Snabb bildteknik för att studera Drop Impact Dynamics av icke-newtonska vätskor
Summary
Drop inverkan av icke-newtonska vätskor är en komplicerad process, eftersom olika fysikaliska parametrar påverkar dynamiken under en mycket kort tid (mindre än en tiondel av en millisekund). En snabb avbildningsteknik införs för att karakterisera de slag beteenden av olika icke-Newtonska vätskor.
Abstract
Inom området för fluidmekanik, många dynamiska processer förekommer inte bara under en mycket kort tidsintervall, utan också kräver hög rumslig upplösning för detaljerad observation, scenarier som gör det svårt att observera med konventionella avbildningssystem. En av dessa är den minskade inverkan av vätskor, som vanligen sker inom en tiondels millisekund. För att ta itu med denna utmaning, är en snabb bildteknik introducerades som kombinerar en höghastighetskamera (kan upp till en miljon bilder per sekund) med ett makroobjektiv med långa arbetsavstånd för att få den rumsliga upplösningen på bilden ner till 10 um / pixel. Den bildteknik möjliggör exakt mätning av relevanta fluiddynamiska kvantiteter såsom flödesfältet, spridningsavstånd och stänk hastighet, från analys av den inspelade videon. För att visa möjligheterna med denna visualiseringssystem, slagdynamik när droppar av icke-newtonska vätskor inkräktar på ett plant och hårt underlag är characteserad. Två situationer beaktas: för oxiderade vätskedroppar metall vi fokuserar på att sprida beteende och för tätt packade suspensioner vi bestämmer uppkomsten av stänk. Mer allmänt, kombinationen av hög tids-och rums avbildning upplösning introduceras här ger fördelar för att studera snabba dynamiken inom ett brett spektrum av mikroskala fenomen.
Introduction
Drop påverkan på en fast yta är en viktig process i många tillämpningar där elektronisk tillverkning 1, sprutbeläggning 2, och additiv tillverkning med hjälp av bläckstråleutskrifter 3,4, där en exakt kontroll av droppspridning och stänk önskas. Emellertid är direkt observation av fallstöt tekniskt utmanande för två skäl. För det första är det en invecklad dynamisk process som sker inom en tidsskala för kort (~ 100 ^ sek) som ska avbildas lätt med konventionella bildsystem, som optiska mikroskop och DSLR kameror. Fotografering med blixt kan naturligtvis bild mycket snabbare, men inte tillåter kontinuerlig inspelning, vilket krävs för detaljerad analys av utvecklingen med tiden. För det andra kan den längdskala inducerad av konsekvens instabiliteter vara så liten som 10 | im 5. Därför, för att kvantitativt studera effekten processen ett system som kombinerar ultra avbildning tillsammans med någorlunda hög rumslig upplösning är oftaönskas. I avsaknad av ett sådant system, tidiga arbete med dropp inverkan fokuserade främst på den globala geometrisk deformation efter träff 6-8, men var oförmögen att samla information om den tidiga tiden, nonequilibrium processer i samband med påverkan, till exempel uppkomsten av stänk. Senaste framstegen inom CMOS höghastighets videography av vätskor 9,12 har drivit bildhastighet på upp till en miljon bilder per sekund och exponeringstider ned under 1 ps. Dessutom kan nyutvecklade CCD-avbildningstekniker driva bildhastighet långt över en miljon fps 9-12. Rumslig upplösning på andra sidan, kan ökas till storleksordningen 1 mikrometer / pixel med hjälp av förstoringsglas 12. Som en följd av detta har det blivit möjligt att undersöka i oöverträffad detaljrikedom påverkan av en lång rad fysiska parametrar på olika stadier av drop effekter och att systematiskt jämföra experiment och teori 5,13-16. Till exempel stänk övergången i newtonska vätskor var found som ska fastställas av atmosfärstryck 5, medan den inneboende reologi bestämmer spridnings dynamiken i avkastnings-stress vätskor 17.
Här en enkel men ändå kraftfull snabb avbildningsteknik introduceras och tillämpas för att undersöka effekterna dynamiken i två typer av icke-newtonska vätskor: flytande metaller och tätt packade suspensioner. Med exponering för luft, i princip alla flytande metaller (utom kvicksilver) kommer spontant utvecklar ett oxid huden på deras yta. Mekaniskt är huden befunnits ändra effektiv ytspänning och vätningsförmåga av metallerna 18. I en tidigare uppsats 15, flera av författarna studerade spridningsprocessen kvantitativt och kunde förklara hur skineffekten påverkar slag dynamik, särskilt skalningen av den maximala spridningsradien med konsekvensparametrar. Eftersom flytande metall har hög yta reflektivitet noggrann justering av belysningen som krävs i den avbildning. Suspensioner enre består av små partiklar i en vätska. Även för enkla newtonska vätskor, tillägg av partiklar resulterar i icke-newtonskt beteende, vilket blir särskilt uttalad i täta suspensioner, dvs vid hög volymfraktion av suspenderade partiklar. Särskilt, var uppkomsten av stänk när en suspension droppe träffar en slät, hård yta studeras i tidigare arbete 16. Både vätske-partikel och inter-partikel interaktioner kan ändra stänk beteende avsevärt från vad som kan förväntas från enkla vätskor. För att spåra partiklar så små som 80 | im i dessa experiment en hög rumslig upplösning behövs.
En kombination av olika tekniska krav såsom hög tids-och rumsupplösning, plus förmågan att observera effekter både från sidan och underifrån, kan alla vara nöjda med bildinställningar som beskrivs här. Genom att följa ett standardprotokoll, som beskrivs nedan, kan de slagdynamiken vara untigated på ett kontrollerat sätt, såsom visas explicit för spridning och stänk beteende.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flera steg är avgörande för korrekt genomförande av den snabba avbildning. Först, kamera och objektiv måste vara korrekt inställd och kalibrerad. I synnerhet, i syfte att få hög rumslig upplösning, reproduktionsförhållandet av linsen måste hållas nära 1:01. Detta är särskilt viktigt för visualisering av täta suspensioner. Dessutom måste öppningsstorlek för att väljas med omsorg för avbildning. Exempelvis observation från sidan i allmänhet kräver en längre skärpedjup, därför mindre öppning…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Tack till Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin och Michelle Driscoll för många nyttiga diskussioner och Qiti Guo för hjälp med att förbereda experimentella prover. Detta arbete stöddes av National Science Foundations MRSEC program under Grant No DMR-0.820.054.
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).
