سريع التصوير وتقنيات لدراسة تأثير انخفاض ديناميات السوائل غير النيوتونية
Summary
تأثير انخفاض السوائل غير النيوتونية هي عملية معقدة منذ المعلمات المادية المختلفة تؤثر على ديناميات على مدى فترة زمنية قصيرة جدا (أقل من عشر من ميلي ثانية واحدة). يتم إدخال تقنية التصوير السريع من أجل توصيف سلوكيات تأثير مختلف السوائل غير النيوتونية.
Abstract
في مجال ميكانيكا السوائل، والعديد من العمليات الديناميكية تحدث ليس فقط على مدى فترة زمنية قصيرة جدا ولكن أيضا تتطلب قرار مكانية عالية للمراقبة مفصلة، والسيناريوهات التي تجعل من التحدي لمراقبة مع أنظمة التصوير التقليدية. واحد من هذه هو تأثير انخفاض السوائل، والذي يحدث عادة في غضون عشر من ميلي ثانية واحدة. لمعالجة هذا التحدي، هو عرض تقنية التصوير السريع الذي يجمع بين كاميرا عالية السرعة (قادرة على ما يصل إلى مليون لقطة في الثانية) مع عدسة الماكرو مع مسافة عمل طويلة لجلب القرار المكانية من الصورة وصولا الى 10 ميكرون / بكسل. تقنية التصوير تمكن قياس دقيق لكميات السوائل الحيوية ذات الصلة، مثل مجال تدفق، والمسافة وسرعة انتشار الرش، من تحليل الفيديو المسجل. للتدليل على قدرات هذا النظام التصور، وديناميات التأثير عندما قطرات من السوائل غير النيوتونية تؤثر على سطح صلب مسطح هي شخصيتrized بين. تعتبر حالتين: للأكسدة قطرات المعدن السائل ونحن نركز على سلوك الانتشار، وللتعليق المكتظ نحدد بداية الرش. أكثر عموما، فإن الجمع بين التصوير القرار الزمانية والمكانية عالية أدخلت هنا يوفر مزايا لدراسة ديناميكية سريعة عبر مجموعة واسعة من الظواهر الميكروسكيل.
Introduction
إسقاط أثر على سطح صلب هو عملية أساسية في العديد من التطبيقات التي تنطوي على افتراء الالكترونية 1، 2 رذاذ الطلاء، والمضافات التصنيع باستخدام الطباعة النافثة للحبر 3،4، حيث مراقبة دقيقة من هبوط نشر والرش هو المطلوب. ومع ذلك، الملاحظة المباشرة للتأثير انخفاض يمثل تحديا تقنيا لسببين. الأول، هو عملية ديناميكية معقدة الذي يحدث داخل فترة زمنية قصيرة جدا (~ 100 μsec) ليتم تصويرها بسهولة عن طريق نظم التصوير التقليدية، مثل المجاهر البصرية وكاميرات DSLR. فلاش التصوير يمكن من الصورة بالطبع أسرع بكثير، ولكن لا تسمح لتسجيل مستمر، كما هو مطلوب لتحليل مفصل للتطور مع مرور الوقت. الثانية، ومقياس طول الناجمة عن عدم الاستقرار أثر يمكن أن تكون صغيرة مثل 10 ميكرون 5. وبالتالي، لدراسة كميا عملية تأثير النظام الذي يجمع بين التصوير فائق السرعة جنبا إلى جنب مع قرار مكانية عالية معقول في كثير من الأحيانالمطلوب. في غياب مثل هذا النظام، والعمل في وقت مبكر تأثير قطرات تركز معظمها على تشويه هندسية العالمية بعد التأثير 6-8، ولكن لم يتمكن من جمع معلومات حول وقت مبكر، والعمليات المرتبطة nonequilibrium الأثر، مثل بداية الرش. دفعت التطورات الحديثة في CMOS عالي السرعة بالفيديو من السوائل 9،12 معدل الإطار ما يصل إلى مليون إطار في الثانية ومرات التعرض الأسفل μsec 1. وعلاوة على ذلك، يمكن للتقنيات التصوير CCD وضعت حديثا دفع معدل الإطار أعلاه من مليون في الثانية 9-12. ، ويمكن زيادة القرار المكانية من ناحية أخرى لأمر 1 ميكرون / بكسل باستخدام العدسات المكبرة 12. نتيجة لذلك، فقد أصبح من الممكن لاستكشاف بتفصيل لم يسبق له مثيل تأثير مجموعة واسعة من المعلمات المادية على مراحل مختلفة من تأثير انخفاض ومقارنة منهجية التجربة والنظرية 5،13-16. على سبيل المثال، كان الانتقال تناثر السوائل النيوتونية في فوالثانية تحددها ضغط الغلاف الجوي 5، في حين تقرر الريولوجيا الجوهرية ديناميات انتشار السوائل الغلة الإجهاد 17.
