조밀한 가스 및 액체 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 아날로그 거시적인 기술
Summary
조밀한 액체의 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 실험적으로 접근 가능한 아날로그 방식 제공 됩니다. 기술은 진동, 높은 회복 곡 식 더미의 입자 이미지 velocimetry를 사용 하 고 동적 프로세스 알려지고 강력 하 게 상호 작용, 높은 밀도 가스 및 액체에 예측의 직접적이 고 거시적인 관찰을 수 있습니다.
Abstract
조밀한 가스 및 액체 분자 규모 유체 프로세스를 공부 하는 아날로그, 거시적인 방법 설명 되어 있습니다. 기술을 적용 한 표준 유체 동적 진단, 입자 이미지 velocimetry (PIV)을 측정: i) 개별 입자 (곡물), 짧은, 곡물-충돌에 현존의 속도 시간 눈금, 모두 짧은 입자의 시스템의 속도 ii) 충돌-시간-및 긴, 연속체-흐름-시간-비늘, iii) 조밀한 분자 액체, 및 iv에 존재 하기 위하여 알려진 집단 유체역학 모드) 짧은-및 긴-시간-규모 속도 상관 함수, 중앙 입자 규모의 역학을 이해 하 강하게 상호 작용, 밀도 유체 시스템입니다. 기본 시스템 이미징 시스템, 광원, 진동 센서, 진동 시스템 알려진 미디어, 그리고 PIV 및 분석 소프트웨어로 구성 되어 있습니다. 필요한 실험 측정 및 아날로그 기술을 사용 하 여 분자 규모 유체 프로세스를 공부 하는 데 필요한 이론적 도구에 대 한 개요는 강조 표시 됩니다. 광자를 비교적 간단한 대안을 제공 하는 제안 된 기술 그리고 중성자 빔 분자 유체역학 연구에 전통적으로 사용 되는 분산 방법.
Introduction
유체역학 분자 역학과 개별 분자의 통계 역학과 유체 내 분자의 연구. 많은 실험 기법 중 분자 유체 시스템1,2, 산란1,2,3, 분자 동적 시뮬레이션4, 공부에 대 한 개발 5,,67 그리고, 낮은 정도로 탄성이 중성자 산란8 가장 일반적으로 사용 되었습니다. 불행히도, 중요 한 제한 후자의 두 가지 방법에 연결합니다. 예를 들면 분자 역동성 (MD) 시뮬레이션: i)는 작은 공간 및 시간 제한 
상대적으로 적은 분자를 포함 하는 도메인 
, ii) 사용 해야 대략적인 간 입자 잠재력의 iii) 일반적으로 정기적인 소개 경계 조건, 비 평형 대량 흐름 조건, 및 4에서 잘못 된) 현재, 수 없습니다, 어떻게 분자 규모 역학, 단일 분자 또는 분자의 컬렉션의 근본적인 질문에 대답, 영향을 받는, 그리고 부부 다시, 대량, 비 평형 유체 흐름. 중성자 산란과 관련 된 주요 제한 액세스 중성자 빔 소스 사용할 수 있는 제한 된 수의 어려움에 묶여 있습니다.
이 문서에서 제공 하는 아날로그 실험 기법에 대 한 컨텍스트를 제공, 우리는 간단한 조밀한 가스와 액체 상태의 유체에 적용 되는 산란 기술을 강조 표시 합니다. 전형적인 산란 실험에서 편광된 레이저 광선 정지 액체 샘플을 포함 하는 작은 심문 볼륨에 지시 된다. 샘플 내에서 분자에서 흩어져 빛 다음 일부 고정 각도로 입사 빔을 기준으로 검색 됩니다. 관심의 분자 동적 정권 따라 탐지 및 흩어져 빛 신호 분석은 라이트 필터링 또는 빛 감지 방법을 혼합을 통합 합니다. 필터링 기술, 보다 짧은 조정 시간에 액체 상태 분자 역학 조사는 베른 및 Pecora1설명 된 대로 
s, 후 비 산 간섭계 또는 회절 격자를 소개 하 고 스펙트럼 밀도의 가능 흩어져 빛. 느린 시간 스케일 역학에 대 한 사용 기술의 혼합 광 
s, 대조적으로, 통합, 흩어져 신호의 스펙트럼 콘텐츠 측정된 흩어져 빛에서 추출 되는 포스트 scattering autocorrelator 또는 스펙트럼 분석기 강도입니다.
일반적으로, 레이저 프로브, 적어도 그는 스펙트럼의 보이는 범위에서 액체 상태 분자의 특성 간격 보다 훨씬 긴 파장을가지고. 이러한 상황에서 조사 빔 흥분 5 집단, 느린 시간 단위, 긴 파장 유체역학 모드2,,910 (느린 특성 충돌 주파수 기준): 두 viscously 감쇠, 카운터 전파 하는 음파, 두 uncoupled, 순전히 방산 전단 모드 및 단일 방산 열 (엔트로피) 모드. 가로 방향으로 회전력 모드는 흥분 하는 동안 사운드 모드는 입사 빔 (세로) 방향으로 기쁘게 생각 합니다.
