أسلوب عيانية تناظرية لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية في كثافة الغازات والسوائل
Summary
ويقدم أسلوب تمثيلي موجوداً تجريبيا لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية في السوائل الكثيفة. التقنية تستخدم الجسيمات الصورة فيلوسيميتري أكوام الحبوب صدى، ورد عالية ويسمح المراقبة العيانية، ومباشرة العمليات الديناميكية المعروفة ومن المتوقع أن توجد في التفاعل بشدة، وارتفاع كثافة الغازات والسوائل.
Abstract
يتم وصف أسلوب تمثيلي العيانية لدراسة العمليات الجزيئية الحجم الهيدروديناميكي في كثافة الغازات والسوائل. الأسلوب الذي ينطبق قياسية السوائل حيوية تشخيصية، جسيمات صورة فيلوسيميتري (PIV)، لقياس: ط) سرعات الجسيمات الفردية (الحبوب)، قائما في تصادم الحبوب قصيرة، وجداول زمنية، وثانيا) سرعات نظم الجسيمات، على حد سواء قصيرة الاصطدام-الوقت-وثالثاً طويلة ومتواصلة-تدفق–جداول زمنية،) وسائط هيدرودينامية الجماعية المعروفة موجودة في السوائل الجزيئية الكثيفة، ورابعاً) مقياس قصيرة وطويلة عن الوقت مهام ترابط تلقائي السرعة، المركزية لفهم ديناميات الجسيمات الحجم في نظم السوائل الكثيفة، والتفاعل بشدة. يتألف النظام الأساسي نظام تصوير، ومصدر الضوء، والمجسات الذبذبات، نظام الذبذبات مع برامج وسائط الإعلام، و PIV والتحليل معروفة. هي أبرز القياسات التجريبية المطلوبة ومخططا للأدوات النظرية اللازمة عند استخدام هذه التقنية التناظرية إلى دراسة جزيئية الحجم الهيدروديناميكي العمليات. هذا الأسلوب المقترح يوفر بديلاً بسيطاً نسبيا إلى الضوئية والنيوترون شعاع نثر الأساليب المستخدمة تقليديا في دراسات هيدرودينامية الجزيئية.
Introduction
الدراسات الهيدروناميكا الجزيئية ديناميات والميكانيكا الإحصائية من الجزيئات الفردية ومجموعات من الجزيئات داخل السوائل. من بين العديد من التقنيات التجريبية المتقدمة لدراسة نظم هيدرودينامية الجزيئية1،2، تشتت الضوء1،2،3، المحاكاة الديناميكية الجزيئية4، 5،،من67 وإلى حد أقل، تم استخدام النيوترونات غير مرن نثر8 الأكثر شيوعاً. ولسوء الحظ، إرفاق قيود كبيرة لهذا الأخير اثنين من التقنيات. المحاكاة وديناميات الجزيئية (MD)، على سبيل المثال: ط) هي المحدودة الصغيرة المكانية والزمانية 
المجالات التي تحتوي على جزيئات قليلة نسبيا 
، ثانيا) تتطلب استخدام التقريبي الجسيمات بين الإمكانات، ثالثا) عادة إدخال الدوري شروط الحدود، غير صالحة تحت ظروف التدفق الأكبر عدم التوازن، ورابعاً) لا يمكن، في الوقت الراهن، الإجابة على السؤال الأساسي ديناميات الجزيئية مقياس كيف، التي تنطوي على جزيئات مفردة أو مجموعات من الجزيئات، وتتأثر، وزوجين مرة أخرى الجزء الأكبر، عدم التوازن في تدفق السوائل. الحد الرئيسية المرتبطة بتشتت النيوترونات مرتبط بصعوبة الوصول إلى العدد المحدود من النيوترون شعاع المصادر المتاحة.
بغية توفير سياق التناظرية التقنية التجريبية المعروضة في هذه المقالة، نسلط الضوء التقنيات المطبقة للسوائل الكثيفة الغاز والسائل-الدولة البسيطة. في تجربة نموذجية تشتت ضوء، يوجه شعاع ضوء ليزر استقطاب إلى وحدة تخزين استجواب صغيرة التي تحتوي على عينة السائل ثابتة. ثم يتم الكشف عن الضوء المتناثرة من الجزيئات داخل العينة في بعض زاوية ثابتة بالنسبة إلى شعاع الحادث. اعتماداً على نظام الفائدة الحيوية الجزيئية، يتضمن كشف وتحليل الإشارات الخفيفة المتناثرة الخفيفة التصفية أو خلط أساليب الكشف عن الضوء. كما يتضح من برن وبيكورا1، تصفية التقنيات، التي التحقيق في حالة السوائل ديناميات الجزيئية في الوقت المناسب جداول أقصر من 
s، يعرض على السابر بعد بعثرة أو حيود [غرتينغ]، والسماح للمسح الضوئي للكثافة الطيفية الضوء المتناثرة. البصرية خلط التقنيات المستخدمة لديناميات مقياس الوقت بطيء، 
s، على النقيض من ذلك، إدراج محلل أوتوكوريلاتور أو الطيف بعد بعثرة، الذي يتم استخراج محتوى الطيفية إشارات متفرقة من قياس الضوء المتناثرة كثافة.
