高密度の気体と液体の分子流体力学的過程を研究するためのアナログ巨視的手法
Summary
高密度流体中の分子の流体力学的過程を研究するため実験的にアクセス可能なアナログ方式である. します。テクニックは振動、高反発粒杭の粒子画像流速測定法を使用し、動的プロセス知られているし、強く相互作用する、高密度気体、液体中に存在する予測の肉眼で直接観察を可能します。
Abstract
アナログ、巨視的高密度の気体と液体の分子スケール流体プロセスを勉強する方法が説明されています。テクニック適用、標準液動的診断、粒子画像流速測定 (PIV) を測定する: i) 個々 の粒子 (粒)、短い、粒の衝突に関する現存する速度の時間スケール、ii) の両方の短い粒子のシステムの速度衝突-時間と長く、連続フロー時間スケールの iii) 高密度分子流体と iv に存在する知られている集団の流体モード) 短・長期-時間スケール速度相関関数、中央の粒子スケールのダイナミクスを理解するため強く相互作用する、高密度流体システム。基本的なシステムは、イメージング システム、光源、振動センサー、振動システム知られているメディア、および PIV 解析ソフトウェアで構成されます。必要な実験とアナログの技術を使用して分子流体力学的プロセスを研究するときに必要な理論的ツールのアウトラインが強調表示されます。提案手法は、光に比較的簡単な代わるし、中性子ビーム散乱法分子の流体力学的研究で伝統的に使用します。
Introduction
分子流体力学は、ダイナミクスと個々 の分子の統計力学および流体内の分子のコレクションを研究します。多くの実験の中で分子流体システム1,2, 光散乱1,2,3, 分子動力学シミュレーション4、勉強のために開発 5,6,7より少ない程度に、中性子非弾性散乱8を最も一般的に使用されています。残念なことに、後者の 2 つの方法に重要な制限を添付します。分子動力学 (MD) シミュレーション、例えば: i) は時空小限定
比較的少数の分子を含むドメイン
、ii) を使用する必要おおよその粒子間電位の iii) 通常周期を紹介境界条件、非平衡バルク フロー条件、および iv の下で無効な) 現時点では、どのように分子動力学、分子または分子のコレクションのいずれかを含むの基本的な質問を答えることができない、受けますが、カップルバルクは、非平衡流体の流れに戻る。中性子散乱に関連付けられている主な制限は、利用可能な中性子ビーム源の限られた数にアクセスする難しさに結びついています。
この記事で紹介したアナログの実験技術のコンテキストを提供するためには、単純な高密度ガスと液体状態の流体に適用される光散乱技術を強調表示します。典型的な光散乱実験で偏光レーザー光ビームは静止流体のサンプルを含む小さな尋問ボリュームに送られます。サンプル内の分子からの散乱光が入射ビームに対していくつかの固定角度でそれから検出されます。興味の分子の動的な政権によって散乱光信号の検出と解析を組み込んだ光フィルタ リングまたは光検出方法を混合します。ベルンとペコラの1に従って、フィルタ リング技術、スケールはより短い時間に流体状態分子動力学をプローブする
s、後散乱干渉計や回折格子を紹介し、スペクトル密度のスキャンを許可します。散乱光。ミキシングのテクニック、遅い時間スケールのダイナミクス用光
s、対照的に、組み込む散乱信号のスペクトルの分布は測定された散乱光から抽出する、散乱後自己相関器またはスペクトラム アナライザー強度。
一般に、レーザー プローブ、少なくともこれらのスペクトルの目に見える範囲内で液体状態の分子の特性の間隔よりも長い波長を持っています。これらの状況下でプローブ ビーム励起 5 集団があり、遅い時間スケール、全長波流体モード2,9,10 (特性の衝突の頻度を基準にして低速): 2 つの粘性対向する音の波、2 つの共役、純粋な拡散渦モード、および単一拡散熱 (エントロピー) モード、減衰します。渦モードが横方向に興奮している間、サウンド モードは入射ビームの (縦) 方向に興奮しています。
純粋に実験的手法、平衡の心そして分子の非平衡統計力学の横になっている 2 つの基本的な質問を散乱を考慮した液体状態のシステムは、光と中性子散乱測定を超えて残る。
