טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית
Summary
השפעת הירידה של נוזלים שאינם הניוטונית היא תהליך מורכב שכן פרמטרים פיזיים שונים להשפיע על הדינמיקה לאורך זמן קצר מאוד (פחות מעשירית מאלפית שני). טכניקת הדמיה מהר הוא הציג במטרה לאפיין את התנהגויות ההשפעה של נוזלים שאינם הניוטונית שונים.
Abstract
בתחום של מכניקת זורמים, תהליכים רבים דינמיים להתרחש לא רק על מרווח זמן קצר מאוד, אבל גם דורשים ברזולוציה מרחבית גבוהה להסתכלות מפורטת, תרחישים שהופכים אותו המאתגר להתבונן במערכות הדמיה קונבנציונליות. אחד מהם הוא השפעת הירידה של נוזלים, מה שקורה בדרך כלל בתוך עשירית מהאלפית שני. כדי להתמודד עם אתגר זה, טכניקת הדמיה מהר הוא הציג שמשלבת מצלמה במהירות גבוהה (מסוגל עד מיליון פריימים לשניה) עם עדשת מאקרו עם מרחק עבודה ארוך כדי להביא את ברזולוציה מרחבית של התמונה עד 10 מיקרומטר / פיקסל. טכניקת ההדמיה מאפשרת מדידה מדויקת של כמויות רלוונטיות נוזל דינמיים, כגון שדה הזרימה, המרחק מתפשט ומהירות המתיז, מניתוח של הווידאו שהוקלט. כדי להדגים את היכולות של מערכת להדמיה זו, דינמיקת ההשפעה כאשר טיפות של נוזלים שאינם הניוטונית פוגעות במשטח קשה שטוח characterized. שני מצבים נחשבים: לטיפי מתכת נוזלי חמצון אנו מתמקדים בהתנהגות מתפשטת, ולהשעיות צפופות אנו קובעים את תחילתה של התזה. באופן כללי יותר, השילוב של הדמיה ברזולוציה הגבוהה של זמן ומרחב הציגה כאן מציע יתרונות ללימוד דינמיקה מהירה על פני מגוון רחב של תופעות microscale.
Introduction
זרוק את ההשפעה על גבי משטח מוצק הוא תהליך מפתח ביישומים רבים מעורבים בייצור אלקטרוני 1, תרסיס ציפוי 2, ותוסף ייצור באמצעות הזרקת דיו מדפיס 3,4, שבו שליטה מדויקת של ירידה מתפשטת והתזות היא רצויה. עם זאת, התבוננות ישירה של השפעת הירידה היא מאתגרת מבחינה טכנית משתי סיבות. ראשית, הוא תהליך דינמי מורכב המתרחש בתוך לוח זמנים קצר מדי (~ 100 μsec) להיות צילם בקלות על ידי מערכות הדמיה קונבנציונליות, כמו מיקרוסקופים אופטיים ומצלמות DSLR. פחית פלאש צילום של תמונה כמובן הרבה יותר מהר, אבל אינו מאפשר הקלטה רציפה, כפי שנדרש לניתוח מפורט של ההתפתחות עם זמן. שנית, בקנה מידת האורך הנגרם על ידי אי יציבות השפעה יכולה להיות קטנה כמו 10 מיקרומטר 5. לכן, כדי ללמוד כמותית תהליך השפעת מערכת שמשלבת הדמיה מהירה יחד עם רזולוציה מרחבית גבוהה סביר הוא לעתים קרובותרצוי. בהעדר מערכת כזו, עבודה מוקדמת על השפעת הטיפה התמקדה בעיקר בעיוות הגיאומטרית העולמית לאחר ההשפעה 6-8, אך לא הצליח לאסוף מידע על הזמן מוקדם, תהליכי nonequilibrium קשורים להשפעה, כגון תחילתה של התזה. ההתקדמות שחלה באחרונה בצילום וידאו במהירות גבוהה CMOS של נוזלים 9,12 דחפה את מסגרת הדולר עד מיליון תמונות בשניה וזמני חשיפה למטה 1 μsec. יתר על כן, שיטות ההדמיה CCD חדש שפותח יכולות לדחוף את מסגרת הדולר הרבה מעל fps מיליון 9-12. רזולוציה מרחבית ומצד שני, ניתן להגדיל את הסדר של 1 מיקרומטר / פיקסל שימוש בעדשות מגדלת 12. כתוצאה מכך, זה הפך להיות אפשרי לחקור בפירוט חסר תקדים את ההשפעה של מגוון רחב של פרמטרים פיזיים בשלבים שונים של השפעת הירידה ולהשוות ניסוי לבין תאורית 5,13-16 באופן שיטתי. לדוגמא, מעבר התזות נוזלים הניוטונית היה found כדי להיות מוגדר על ידי לחץ אווירה 5, בעוד rheology הפנימי מחליט דינמיקת ההתפשטות של נוזלי תשואה לחץ 17.
