Imagerie rapide technique permettant d'étudier l'impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens
Summary
impact de gouttes de fluides non-newtoniens est un processus complexe, étant donné que différents paramètres physiques influencent la dynamique sur un temps très court (moins d'un dixième de milliseconde). Une technique d'imagerie rapide est introduit dans le but de caractériser le comportement des différents fluides non-newtoniens impact.
Abstract
Dans le domaine de la mécanique des fluides, de nombreux processus dynamiques se produisent pas seulement sur un intervalle de temps très court, mais aussi exigent une haute résolution spatiale pour l'observation détaillée des scénarios qui font qu'il est difficile d'observer avec les systèmes d'imagerie conventionnelles. L'une d'elles est l'impact de la goutte de liquide, qui se produit généralement à moins d'un dixième de milliseconde. Pour relever ce défi, une technique d'imagerie rapide est introduit qui combine une caméra haute vitesse (capables d'aller jusqu'à un million d'images par seconde) avec un objectif macro à longue distance de travail de porter la résolution spatiale de l'image vers le bas à 10 um / pixel. La technique d'imagerie permet la mesure précise de la quantité de dynamique des fluides concernés, tels que le champ d'écoulement, la distance et la vitesse d'étalement d'éclaboussures, de l'analyse de la vidéo enregistrée. Pour démontrer les capacités de ce système de visualisation, la dynamique d'impact lorsque des gouttelettes de fluides non-newtoniens empiètent sur une surface plane et dure sont caracrisée. Deux situations sont envisagées: pour oxydés gouttelettes de métal liquide, nous nous concentrons sur le comportement de diffusion, et de suspensions denses nous déterminons le début de projections. Plus généralement, la combinaison de la résolution de l'imagerie spatiale et temporelle introduite ici offre des avantages pour l'étude de la dynamique rapide dans un large éventail de phénomènes microscopique.
Introduction
Déposez l'impact sur une surface solide est un processus clé dans de nombreuses applications impliquant la fabrication électronique 1, revêtement par pulvérisation 2, et la fabrication additive utilisant impression jet d'encre 3,4, où un contrôle précis de la chute d'étalement et les éclaboussures est souhaitée. Cependant, l'observation directe de l'impact de baisse est techniquement difficile pour deux raisons. Tout d'abord, il s'agit d'un processus dynamique complexe qui se produit dans un délai trop court (~ 100 ps) à imager facilement par les systèmes d'imagerie conventionnelles, comme des microscopes optiques et appareils photo reflex numériques. La photographie au flash peut image cours de beaucoup plus rapide, mais ne permet pas pour l'enregistrement continu, tel que requis pour une analyse détaillée de l'évolution dans le temps. Deuxièmement, l'échelle de longueur induite par l'instabilité de l'impact peut être aussi petite que 10 um 5. Par conséquent, pour étudier quantitativement le processus de l'impact d'un système qui combine l'imagerie ultra-rapide avec une résolution spatiale relativement élevée est souventsouhaitée. En l'absence d'un tel système, les premiers travaux sur l'impact des gouttelettes essentiellement porté sur la déformation géométrique mondial après l'impact 6-8, mais a été incapable de recueillir des informations sur les premiers temps, les processus hors équilibre associés à l'impact, tels que l'apparition d'éclaboussures. Les progrès récents dans le CMOS haute vitesse vidéographie de fluides 9,12 ont poussé le taux de trame jusqu'à un million de fps et temps d'exposition bas en dessous de 1 ps. En outre, les techniques d'imagerie CCD nouvellement développés peuvent pousser le taux de trame bien au-dessus d'un million d'images par seconde 9-12. La résolution spatiale d'un autre côté, peut être augmentée à l'ordre de 1 um / pixel en utilisant des loupes 12. En conséquence, il est devenu possible d'explorer en détail sans précédent de l'influence d'un grand nombre de paramètres physiques sur divers stades de l'impact de chute et de comparer systématiquement expérience et la théorie 5,13-16. Par exemple, la transition de projections dans les fluides newtoniens était foue à fixer par la pression atmosphérique 5, tandis que la rhéologie intrinsèque décide la dynamique de propagation de fluides rendement-stress 17.
Ici encore puissante technique d'imagerie rapide simple est proposée et appliquée pour étudier la dynamique de l'impact des deux types de fluides non-newtoniens: métaux liquides et suspensions denses. Avec l'exposition à l'air, essentiellement tous les métaux liquides (sauf le mercure) spontanément développer une pellicule d'oxyde sur leur surface. Mécaniquement, la peau se trouve à modifier la tension superficielle effective et la capacité de mouillage des métaux 18. Dans un précédent article 15, plusieurs auteurs ont étudié le processus d'étalement quantitativement et étaient en mesure d'expliquer comment l'effet de peau influe sur la dynamique de l'impact, en particulier la mise à l'échelle du rayon d'étalement maximal avec des paramètres d'impact. Depuis métal liquide a haute réflectivité de la surface, un réglage précis de l'éclairage est nécessaire dans l'imagerie. Suspensions unere composée de petites particules dans un liquide. Même pour les liquides newtoniens simples, l'ajout de particules résulte en un comportement non-newtonien, qui devient particulièrement prononcé dans les suspensions denses, c'est à dire à haute fraction volumique des particules en suspension. En particulier, l'apparition d'éclaboussures quand une goutte de suspension frappe une surface lisse, dure a été étudiée dans les travaux antérieurs 16. Les deux liquides particules et les interactions entre les particules peuvent modifier le comportement des éclaboussures de manière significative de ce qu'on pourrait attendre de liquides simples. Pour suivre les particules aussi petites que 80 um dans ces expériences une résolution spatiale élevée est nécessaire.
Une combinaison de diverses exigences techniques telles que la résolution spatiale et temporelle, ainsi que la capacité d'observation des impacts à la fois du côté de et ci-dessous, peuvent tous être satisfaits de la configuration d'imagerie décrit ici. En suivant un protocole standard, décrit ci-dessous, la dynamique d'impact peuvent être investisnomènes étudiés d'une manière contrôlée, comme le montre explicitement pour la diffusion et les éclaboussures comportement.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plusieurs étapes sont essentielles pour la bonne exécution de l'imagerie rapide. Tout d'abord, l'appareil photo et l'objectif doivent être réglés de manière appropriée et calibré. En particulier, afin d'obtenir une résolution spatiale élevée, le taux de reproduction de la lentille doit être maintenue proche de 1:1. Ceci est particulièrement important pour la visualisation des suspensions denses. De plus, la taille de l'ouverture doit être soigneusement choisie pour l'imagerie. P…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Merci à Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin et Michelle Driscoll pour de nombreuses discussions utiles et Qiti Guo pour l'aide à la préparation des échantillons expérimentaux. Ce travail a été soutenu par MRSEC le programme de la 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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