गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ की बूंद प्रभाव गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए फास्ट इमेजिंग तकनीक
Summary
विभिन्न शारीरिक मापदंडों एक बहुत ही कम समय (एक millisecond के कम से कम एक दसवें) से अधिक गतिशीलता को प्रभावित के बाद से गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ की बूंद प्रभाव एक जटिल प्रक्रिया है. एक तेज इमेजिंग तकनीक विभिन्न गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ के प्रभाव व्यवहार को चिह्नित करने के क्रम में शुरू की है.
Abstract
द्रव यांत्रिकी के क्षेत्र में, कई dynamical प्रक्रियाओं एक बहुत ही कम समय के अंतराल पर होते हैं, लेकिन यह भी विस्तृत अवलोकन के लिए उच्च स्थानिक संकल्प, पारंपरिक इमेजिंग सिस्टम के साथ पालन करने के लिए यह चुनौतीपूर्ण है कि परिदृश्यों की आवश्यकता नहीं है. इनमें से एक आम तौर पर मिलीसेकंड का दसवां के भीतर होता है जो तरल पदार्थ की बूंद प्रभाव है. इस चुनौती से निपटने के लिए एक तेज इमेजिंग तकनीक / नीचे 10 मीटर करने के लिए छवि के स्थानिक संकल्प लाने के लिए लंबे समय तक काम दूरी के साथ एक मैक्रो लेंस के साथ एक उच्च गति कैमरा (प्रति सेकंड अप करने के लिए एक लाख फ्रेम में सक्षम) को जोड़ती है कि शुरू की है पिक्सेल. इमेजिंग तकनीक रिकॉर्ड वीडियो के विश्लेषण से, इस तरह के प्रवाह क्षेत्र, प्रसार दूरी और splashing गति के रूप में प्रासंगिक द्रव गतिशील मात्रा का सटीक माप सक्षम बनाता है. इस दृश्य प्रणाली की क्षमताओं का प्रदर्शन करने के लिए, गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ की बूंदों एक फ्लैट कठिन सतह पर टकराना जब प्रभाव गतिशीलता characte हैंrized. दो स्थितियों पर विचार कर रहे हैं: ऑक्सीकरण तरल धातु बूंदों के लिए हम प्रसार व्यवहार पर ध्यान देते हैं, और घनी पैक निलंबन के लिए हम splashing की शुरुआत का निर्धारण. आम तौर पर, यहाँ पेश उच्च अस्थायी और स्थानिक इमेजिंग संकल्प के संयोजन microscale घटना की एक विस्तृत श्रृंखला में तेजी से गतिशीलता के अध्ययन के लिए लाभ प्रदान करता है.
Introduction
एक ठोस सतह पर प्रभाव ड्रॉप ड्रॉप का एक सटीक नियंत्रण के प्रसार और splashing वांछित है जहां 3,4, inkjet मुद्रण का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक निर्माण 1, स्प्रे कोटिंग 2, और additive विनिर्माण से जुड़े कई अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है. हालांकि, ड्रॉप प्रभाव का प्रत्यक्ष अवलोकन दो कारणों के लिए तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण है. सबसे पहले, यह एक timescale के भीतर इस तरह के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप और DSLR कैमरों के रूप में पारंपरिक इमेजिंग सिस्टम, के द्वारा आसानी से imaged किया जा करने के लिए बहुत कम (~ 100 μsec) होती है जो एक जटिल गतिशील प्रक्रिया है. फ़्लैश फोटोग्राफी बहुत तेजी से पाठ्यक्रम छवि के सकता है, लेकिन समय के साथ विकास का विस्तृत विश्लेषण के लिए आवश्यक के रूप में, सतत रिकॉर्डिंग के लिए अनुमति नहीं है. दूसरा, प्रभाव अस्थायित्व से प्रेरित लंबाई पैमाने 10 माइक्रोन के रूप में 5 के रूप में छोटा किया जा सकता. इसलिए, मात्रात्मक प्रभाव प्रक्रिया यथोचित उच्च स्थानिक संकल्प के साथ ultrafast इमेजिंग जोड़ती है एक प्रणाली का अध्ययन करने के लिए अक्सर हैवांछित. इस तरह के सिस्टम, प्रभाव 6-8 के बाद वैश्विक ज्यामितीय विरूपण पर ज्यादातर ध्यान केंद्रित किया है, लेकिन इस तरह के splashing की शुरुआत के रूप में जल्दी समय के बारे में जानकारी, प्रभाव के साथ जुड़े nonequilibrium प्रक्रियाओं, इकट्ठा करने में असमर्थ था छोटी बूंद प्रभाव पर जल्दी काम के अभाव में. तरल पदार्थ 9,12 के CMOS उच्च गति वीडियोग्राफी में हाल के अग्रिमों नीचे 1 μsec नीचे एक लाख एफपीएस और जोखिम बार अप करने के लिए फ्रेम दर मजबूर कर दिया है. इसके अलावा, नव विकसित सीसीडी इमेजिंग तकनीक अच्छी तरह से एक लाख एफपीएस 9-12 ऊपर फ्रेम दर धक्का कर सकते हैं. दूसरी ओर स्थानिक संकल्प, शीशा लेंस 12 का उपयोग करते हुए 1 माइक्रोन / पिक्सेल की व्यवस्था के लिए बढ़ाया जा सकता है. एक परिणाम के रूप में, यह अभूतपूर्व विस्तार से ड्रॉप प्रभाव के विभिन्न चरणों पर शारीरिक मापदंडों की एक विस्तृत श्रृंखला के प्रभाव का पता लगाने के लिए और व्यवस्थित ढंग से प्रयोग और सिद्धांत 5,13-16 तुलना करने के लिए संभव हो गया है. उदाहरण के लिए, न्यूटन के तरल पदार्थ में splashing संक्रमण fou थाआंतरिक rheology उपज तनाव तरल पदार्थ 17 के प्रसार गतिशीलता का फैसला करता है, जबकि एन डी, वातावरण दबाव 5 द्वारा स्थापित किया जाना है.
