Non-Newtonian Akışkanlar Bırak Etkisi Dynamics Eğitim Hızlı Görüntüleme Tekniği
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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
- 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).
- Fukumoto, M., Huang, Y. Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface. J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).
- 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).
- Derby, B. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).
- Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop Splashing on a Dry Smooth Surface. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
- Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).
- Yarin, A. L. Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).
- Chandra, S., Avedisian, C. T. On the collision of a droplet with a solid surface. Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).
- Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).
- Thoraval, M. -. J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. Drop impact entrapment of bubble rings. J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).
- Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. Micro-splashing by drop impacts. J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).
- Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubble. Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).
- Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. Thin film formation during splashing of viscous liquids. Phys. Rev. E. 82, (2010).
- 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).
- Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. Impact dynamics of oxidized liquid metal drops. Phys. Rev. E. 87, (2013).
- Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. Splashing onset in dense suspension droplets. Phys. Rev. Lett. 111, (2013).
- Luu, L., Forterre, Y. Drop impact of yield-stress fluids. J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).
- 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).
- 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).
- Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).
- Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Phys. Rev. E. 78, (2008).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Phys. Rev. Lett. 106, (2011).