순수 실험 기법, 마음의 평형 및 비 평형 통계 역학, 분자의 거짓말 두 가지 근본적인 질문을 비 산 고려 액체 상태 시스템, 빛 및 중성자 산란 측정 넘어 유지 됩니다.
고전 뉴턴 역학 또는 양자 역학, 개별 액체 상태 분자의 무작위, 충돌 및 하위-collision-시간-스케일 역학에서 개 주 될 수 있다 1) 엄격한 인수9,11 쇼는 일반화 된 Langevin 방정식 (GLE)의 형태입니다. GLE, 차례 차례로, 조밀한 가스 및 액체 분자의 비 평형 통계 역학의 연구에 중앙 이론적 도구를 구성 됩니다. 불행히도, 개별 (비 고분자) 분자의 역학 중 분산 기술에 의해 해결 될 수 없는, 거기 이므로 현재 직접적인 방법, MD 시뮬레이션 넘어 GLE의 유효성을 테스트 하려면.
2) 기본적인 가설 거시적인 연속체 유체 역학의 중심부에서 거짓말, 또한 미 분자 유체역학, posits 그에 길이 및 시간-눈금 분자 직경 및 충돌, 하지만 작은 연속체에 상대적으로 큰 길이 시간의 척도, 현지 열역학 평형 (LTE) 통용 한다. 연속 흐름 및 열 전송 모델에서 Navier-스톡 스 (NS) 방정식 같은 LTE 가정은 필요한9 본질적으로 비 평형, 연속체 규모 흐름 및 에너지 전송 기능을 결합 하기 위하여-같은 점성 전단 응력 및 열 전도-엄격 하 게 평형 열역학 속성, 온도 내부 에너지 등. 마찬가지로, 미 추진력과 에너지 전송 됩니다 본질적으로 비 평형 과정, 결합된, 눈금 질량의 모양을 반영 하는 동안 이러한 미 프로세스의 기세, 및 에너지 전류, 모델 가정 하는 전류 LTE9에서 작은 물결을 나타냅니다. 다시, 우리의 지식의 최선을 LTE 가정의 직접 실험 테스트가 되었습니다. 특히, 그것은 아무 분자 유체역학 산란 실험 밀도, 이동, 비 평형 액체 흐름 내에서 시도 되어 나타납니다.
이 문서에서 우리는 거시적인, 단일 입자와 입자 집단 역학 표준 입자 이미징 Velocimetry (PIV)를 사용 하 여 측정 진동 곡 식 더미의 수 예측에 사용할 직접 하지, 아날로그 실험 기술 개요 해석 하 고 조밀한 가스 및 액체에서 단일 및 다중 molecule 유체역학을 노출. 제안 된 기법을 사용 하는 실제 및 이론적인 요소12우리의 그룹 의해 간행 된 최근 종이에서 진술 된다. 실험적으로, 거시적인 시스템을 전시 한다: (i)는 지속적인된 지역, macroscale 통계 기계적 균형, 및 (ii) 작은 선형에서 출발 균형을 모방 (약한) 비 평형 변동 경향을 관찰 분자 유체 시스템입니다. 이론적으로: 평형과 밀도의 약하게 비 평형 통계 역학을 설명 하는 (i) 클래식 미 모델, 상호 작용 N 입자 시스템 해야 될 개 주 macroscale 형태로, 그리고 (ii) 결과 macroscale 모델 해야 안정적으로 짧은, 입자 충돌-시간-눈금, 연속 흐름-시간 눈금에에서 단일 및 다중 입자 역학을 예측 했다.
여기, 우리는 자세한 실험 프로토콜 뿐만 아니라 새로운 기술에 의해 얻은 대표적인 결과 제시. 달리 MD 시뮬레이션 및 빛과 중성자 산란 방법, 새로운 기술, 수 처음으로 흐르는, 강력 하 게 비 평형, 조밀한 가스와 액체 내 분자 유체 프로세스의 상세한 연구.
Protocol
Representative Results
Discussion
거시적인 아날로그로 진동이 곡 식 더미를 사용 하 여 분자 유체 프로세스를 조사, 순서는 experimentalist 해야 합니다, 한 반면에, 및 4 개의 기본적인 측정을 사용 하 여 학습과 다른 평형의 몇 가지 기본 요소를 마스터 하 고 비 평형 통계는 기계 실험 측정에 먼저 초점을 맞추고, 이러한 포함: i) 단일 입자 속도 자기 상관 함수, ii) 시간-평균/긴-시간-스케일 표면 입자 속도 측정의 측정을 통해 개별 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 사무실 해군 연구소 (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik 및 Keanini]에서 지원 하 고 샬 롯의 모터 스포츠 연구 실험실 연마 미디어 Rosler 기증에서 북캐롤라이나의 대학에서 수행.
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 |
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