von einem Zehntel Millisekunde. Um dieser Herausforderung zu begegnen, ist eine schnelle Bildgebungstechnik eingeführt, die eine High-Speed-Kamera (in der Lage, bis zu einer Million Bilder pro Sekunde) kombiniert mit einem Makro-Objektiv mit großem Arbeitsabstand, die räumliche Auflösung des Bildes auf 10 um bringen / Pixel. Das bildgebende Verfahren ermöglicht eine genaue Messung der relevanten Fluiddynamikgrößen, wie dem Strömungsfeld, die Wurfweite und Spritzwasser Geschwindigkeit, aus der Analyse der aufgezeichneten Video. Um die Fähigkeiten dieses Visualisierungssystem zu demonstrieren, die Schlagdynamik, wenn Tröpfchen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten treffen auf einen ebenen, festen Oberfläche zeichRized. Zwei Situationen sind zu berücksichtigen: für oxidierte Flüssigmetalltropfen konzentrieren wir uns auf die Ausbreitungsverhalten und für dicht gepackte Suspensionen bestimmen wir die Entstehung von Spritzern. Generell ist bei der Kombination von hoher zeitlicher und räumlicher Bildauflösung hier vorge bietet Vorteile für die Untersuchung schnell Dynamik in einem breiten Spektrum von Mikro Phänomene.
Introduction
Lassen Auswirkungen auf einer festen Oberfläche ist ein Schlüsselprozess in vielen Anwendungen, die elektronische Fertigung 1, 2 Spritzbeschichtung und Additive Manufacturing mit Tintenstrahldruck 3,4, wo eine präzise Steuerung der Tropfenverteilung und Planschen ist erwünscht. Allerdings ist die direkte Beobachtung der Tropfenaufprall technisch anspruchs zwei Gründen. Erstens ist es ein kompliziertes dynamisches Verfahren, die innerhalb eines Zeitraums zu kurz (~ 100 &mgr; s) auf einfache Weise durch herkömmliche Abbildungssysteme, wie optische Mikroskope und Spiegelreflexkameras abzubildenden auftritt. Blitzfotografie Dose Bild natürlich viel schneller, aber nicht für die kontinuierliche Aufzeichnung zu ermöglichen, wie für eine detaillierte Analyse der Entwicklung mit der Zeit benötigt. Zweitens kann der Längenskala von Schlag Instabilitäten induziert so klein wie 10 um 5 sein. Daher ist die quantitative Untersuchung der Auswirkungen Prozess ein System, das ultraschnelle Bildgebung kombiniert mit relativ hohen räumlichen Auflösung ofterwünscht. In Abwesenheit eines solchen Systems frühen Arbeiten hauptsächlich Tröpfchen Auswirkungen sich auf die globale geometrische Verformung nach dem Aufprall 6-8, war aber nicht in der Lage, Informationen über die frühen Zeitpunkt Nichtgleichgewichtsverfahren mit Auswirkungen verbunden sind, wie dem Auftreten von Spritzwasser zu sammeln. Jüngste Fortschritte in der High-Speed-CMOS-Videografie von Flüssigkeiten 9,12 haben die Bildrate bis zu einer Million Bildern pro Sekunde und Belichtungszeiten bis unter 1 Mikrosekunden gedrückt. Darüber hinaus können neu entwickelte CCD-Imaging-Techniken die Bildrate deutlich über eine Million 9-12 fps zu drücken. Die räumliche Auflösung auf der anderen Seite, können in der Reihenfolge von 1 um / Pixel mit Vergrößerungslinsen 12 erhöht werden. In der Folge ist es möglich geworden, um in bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen den Einfluss einer Vielzahl von physikalischen Parametern auf verschiedenen Stadien der Dropdown Auswirkungen und systematisch zu vergleichen Experiment und Theorie 5,13-16. Zum Beispiel die Übergangs Spritzwasser in Newtonschen Flüssigkeiten war Found durch Atmosphärendruck 5 eingestellt werden, während die Eigen Rheologie entscheidet die Dynamik der Ausbreitung Fließspannungs Flüssigkeiten 17.
Hier eine einfache, aber leistungsfähige schnelle Bildgebungstechnik wird eingeführt und angewandt, um die Auswirkungen Dynamik von zwei Arten von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten studieren: Flüssigmetalle und dicht gepackte Suspensionen. Bei Kontakt mit Luft, im Wesentlichen alle flüssigen Metallen (außer Quecksilber) wird spontan ein Oxid Haut auf ihrer Oberfläche. Mechanisch wird die Haut als wirksam die Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit der Metalle 18 verändern. In einer früheren Arbeit 15, einige der Autoren untersuchten die Ausbreitung Verfahren quantitativ und waren in der Lage zu erklären, wie der Skin-Effekt beeinflusst die Schlagdynamik, insbesondere die Skalierung der maximalen Ausbreitung Radius mit Stoßparameter. Da flüssige Metall hat eine hohe Oberflächenreflexion ist eine sorgfältige Einstellung der Beleuchtung in der Bildgebung erforderlich. Sperren einWieder von kleinen Teilchen in einer Flüssigkeit besteht. Selbst für einfache Newtonsche Flüssigkeiten, die Zugabe von Partikeln führt zu nicht-newtonsches Verhalten, das besonders im dichten Suspensionen, also bei hohen Volumenanteil der suspendierten Teilchen ausgesprochen wird. Insbesondere wurde das Auftreten von Spritzern, wenn eine Suspension Tröpfchen trifft eine glatte, harte Oberfläche in der bisherigen Arbeit 16 untersucht. Sowohl flüssige Teilchen und Wechselwirkungen zwischen den Teilchen kann das Spritzen Verhalten deutlich von dem, was vielleicht von einfachen Flüssigkeiten erwarten ändern. So verfolgen Partikel so klein wie in 80 um diesen Experimenten eine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist.
Eine Kombination von verschiedenen technischen Anforderungen wie hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, sowie die Fähigkeit zur Beobachtung Auswirkungen sowohl von der Seite und von unten, können alle mit der hier beschriebenen Abbildungseinrichtungs erfüllt werden. Durch Anschluss an eine Standard-Protokoll, wie unten beschrieben, die Auswirkungen Dynamik Anleger seinkontrolliert suchten, wie explizit für die Verbreitung und Spritzwasser Verhalten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mehrere Schritte sind entscheidend für die korrekte Ausführung der schnellen Bildgebung. Zuerst müssen Kamera und Objektiv, angemessen eingerichtet und kalibriert werden. Insbesondere, um eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten, kann der Maßstab der Linse muss in der Nähe zum 1:1 gehalten werden. Dies ist besonders wichtig für die Visualisierung von dichten Suspensionen. Außerdem muss die Öffnungsgröße sorgfältig für die Bildgebung ausgewählt werden. Zum Beispiel, die Beobachtung von der Seite in der Re…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dank Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin und Michelle Driscoll für viele nützliche Diskussionen und Qiti Guo für die Hilfe bei der Vorbereitung experimentellen Proben. Diese Arbeit wurde von MRSEC Programm der National Science Foundation unter Grant No DMR-0820054 unterstützt.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Gallium-Indium Eutectic | Sigma Aldrich | 495425-25G | |
| Hydrochloric Acid | Sigma Aldrich | 320331-2.5L | |
| Zirconium oxide | Glen Mills Inc. | 7200 | |
| Phantom V12 & V7 Fast Ccamera | Vision Research | N/A | |
| 105mm Micro-Nikon | Nikon | N/A | |
| 12V/200W light Source | Dedolight | N/A | |
| Syringe Pump | RAZEL | MODEL R9-9E |
References
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