وبصفة عامة، الليزر تحقيقات، على الأقل تلك التي تعمل في النطاق المرئي من الطيف، ولها أطوال موجية أطول من تباعد مميزة بين جزيئات السائل-الدولة. وفي ظل هذه الظروف، يثير شعاع التحقيق خمسة الجماعية، ومقياس الوقت بطيء، وسائط هيدرودينامية طويل–طول الموجه2،9،10 (بطيئة بالنسبة لتردد التصادم المميزة): اثنان فيسكوسلي ثبط، مكافحة نشر الموجات الصوتية، وضعي الدردوريه أونكوبليد، انتشارية بحتة، ووضع واحد انتشارية حراري (الانتروبيا). وسائط الصوت متحمسون في الاتجاه (الطولي) شعاع الحادث، بينما وسائط دوامة متحمسون في الاتجاه العرضي.
دراسة تجريبية بحتة تناثر التقنيات، سؤالين الأساسية، الواقعة في قلب التوازن وعدم التوازن ميكانيكا إحصائية الجزيئية، نظم الدولة السائل، تبقى خارج الضوء وقياسات تشتت النيوترونات:
1) صرامة الوسائط9،11 تبين أن ديناميات التصادم-ودون-كوليسيون-مقياس الوقت عشوائي، جزيئات السائل-الدولة الفردية، رهنا بديناميات نيوتن الكلاسيكية أو ديناميات الكم، يمكن أن تعاد في شكل معمم لانجفان المعادلات (GLE). وفي المقابل، تضم GLE، أداة نظرية محورية في دراسة الميكانيكا الإحصائية غير متوازنة من الجزيئات في كثافة الغازات والسوائل. ولسوء الحظ، نظراً لديناميات الجزيئات الفردية (غير الجزيئات) لا يمكن حلها بأسلوب نثر أما، يوجد حاليا أية طريقة مباشرة، وراء المحاكاة ودكتوراه في الطب، لاختبار صحة GLE ل.
2) فرضية أساسية الواقعة في قلب ديناميات السوائل متوالية العيانية، كذلك microscale الهيدروناميكا الجزيئية، يفترض أن على طول-والمقاييس الزمنية الكبيرة بالنسبة لأقطار جزيئية والتصادم أحياناً، ولكن صغيرة بالنسبة للتواصل طول ومقاييس زمنية، يسود المحلية توازن دينامي حراري (LTE). في استمرارية التدفق والحرارة نقل النماذج، مثل معادلات نافيير-ستوكس (NS)، هو افتراض LTE المطلوب9 للزوجين جوهرها عدم التوازن، وتدفق متواصلة على نطاق وسمات النقل الطاقة — مثل لزوجة القص تؤكد و التوصيل الحراري – بدقة خصائص توازن دينامي حراري، مثل درجة الحرارة والطاقة الداخلية. وبالمثل، في حين نقل الطاقة والزخم microscale العمليات جوهريا عدم التوازن، مما يعكس مظهر المتباعدة، microscale الجماهيري، الزخم، وتيارات الطاقة، نماذج من هذه العمليات عبارة تفترض أن التيارات وتمثل الاضطرابات الصغيرة من LTE9. ومرة أخرى، على حد علمنا، لم أي اختبارات تجريبية مباشرة من افتراض التطور طويل الأمد. على وجه الخصوص، يبدو أن لا تجارب التشتت الهيدروديناميكي الجزيئية جربت داخل كثيفة، تتحرك، وعدم التوازن في تدفق السائل.
في هذه الورقة، ونحن الخطوط العريضة لأسلوب تجريبي تناظرية التي يمكن استخدامها بالجسيمات العيانية، واحد وديناميات الجسيمات الجماعية من أكوام الحبوب صدى، تقاس باستخدام معيار الجسيمات التصوير فيلوسيميتري (PIV)، للتنبؤ بشكل غير مباشر، تفسير، وفضح الهيدروناميكا أحادية ومتعددة ملكال في كثافة الغازات والسوائل. يتم ذكر العناصر المادية والنظرية التي تمكن هذه التقنية المقترحة في ورقة صدرت مؤخرا نشرتها لدينا مجموعة12. تجريبيا، يجب أن يحمل النظام العيانية: ملاحظة (ط) اتجاه المطرد نحو المحلي والتوازن الميكانيكي الإحصائية ماكروسكالي الصغيرة (ثانيا)، خطي الخروج عن التوازن التي تحاكي تقلبات غير متوازنة (ضعيفة) في نظم هيدرودينامية الجزيئية. نظرياً: نماذج microscale (ط (الكلاسيكية تصف التوازن وميكانيكا إحصائية ضعيفة-عدم التوازن كثيفة، نظم N-الجسيمات المتفاعلة يجب أن تعاد في شكل ماكروسكالي، ويجب (ثانيا) نماذج ماكروسكالي الناتجة موثوق بها التنبؤ بديناميات الجسيمات أحادية ومتعددة، من قصيرة، الجسيمات-تصادم-المقاييس الزمنية إلى طويلة، واستمرارية-تدفق-المقاييس الزمنية.