1) 厳格な引数9,11ショーの古典的なニュートン力学や量子力学の対象と、個々 の液体状態の分子のランダムな衝突とサブ-衝突-時間スケール動力学を作り直したことができます、一般化ランジュバン方程式 (GLE) の形。GLE の順番に、高密度の気体や液体中の分子の非平衡統計力学の研究では中心的な理論的ツールで構成されます。残念ながら、個々 の (非高分子) 分子のダイナミクスは、どちらの散乱法で解決できない、以来無い現在 GLE の有効性をテストする分子動力学シミュレーションを超えて、直接的な方法。
2) 巨視的連続流体の中心部で横になっている根本的な仮説、同様のマイクロ分子流体力学、それの長さと時間のスケール分子径と連続体を基準にして数回、しかし小さな衝突に比べて大きいを仮説します。長さと時間のスケール、ローカル熱力学の平衡 (LTE) が優先されます。(NS) ナビエ-ストークス方程式のような連続体の流動および熱伝達モデル LTE 想定していますカップルは本質的に非平衡、連続スケールのフローとエネルギー輸送の機能するために必要な9 -粘性せん断応力のように、熱伝導-厳密に平衡熱力学的性質、温度と内部エネルギーのように。同様に、マイクロ スケールの運動量とエネルギーの輸送は本質的に非平衡プロセス、結合、マイクロ スケール固まりの出現を反映してこれらのマイクロ プロセスの勢いとエネルギー流モデルと仮定電流LTE9から小さな摂動を表してください。もう一度、我々 の知識の限りでなかった LTE 前提の直接実験。特に、高密度、移動、非平衡流体内流体分子の散乱実験を試行されているはないようであります。
この稿では、直接予測できない、標準粒子画像流速測定法 (PIV) を用いて振動粒杭のマクロスコ ピックの単一の粒子の集合体学に使用でくアナログ実験的な手法をまとめました解釈、および高密度の気体と液体でシングルとマルチ molecule 流体力学を公開します。私たちのグループ12によって発表された最近の論文で提案手法を可能にする物理・理論的要素のとおりです。実験的に、巨視的な系を表わさなければならない: (i) (弱い) の非平衡揺らぎを模倣するローカル、マクロ統計力学的平衡、および (ii) 小さい平衡から出発線形持続的な傾向が観察分子流体力学的システム。理論: 平衡および高密度の弱非平衡統計力学を記述する (i) 古典的なマイクロ スケール モデル、N 粒子システムの相互作用する必要があります。 改鋳されるマクロの形で、(ii) の結果のマクロ モデルを確実にする必要があります。短い、粒子-衝突-タイム スケール、長い連続-流れ-時間 – スケールからの単一および複数粒子ダイナミクスを予測します。
ここでは、新しい手法により得られた代表的な結果と同様に、詳細な実験的プロトコルを提案します。分子動力学シミュレーションと光と中性子散乱法と対照をなして新しいテクニックができます、最初の時間の流れる、強く非平衡、密なガス、液体内の分子の流体力学的プロセスの詳細な研究。
Protocol
Representative Results
Discussion
分子流体力学的プロセスを調査するためには、巨視的な類縁体として振動粒杭を使用、するために、想いをしましたする必要があります、一方で学ぶ 4 つの基本的な測定を使用してし、一方で、平衡のいくつかの基本的な要素をマスターし、非平衡統計力学。最初実験測定に着目し、これらが含まれて: i) 単一粒子速度相関関数、ii) 時間の平均/長期スケール表面粒の速度の測定の観測を通じ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、海軍研究局 (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik ・ Keanini] でサポートされているし、メディアは、Rosler によって寄付されたシャーロットのモーター スポーツ研究所研磨でノースカロライナ大学でを行うだった。
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
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