Rask Imaging teknikken til å studere Drop Impact Dynamics of Non-Newtonske væsker
Summary
Drop virkningen av ikke-Newtonske væsker er en kompleks prosess, siden forskjellige fysiske parametere påvirker dynamikken over en meget kort tid (mindre enn en tiendedels millisekund). Et fast avbildningsteknikk er innført for å karakterisere virkningen oppførsel av forskjellige ikke-Newtonske væsker.
Abstract
I feltet av fluidmekanikk, mange dynamiske prosesser ikke bare skje over et svært kort tidsintervall, men også krever høy romlig oppløsning for detaljert observasjon, scenarier som gjør det utfordrende å observere med konvensjonelle bildesystemer. En av disse er den dråpe virkningen av væsker, noe som vanligvis skjer i løpet av ett tiendedels millisekund. For å takle denne utfordringen, er en rask avbildningsteknikk introdusert som kombinerer et høyhastighetskamera (kan opptil én million bilder per sekund) med et makroobjektiv med lang arbeidsavstand for å bringe den romlige oppløsningen i bildet ned til 10 mikrometer / pixel. Det avbildningsteknikk muliggjør nøyaktig måling av relevante fluddynamiske mengder, slik som strømningsfeltet, spredningsavstand, og spruting hastighet, fra analyse av den innspilte video. For å demonstrere mulighetene denne visualiseringssystem, påvirkningsdynamikken når dråper av ikke-newtonsk væske har betydning for en flat hard overflate er pregete d. To situasjoner anses: for oksiderte flytende metalldråper vi fokusere på å spre atferd, og for tettpakkede suspensjoner vi avgjøre utbruddet av sprut. Mer generelt, kan kombinasjonen av høy temporal og spatial avbildningsoppløsning innføres her gir fordeler for å studere raske dynamikken over et bredt spekter av mikro fenomener.
Introduction
Slipp innvirkning på en fast overflate er en viktig prosess i mange anvendelser som omfatter elektroniske fabrikasjon 1, spraybelegg 2, og tilsetningsstoff produksjon ved hjelp av en blekkteknikker 3,4, der en nøyaktig kontroll av drop spredning og spruting er ønsket. Men, er direkte observasjon av drop innvirkning teknisk utfordrende for to grunner. Først er det en innviklet dynamisk prosess som skjer i løpet av en tidsskala for kort (~ 100 usekunder) som skal avbildes lett ved konvensjonelle avbildningssystemer, som for eksempel optiske mikroskoper og DSLR. Blitsfotografering kan selvsagt bilde mye raskere, men ikke tillater for kontinuerlig opptak, slik det kreves for detaljert analyse av utviklingen over tid. For det andre, kan lengden skala indusert ved innvirkning ustabiliteter være så liten som 10 um 5. Derfor, for å kvantitativt undersøke virkningen prosessen et system som kombinerer ultra avbildning sammen med rimelig høy romlig oppløsning er ofteønsket. I fravær av et slikt system, tidlige arbeid på dråpe innvirkning fokusert mest på den globale geometrisk deformasjon etter anslag 6-8, men var ute av stand til å samle informasjon om den tidlige tiden, nonequilibrium prosesser knyttet til påvirkning, som for eksempel utbruddet av sprut. Nylige fremskritt innen CMOS høyhastighets videoopptak av væsker 9,12 har presset bildefrekvensen opp til en million fps og eksponeringstider ned under en usekunder. Videre kan nyutviklede CCD bildeteknikker skyve bildefrekvens godt over en million fps 9-12. Romlig oppløsning på den annen side, kan økes til størrelsesorden 1 mikrometer / pixel bruker forstørrelsesglass 12. Som en konsekvens av dette er det blitt mulig å utforske i enestående detalj påvirkning av en rekke fysiske parametre på forskjellige stadier av slipp-virkning, og for å sammenligner systematisk eksperiment og teori 5,13-16. For eksempel, sprut overgang i newtonsk væske var found å bli satt av atmosfæren press 5, mens den iboende reologi bestemmer spre dynamikken i utbytte-stress væsker 17.
Her et enkelt men kraftig rask avbildningsteknikk blir introdusert og anvendt for å studere virkningen dynamikken i to typer ikke-newtonsk væske: flytende metaller og tettpakkede suspensjoner. Med eksponering for luft, i det vesentlige alle flytende metaller (unntatt kvikksølv) vil spontant utvikle et oksyd hud på deres overflate. Mekanisk, huden syntes å endre effektive overflatespenning og fukte evne av metallene 18. I en tidligere artikkel 15, flere av forfatterne studert spredningsprosessen kvantitativt og var i stand til å forklare hvordan huden effekten påvirker konsekvens dynamikk, spesielt for skalering av maksimal spredning radius med konsekvensparametere. Siden flytende metall har høy overflate reflektivitet, blir omhyggelig regulering av belysning som kreves i imaging. Suspensjoner enre sammensatt av små partikler i en væske. Selv om enkle Newtonske væsker, tilsetning av partikler resulterer i ikke-Newtonsk oppførsel, noe som blir særlig markant i tette suspensjoner, det vil si ved høy volumfraksjon av suspenderte partikler. Spesielt ble den begynnende sprut når en suspensjon dråpe treffer en glatt, hard overflate studert i tidligere arbeid 16.. Både væske-partikkel og inter-partikkel interaksjoner kan endre sprut atferd vesentlig fra hva som kan forventes fra enkle væsker. For å spore partikler så små som 80 pm i disse eksperimentene en høy romlig oppløsning er nødvendig.
En kombinasjon av forskjellige tekniske krav som høy temporal og spatial oppløsning, pluss muligheten for å observere virkningene både fra siden og nedenfra, kan alle være fornøyd med bildeoppsettet som er beskrevet her. Ved å følge en standard protokoll, som er beskrevet nedenfor, kan påvirkningsdynamikken være investigated på en kontrollert måte, slik det er vist eksplisitt for spredning og spruting oppførsel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flere trinn er avgjørende for forsvarlig gjennomføring av rask bildebehandling. Først, kamera og objektiv må være riktig satt opp og kalibrert. Spesielt, for å oppnå høy romlig oppløsning, reproduksjonsforhold på linsen må holdes i nærheten av 1:1. Dette er spesielt viktig for visualisering av tette suspensjoner. Dessuten må åpningsstørrelse velges nøye for avbildning. For eksempel observasjon fra siden generelt krever en lengre dybdeskarphet, derfor mindre åpningsstørrelse. For å opprettholde lysstyr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Takk til Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin og Michelle Driscoll for mange nyttige diskusjoner og Qiti Guo for hjelp med å forberede eksperimentelle prøver. Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation MRSEC program under 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
- 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).