نقدم هنا، بروتوكول تجريبي مفصلة، فضلا عن الممثل النتائج التي حققتها هذه التقنية الجديدة. على النقيض من المحاكاة MD والضوء وأساليب تشتت النيوترونات، يسمح تقنية جديدة، للمرة الأولى، دراسة مفصلة للعمليات هيدرودينامية الجزيئية داخل المتدفقة وعدم التوازن بشدة، وكثافة الغازات والسوائل.
Protocol
Representative Results
Discussion
من أجل استخدام أكوام الحبوب صدى النظير العيانية للتحقيق في عمليات هيدرودينامية الجزيئية، experimentalist يجب من ناحية، تعلم واستخدام القياسات الأساسية الأربعة وأخرى، السيطرة على بعض العناصر الأساسية للتوازن و الميكانيكا الإحصائية غير متوازنة. التركيز أولاً على القياسات التجريبية، وهذه تشمل: …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل كان يدعمها “مكتب الأبحاث البحرية” (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik وكينيني] وفي جامعة نورث كارولينا في شارلوت في “رياضة السيارات البحوث مختبر لتلميع” وسائل الإعلام قد تبرعت بها روسلر.
Materials
| Vibratory Polishing Bowl | Raytech | AV-75 | |
| Flow Meter | Peristaltic Pumps | 913 Mity Flex | |
| Scale | Pelouze | 4040 | |
| Triaxial Accelerometer | PCB Piezotronics | PCB 356B11 | Accelerometer with Sensor Signal Conditioner |
| Data Acquisition Computer | IBM | Thinkpad | Used with high speed camera |
| High Speed Camera | Redlake | Motionxtra HG-XR | |
| Zoom Lens | Tamron | Model A18 | 18-250mm F/3.5-6.3 |
| High intensity Light | ARRI | EB 400/575 D | |
| Data Processing Computer | Dell | Dell Precision Tower 7910 | |
| PIV Software | Dantec Dynamics | Dynamic Studio 2013 | version 3.41.38 |
| Data Acquisition Hardware | National Instruments | SCXI | SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter |
| Data Acquisition Software | National Instruments | LabVIEW 2012 | |
| Data Processing Software | MATHWORKS | MATLAB | |
| Polishing Media | Rosler | RSG 10/10S | Multiple media types used (mixed, spherical, triangular) |
| Polishing Solution | Rosler | FC KFL (3%) | 3% soap solution with water |
| Ruled Scale | Swiss Precision Instruments | 13-911-3 | |
| Graduated Cylinder | Global Scientific | 601082 |
References
- Berne, B. J., Pecora, R. . Dynamic Light Scattering. , (1976).
- Boon, J. P., Yip, S. . Molecular Hydrodynamics. , (1980).
- Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles. J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).
- Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. M. Decay of time correlations in two dimensions. Phys. Rev. A. 4, 233-236 (1971).
- Evans, D. J., Morriss, G. P. . Statistical Mechanics of Nonequilibrium Liquids. , (2007).
- Levesque, D., Verlet, L. Computer “experiments” on classical fluids, III. time-dependent self correlation functions. Phys. Rev. A. 2, 2514-2528 (1970).
- Levesque, D., Ashurst, W. T. Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles. Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).
- Lovesey, S. W., Lovesey, S. W., Springer, T. . Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. , (1977).
- Forster, D. . Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , (1990).
- Mountain, R. D. Generalized hydrodynamics. Adv. Mol. Relax. Processes. 9, 225-291 (1977).
- Zwanzig, R. Time-correlation functions and transport coefficients in statistical mechanics. Ann. Rev. Phys. Chem. 16, 67-102 (1965).
- Keanini, R. G., et al. Macroscopic liquid-state molecular hydrodynamics. Sci. Rep. 7, 41658 (2017).
- Kushick, J., Berne, B. J. Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids. J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).
- Mullany, B., et al. The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes. CIRP Annals. , (2017).
- Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. G., Mullany, B. Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing. J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).
- Navare, J. . Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , (2017).
- Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. The phonon theory of liquid thermodynamics. Sci. Rep. 2, 421 (2012).
- Elton, D. C., Fernandez-Serra, M. The hydrogen-bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nat. Commun. 7, 10193 (2016).
- Pathria, R. K., Beale, P. D. . Statistical mechanics. , (2011).
- Gibbs, J. W. . Elementary principles in statistical mechanics. , (1902).
- Toda, M., Kubo, R., Saito, N. . Statistical physics I. , (1992).
- Kubo, R. Statistical mechanical theory of irreversible processes. I. J. Phys. Soc. Japan. 12, 570-586 (1957).
- Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. . Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , (1991).
