Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos
Summary
Impacto de la gota de fluidos no newtonianos es un proceso complejo ya que los diferentes parámetros físicos influyen en la dinámica durante un tiempo muy corto (menos de un décimo de un milisegundo). Una técnica de imagen rápida se introdujo con el fin de caracterizar los comportamientos de impacto de los diferentes fluidos no newtonianos.
Abstract
En el campo de la mecánica de fluidos, muchos procesos dinámicos no sólo se producen en un intervalo de tiempo muy corto, pero también requieren una alta resolución espacial para la observación detallada, escenarios que hacen que sea difícil de observar con los sistemas de formación de imágenes convencionales. Uno de ellos es el impacto de la caída de líquidos, que por lo general ocurre dentro de un décimo de milisegundo. Para hacer frente a este reto, una técnica de imagen rápido, se indica que combina una cámara de alta velocidad (con capacidad de hasta un millón de cuadros por segundo) con un objetivo macro con distancia de trabajo para que la resolución espacial de la imagen a 10 micras / píxel. La técnica de formación de imágenes permite la medición precisa de las cantidades de dinámica de fluidos pertinentes, tales como el campo de flujo, la distancia y la velocidad de propagación de las salpicaduras, a partir del análisis del vídeo grabado. Para demostrar las capacidades de este sistema de visualización, la dinámica de impacto cuando las gotas de fluidos no newtonianos inciden sobre una superficie plana y dura se caracAUTORIZADO. Dos situaciones se consideran: por gotas de metal líquido oxidados nos centramos en el comportamiento de la difusión, y para las suspensiones densas se determina el inicio de salpicaduras. De manera más general, la combinación de una alta resolución temporal y espacial de imágenes introducida aquí ofrece ventajas para el estudio de dinámica rápida en una amplia gama de fenómenos microescala.
Introduction
Impacto por caída sobre una superficie sólida es un proceso clave en muchas aplicaciones que implican la fabricación electrónica 1, recubrimiento por pulverización 2, y el aditivo de fabricación de inyección de tinta utilizando la impresión de 3,4, donde un control preciso de la caída de la difusión y se desea salpicaduras. Sin embargo, la observación directa del impacto de la caída es técnicamente difícil por dos razones. En primer lugar, es un proceso dinámico complejo que se produce dentro de un plazo de tiempo demasiado cortos (~ 100 microsegundos) para obtener imágenes fácilmente por los sistemas de formación de imágenes convencionales, tales como microscopios ópticos y cámaras DSLR. La fotografía con flash puede imagen Curso de mucho más rápido, pero no permite la grabación continua, como se requiere para el análisis detallado de la evolución con el tiempo. En segundo lugar, la escala de longitud inducida por inestabilidades de impacto puede ser tan pequeño como 10 micras 5. Por lo tanto, para estudiar cuantitativamente el proceso de impacto de un sistema que combina la formación de imágenes ultrarrápida junto con razonablemente alta resolución espacial es a menudodeseada. En ausencia de tal sistema, los primeros trabajos sobre el impacto de gotas centrado sobre todo en la deformación geométrica mundial después del impacto de 6-8, pero fue incapaz de reunir información sobre los primeros momentos, los procesos de no equilibrio asociados con el impacto, tales como la aparición de salpicaduras. Los recientes avances en CMOS de alta velocidad de la videografía de fluidos 9,12 han empujado a la velocidad de cuadro de hasta un millón de fps y tiempos de exposición por debajo de 1 microsegundos. Por otra parte, las técnicas de imagen CCD de nuevo desarrollo puede empujar la velocidad de fotogramas muy por encima de un millón de 9-12 fps. La resolución espacial en el otro lado, se puede aumentar con el orden de 1 m / píxel usando lentes de aumento 12. Como consecuencia, se ha hecho posible para explorar en detalle sin precedentes la influencia de una amplia gama de parámetros físicos en varias etapas de impacto por caída y para comparar sistemáticamente experimento y teoría 5,13-16. Por ejemplo, la transición chapoteando en fluidos newtonianos fue found que será establecido por la atmósfera de presión 5, mientras que la reología intrínseca decide la dinámica de propagación de fluidos rendimiento-estrés 17.
Aquí una simple y poderosa técnica de imagen rápida se introduce y se aplicó para estudiar la dinámica de impacto de dos tipos de fluidos no newtonianos: metales líquidos y suspensiones densas. Con la exposición al aire, en esencia todos los metales líquidos (excepto el mercurio) de forma espontánea desarrollarán una capa de óxido en su superficie. Mecánicamente, la piel se encuentra para alterar la tensión superficial efectiva y la capacidad de humectación de los metales 18. En un trabajo anterior 15, varios de los autores estudiaron el proceso de difusión cuantitativa y fueron capaces de explicar cómo el efecto de la piel influye en la dinámica de impacto, en especial la ampliación del radio máximo la difusión con los parámetros de impacto. Como el metal líquido tiene una alta reflectividad de la superficie, se requiere un ajuste cuidadoso de la iluminación de la proyección de imagen. Suspensiones unre compuesta de pequeñas partículas en un líquido. Incluso para líquidos newtonianos simples, la adición de partículas resultados en el comportamiento no newtoniano, que se convierte en especialmente pronunciada en suspensiones densas, es decir, en la fracción de alto volumen de partículas en suspensión. En particular, la aparición de las salpicaduras cuando una gota de suspensión incide en una superficie lisa y dura fue estudiado en el trabajo previo 16. Tanto líquido y las partículas y las interacciones entre las partículas pueden cambiar el comportamiento de las salpicaduras significativamente de lo que podría esperarse de los líquidos simples. Para el seguimiento de partículas tan pequeñas como 80 micras en estos experimentos se necesita una alta resolución espacial.
Una combinación de varios requisitos técnicos, tales como la alta resolución temporal y espacial, además de la capacidad de observación de impactos, tanto desde un lado y desde abajo, todo puede ser satisfecho con la configuración de imagen se describe aquí. Siguiendo un protocolo estándar, se describe a continuación, la dinámica de impacto pueden ser inversoresvestigado de una manera controlada, como se muestra de forma explícita para la difusión y salpicaduras de comportamiento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Varios pasos son fundamentales para la correcta ejecución de la formación de imágenes rápido. En primer lugar, la cámara y el objetivo tienen que estar debidamente configurado y calibrado. En particular, con el fin de obtener una alta resolución espacial, la relación de reproducción de la lente debe mantenerse cerca de 1:01. Esto es especialmente importante para la visualización de suspensiones densas. Además, el tamaño de la abertura debe ser cuidadosamente elegido para la imagen. Por ejemplo, la observació…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gracias a Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin y Michelle Driscoll para muchas discusiones útiles y Qiti Guo para obtener ayuda con la preparación de las muestras experimentales. Este trabajo fue apoyado por el programa MRSEC de la National Science Foundation con la subvención 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 |
Riferimenti
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