هنا يتم إدخال تقنية التصوير السريع بسيطة لكنها قوية والتطبيقية لدراسة ديناميات تأثير نوعين من السوائل غير النيوتونية: المعادن السائلة والمعلقات المزدحمة بالسكان. مع التعرض للهواء، وذلك أساسا عن المعادن السائلة (باستثناء الزئبق) سوف تتطور بشكل عفوي على الجلد أكسيد على سطحها. ميكانيكيا، تم العثور على الجلد لتغيير التوتر السطحي فعالية وقدرة ترطيب المعادن 18. في ورقة سابقة 15، ودرس العديد من المؤلفين عملية نشر كميا وكانت قادرة على شرح كيفية تأثير الجلد يؤثر على ديناميكية التأثير، خصوصا التحجيم من أقصى نصف قطر الانتشار مع معلمات التأثير. منذ المعدن السائل يحتوي على نسبة عالية انعكاسية السطح، مطلوب التعديل حذرا من الإضاءة في التصوير. تعليق علىإعادة تتألف من جزيئات صغيرة في السائل. حتى بالنسبة للسوائل نيوتن بسيطة، إضافة نتائج الجزيئات في السلوك غير النيوتونية، الذي يصبح وضوحا خاصة في تعليق كثيفة، أي في جزء ارتفاع حجم الجسيمات العالقة. بشكل خاص، وقد درس بداية تناثر قطرات التعليق عندما يضرب على نحو سلس، سطح صلب في الأعمال السابقة 16. كل من الجسيمات السائل والتفاعلات بين الجسيمات يمكن تغيير سلوك الرش كثيرا عن ما يمكن توقعه من السوائل بسيطة. لتعقب جزيئات صغيرة مثل 80 ميكرون في هذه التجارب هناك حاجة لقرار مكانية عالية.
مزيج من مختلف المتطلبات التقنية مثل القرار الزماني والمكاني عالية، بالإضافة إلى القدرة على رصد الآثار سواء من الجانب ومن أدناه، يمكن أن يكون راضيا كل ذلك مع الإعداد التصوير الموصوفة هنا. باتباع بروتوكول قياسي، هو موضح أدناه، ويمكن أن يكون تأثير ديناميات التحرياتtigated بطريقة تخضع للمراقبة، كما هو موضح صراحة لنشر والرش السلوك.
Protocol
Representative Results
Discussion
عدة خطوات حاسمة لتنفيذ السليم للتصوير بسرعة. الأولى، وكاميرا وعدسة يجب أن يتم تعيين بشكل مناسب حتى ومعايرة. على وجه الخصوص، من أجل الحصول على قرار مكانية عالية، يجب أن تبقى نسبة التكاثر للعدسة مقربة من 1:1. هذا هو المهم وخاصة بالنسبة للتصور تعليق الكثيفة. أيضا، يحتاج ح?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
بفضل يندي تشانغ، اللاعب Luuk لوبرز، مارك دريسكول مسكين وميشيل لكثير من المناقشات المفيدة وQiti قوه للمساعدة في إعداد العينات التجريبية. وأيد هذا العمل من قبل برنامج المؤسسة الوطنية للعلوم في MRSEC تحت المنحة رقم DMR-0820054.
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).
