Быстрый метод визуализации по изучению падения Impact Динамика неньютоновских жидкостей
Summary
Влияние Капля неньютоновских жидкостей является сложным процессом, так как различные физические параметры влияют на динамику в течение очень короткого времени (менее одной десятой миллисекунды). Быстрый метод визуализации вводится для того, чтобы охарактеризовать воздействия поведения различных неньютоновских жидкостей.
Abstract
В области механики жидкости, многие динамические процессы не только происходить в течение интервала очень короткое время, но и требуют высокого пространственного разрешения для детального наблюдения, сценарии, которые делают его сложным для наблюдения с обычными системами визуализации. Одним из них является влияние капля жидкости, которая обычно происходит в течение одной десятой миллисекунды. Чтобы справиться с этой задачей, техника быстро томография вводится который сочетает в себе высокую скорость камеры (способный до одного миллиона кадров в секунду) с макро-объектив с большим рабочим расстоянием довести пространственное разрешение изображения до 10 мкм / пиксель. Метод визуализации обеспечивает точное измерение соответствующих жидких динамических величин, таких как поле потока, распространяющегося расстояния и скорости брызг, из анализа записанного видео. Для демонстрации возможностей этой системы визуализации, динамика воздействия, когда капельки неньютоновских жидкостей посягают на плоской твердой поверхности являются characteавторизованный. Две ситуации считаются: для окисленных капель жидкого металла мы ориентируемся на расширяющей поведения, а для плотно упакованных суспензий мы определить начало брызг. В целом, сочетание высоким временным и пространственным разрешением изображения, введенного здесь дает преимущества для изучения быструю динамику в широком диапазоне микромасштабных явлений.
Introduction
Оставьте влияние на твердую поверхность является ключевым процессом во многих приложениях, связанных с электронной изготовление 1, напылением 2 и присадок производства с использованием струйной печати 3,4, где точный контроль падения распространения и брызг желательна. Тем не менее, прямое наблюдение удара в результате падения технически сложной по двум причинам. Во-первых, это сложный динамический процесс, который происходит в пределах шкалы времени слишком короткие (~ 100 мкс) для включения в образ легко с помощью обычных систем визуализации, таких как оптические микроскопы и зеркальных камер. Съемка со вспышкой, конечно, могут образа намного быстрее, но не позволяет для непрерывной записи, как это требуется для детального анализа эволюции с течением времени. Во-вторых, масштаб длины, индуцированный неустойчивости ударных может быть как 10 мкм 5. Поэтому, чтобы количественно изучить процесс ударную систему, которая сочетает в себе сверхбыстрого изображений наряду с достаточно высоким пространственным разрешением частолучшего. При отсутствии такой системы, ранних работ по воздействию капель сосредоточены в основном на мировом геометрической деформации после удара 6-8, но не смог собрать информацию о начале времени, неравновесных процессов, связанных с воздействием, например, начала брызг. Последние достижения в области CMOS высокой скорости видеосъемка жидкостей 9,12 подтолкнули частоту кадров до одного миллиона кадров в секунду и времени экспозиции вниз ниже 1 мкс. Кроме того, недавно разработанные методы визуализации ПЗС может подтолкнуть частоту кадров значительно выше одного миллиона кадров в секунду 9-12. Пространственное разрешение, с другой стороны, может быть увеличена до порядка 1 мкм / пиксель, используя увеличительные линзы 12. Как следствие, это стало возможным исследовать в беспрецедентных деталях влияние широкого круга физических параметров на различных этапах удара в результате падения и систематически сравнивать эксперимент и теорию 5,13-16. Например, брызг переход в ньютоновских жидкостей был фуй, который будет установлен атмосферного давления 5, в то время как внутренняя реологические решает для расширения спектра динамику доходности стресс жидкостей 17.
Вот простой, но мощный метод быстро томография внедрена и применяется для изучения динамики воздействия двух типов неньютоновских жидкостей: жидких металлов и плотно упакованные суспензий. С воздействием воздуха, практически все жидкие металлы (кроме ртути) спонтанно разработать оксидные пленки на их поверхности. Механически, кожа найдено изменять эффективное поверхностное натяжение и смачивающий способность металлов 18. В предыдущей статье 15, некоторые из авторов изучил процесс распространения количественно и смогли объяснить, как скин-эффект влияет на динамику воздействие, особенно масштабирование максимального распространения радиуса с прицельными параметрами. Поскольку жидкий металл обладает высокой отражательной способности поверхности, осторожны регулировка освещения требуется в визуализации. Подвескиповторно состоит из мелких частиц в жидкости. Даже для простых ньютоновских жидкостей, добавление частиц приводит к неньютоновской поведения, которая становится особенно заметно в плотных суспензий, т.е. при высокой объемной доли взвешенных частиц. В частности, начало брызг, когда капля суспензии парад гладкую, твердую поверхность изучали в предыдущей работе 16. Оба жидкость-частиц и взаимодействий между частицами может изменить поведение брызг значительно от того, что можно было бы ожидать от простых жидкостей. Чтобы отслеживать частицы размером 80 мкм в этих экспериментах необходима высокое пространственное разрешение.
Сочетание различных технических требований, таких как высоким временным и пространственным разрешением, а также возможностью для наблюдения воздействия как со стороны и снизу, все это может быть выполнено с установкой изображений описанной здесь. Следуя стандартный протокол, описанный ниже, динамика воздействия может быть исследовабелл в управляемом режиме, как показано явно для распространения и брызг поведение.
Protocol
Representative Results
Discussion
Несколько шагов имеют решающее значение для надлежащего исполнения быстрой визуализации. Во-первых, камеры и объектива должны быть правильно настроен, и откалиброваны. В частности, для того чтобы получить высокое пространственное разрешение, коэффициент масштабирования объектива до…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Благодаря Венди Чжан, Luuk Любберсом, Марк Мискин и Мишель Дрисколл за многочисленные полезные обсуждения и Qiti Го о помощи с подготовкой экспериментальных образцов. Эта работа была поддержана программой MRSEC Национального научного фонда по гранту № 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).