यहाँ एक सरल अभी तक शक्तिशाली तेज इमेजिंग तकनीक शुरू की है और प्रभाव गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ के दो प्रकार की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए लागू किया जाता है: तरल धातु और घनी पैक निलंबन. हवा के संपर्क के साथ अनिवार्य रूप से (पारा) को छोड़कर सभी तरल धातुओं अनायास उनकी सतह पर एक ऑक्साइड त्वचा का विकास होगा. यंत्रवत्, त्वचा प्रभावी सतह तनाव और धातु 18 के गीला क्षमता को बदल पाया है. पिछले एक कागज 15 में, लेखकों के कई मात्रात्मक प्रसार की प्रक्रिया का अध्ययन किया और त्वचा प्रभाव प्रभाव गतिशीलता, प्रभाव मापदंडों के साथ अधिकतम प्रसार त्रिज्या का विशेष रूप से स्केलिंग को प्रभावित करती है कि कैसे व्याख्या कर रहे थे. तरल धातु उच्च सतह प्रतिबिंब है, इसलिए प्रकाश की सावधान समायोजन इमेजिंग में आवश्यक है. निलंबन एकएक तरल में छोटे कणों से बना रहे हैं. यहां तक कि साधारण न्यूटोनियन तरल पदार्थ के लिए, विशेष रूप से निलंबित कणों की उच्च मात्रा अंश पर यानी घने निलंबन, में स्पष्ट हो जाता है जो गैर न्यूटोनियन व्यवहार में कणों के परिणाम के अलावा. विशेष रूप से, splashing की शुरुआत एक निलंबन छोटी बूंद एक चिकना, कठोर सतह हिट जब पिछले काम 16 में अध्ययन किया गया. तरल कण और अंतर – कण बातचीत दोनों सरल तरल पदार्थ से उम्मीद की जा सकती है से काफी splashing व्यवहार को बदल सकते हैं. एक उच्च स्थानिक संकल्प की जरूरत है इन प्रयोगों में 80 माइक्रोन के रूप में छोटे कणों को ट्रैक करने के लिए.
इस तरह के उच्च अस्थायी और स्थानिक संकल्प, प्लस की ओर से और नीचे से दोनों प्रभावों के अवलोकन के लिए क्षमता के रूप में विभिन्न तकनीकी आवश्यकताओं का एक संयोजन, सब यहाँ वर्णित इमेजिंग स्थापना के साथ संतुष्ट किया जा सकता. एक मानक प्रोटोकॉल का पालन करके, नीचे वर्णित है, प्रभाव गतिशीलता जांच किया जा सकता हैव्यवहार के प्रसार और splashing के लिए स्पष्ट रूप से दिखाया गया है, एक नियंत्रित फैशन में tigated.
Protocol
Representative Results
Discussion
कई चरणों तेज इमेजिंग के समुचित निष्पादन के लिए महत्वपूर्ण हैं. सबसे पहले, कैमरा और लेंस उचित स्थापित करने और calibrated किया जाना है. विशेष रूप से, उच्च स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के लिए, लेंस की प्रजनन अनुपा?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
प्रयोगात्मक नमूने की तैयारी के साथ मदद के लिए बहुत उपयोगी विचार विमर्श और Qiti गुओ के लिए वेंडी जांग, Luuk Lubbers, मार्क Miskin और मिशेल Driscoll के लिए धन्यवाद. इस काम अनुदान सं DMR-0820054 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन के MRSEC कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया.
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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