הנה טכניקת הדמיה מהירה פשוט אך רבת עוצמה הוא הציג וליישם כדי ללמוד את דינמיקת ההשפעה של שני סוגים של נוזלים שאינם הניוטונית: מתכות נוזלי והשעיות צפופות. עם חשיפה לאוויר, למעשה את כל המתכות נוזלי (מלבד כספית) באופן ספונטני לפתח עור תחמוצת על פני השטח שלהם. מבחינה מכאנית, העור נמצא לשנות מתח פנים יעיל ויכולת הרטבה של המתכות 18. במאמר קודם 15, כמה מהמחברים חקרו את תהליך הפצת כמותית והיו מסוגל להסביר כיצד השפעת העור משפיעה על דינמיקת ההשפעה, במיוחד את קנה המידה של רדיוס הפצה המרבי עם פרמטרים השפעה. מאז מתכת נוזלית יש החזר של פני השטח גבוה, התאמה מדוקדקת של התאורה נדרשת בהדמיה. השעיותמחדש מורכב מחלקיקים קטנים בנוזל. גם לנוזלים ניוטונית פשוטים, התוספת של תוצאות חלקיקים בהתנהגות שאינה הניוטונית, אשר הופכת בולט במיוחד במתלים צפופים, כלומר בכל חלק בנפח גבוה של חלקיקים מרחפים. במיוחד, את התחלתה של התזה, כאשר טיפת השעיה פוגעת משטח חלק, קשה נחקרה בעבודה הקודמת 16. שני נוזלי חלקיקים ואינטראקציות בין חלקיקים יכולים לשנות את מתיז ההתנהגות באופן משמעותי ממה שניתן היה לצפות מנוזלים פשוטים. כדי לעקוב אחר חלקיקים קטנים כמו 80 מיקרומטר בניסויים אלה יש צורך ברזולוציה מרחבית גבוהה.
שילוב של דרישות טכניות שונות, כגון רזולוציה גבוהה של זמן ומרחב, בתוספת היכולת להתבוננות משפיעה על שניהם מהצד ומלמטה, כולם יכול להיות מרוצה מהתקנת ההדמיה שתוארה כאן. על ידי ביצוע פרוטוקול סטנדרטי, שיתואר להלן, דינמיקת ההשפעה יכולה להיות investigated בצורה מבוקרת, כפי שמוצג באופן מפורש להפצת ומתיז התנהגות.
Protocol
Representative Results
Discussion
כמה צעדים הם קריטיים לביצוע נכון של ההדמיה מהר. ראשית, מצלמה ועדשה צריכה להיות מוגדרות כראוי ומכוילות. בפרט, על מנת לקבל רזולוציה מרחבית גבוהה, יחס הגדלה של העדשה חייבת להיות כל הזמן קרוב ל1:1. זה חשוב במיוחד להדמיה של השעיות צפופות. כמו כן, גודל הצמצם צריכה להיות שנבחר ב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
הודות לוונדי 'אנג, Luuk Lubbers, מארק מיסקין ומישל דריסקול עבור רבים דיונים מועילים וQiti גואו לעזרה בהכנת דגימות ניסיוניות. עבודה זו נתמכה על ידי תכנית MRSEC של הקרן הלאומית למדע תחת גרנט לא 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).
