Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos
Summary
Impacto da gota de fluidos não newtonianos, é um processo complexo uma vez que diferentes parâmetros físicos influenciar a dinâmica ao longo de um tempo muito curto (menos de um décimo de milésimo de segundo). A técnica de imagem rápido é introduzida a fim de caracterizar os comportamentos de impacto de diferentes fluidos não-newtonianos.
Abstract
No campo da mecânica dos fluidos, muitos processos dinâmicos ocorrem não só em um intervalo de tempo muito curto, mas também requer alta resolução espacial para observação detalhada, os cenários que tornam mais difícil de observar, com sistemas de imagem convencionais. Um destes é o impacto de queda de líquidos, o que geralmente ocorre dentro de um décimo de milésimo de segundo. Para enfrentar esse desafio, uma técnica de imagem rápido é introduzido, que combina uma câmera de alta velocidade (capaz de até um milhão de quadros por segundo) com uma lente macro com distância de trabalho longa para trazer a resolução espacial da imagem até 10 m / pixel. A técnica de imagem permite a medição precisa da quantidade de fluido dinâmico relevantes, tais como o fluxo de campo, a distância de difusão e a velocidade de salpicos, a partir da análise do vídeo gravado. Para demonstrar as capacidades deste sistema de visualização, a dinâmica de impacto quando gotículas de fluidos não-newtonianos incidem sobre uma superfície plana e dura são caracAUTORIZADO. Duas situações são consideradas: para as gotas de metal líquido oxidados vamos nos concentrar no comportamento espalhando, e para suspensões densamente vamos determinar o aparecimento de salpicos. De modo mais geral, a combinação de resolução de imagem temporal e espacial de alta introduzida aqui oferece vantagens para o estudo de dinâmica rápida através de uma ampla gama de fenômenos em microescala.
Introduction
Impacto da queda sobre uma superfície sólida é um processo fundamental em muitas aplicações que envolvem a fabricação eletrônica 1, revestimento de pulverizador 2 e fabricação aditiva usando jato de tinta de impressão de 3,4, onde um controle preciso da queda de divulgação e salpicos é desejada. No entanto, a observação direta do impacto da queda é um desafio técnico por duas razões. Primeiro, é um processo dinâmico, complexo que ocorre dentro de uma escala de tempo muito curto (~ 100 ms) a ser trabalhada facilmente por sistemas de imagem convencionais, como microscópios ópticos e câmeras DSLR. Flash fotografia pode imagem Campo de muito mais rápido, mas não permite a gravação contínua, conforme necessário para uma análise detalhada da evolução com o tempo. Em segundo lugar, a escala de comprimento induzida por instabilidades de impacto pode ser tão pequena como 10 mM 5. Assim, para estudar o processo de impacto quantitativamente um sistema que combina a imagiologia ultra-rápida, juntamente com razoavelmente elevada resolução espacial, é frequentementedesejado. Na ausência de tal sistema, os primeiros trabalhos sobre o impacto das gotas focado principalmente na deformação geométrica global após impacto 6-8, mas foi incapaz de reunir informações sobre o tempo no início, os processos de não equilíbrio associados ao impacto, como o aparecimento de salpicos. Recentes avanços em CMOS de alta velocidade videografia de fluidos 9,12 empurraram a taxa de quadros até um milhão de fps e tempos de exposição para baixo abaixo de 1 ms. Além disso, as técnicas de imagem CCD recentemente desenvolvidos pode empurrar o frame rate bem acima de um milhão de fps 9-12. A resolução espacial, por outro lado, pode ser aumentada a fim de 1 mM / pixel usando lentes de aumento 12. Em consequência, tornou-se possível explorar em detalhe sem precedentes a influência de uma vasta gama de parâmetros físicos em vários estágios de impacto de queda e para comparar sistematicamente experiência e teoria 5,13-16. Por exemplo, a transição de salpicos em fluidos newtonianos foi fouª a ser definido pela pressão atmosfera 5, enquanto a reologia intrínseca decide a dinâmica de espalhamento de líquidos rendimento de estresse 17.
Aqui, um e poderosa técnica de imagem rápido simples é introduzido e aplicado para estudar a dinâmica de impacto de dois tipos de fluidos não-newtonianos: metais líquidos e suspensões densamente. Com a exposição ao ar, essencialmente todos os metais líquidos (com excepção de mercúrio) irá desenvolver espontaneamente uma película de óxido sobre a sua superfície. Mecanicamente, a pele é encontrado para alterar a tensão superficial efectiva e capacidade de molhagem dos metais 18. Em um trabalho anterior 15, vários dos autores estudaram o processo de difusão quantitativa e foram capazes de explicar como o efeito de pele influencia a dinâmica impacto, especialmente a ampliação do raio máximo espalhando com os parâmetros de impacto. Desde metal líquido tem alta refletividade da superfície, é necessário um ajuste cuidadoso da iluminação na imagem. Suspensões umre composto por pequenas partículas em um líquido. Mesmo para líquidos newtonianos simples, a adição de partículas resulta em comportamento não-newtoniano, que se torna especialmente pronunciada em suspensões densos, isto é, a fracção de elevado volume de partículas em suspensão. Particularmente, o aparecimento de salpicos quando uma gota de suspensão atinge uma superfície lisa, dura, foi estudada no trabalho anterior 16. Ambos líquida de partículas e interações entre partículas pode alterar o comportamento salpicos significativamente do que se poderia esperar de líquidos simples. Para controlar as partículas tão pequenas quanto 80 um nestas experiências uma alta resolução espacial é necessária.
Uma combinação de vários requisitos técnicos, como a resolução temporal e espacial de alta, além da capacidade de observar os impactos tanto do lado e por baixo, tudo pode ser satisfeita com a configuração de imagem descrito aqui. Ao seguir um protocolo padrão, descrito abaixo, a dinâmica de impacto pode ser investigated de uma forma controlada, como mostra explicitamente para espalhar e espirrando comportamento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vários passos são fundamentais para a boa realização do imaging rápido. Primeiro, câmera e lente tem que ser adequadamente configurado e calibrado. Em particular, a fim de obter alta resolução espacial, a escala de reprodução da lente deve ser mantida próxima de 1:1. Isto é especialmente importante para a visualização de suspensões densas. Além disso, o tamanho da abertura tem de ser cuidadosamente escolhida para imagiologia. Por exemplo, a observação do lado, em geral, requer uma maior profundidade de…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Graças a Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin e Michelle Driscoll para muitas discussões úteis e Qiti Guo para ajuda com preparação de amostras experimentais. Este trabalho foi apoiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation, Grant No. 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
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