Snelle beeldvormende techniek om te studeren Drop Impact Dynamiek van niet-Newtoniaanse vloeistoffen
Summary
Drop impact van niet-Newtoniaanse vloeistoffen is een complex proces aangezien verschillende fysische parameters beïnvloeden de dynamiek gedurende een zeer korte tijd (minder dan een tiende van een milliseconde). Een snelle beeldvormende techniek is geïntroduceerd om het effect gedrag van verschillende niet-Newtonse vloeistoffen karakteriseren.
Abstract
Op het gebied van stromingsleer, vele dynamische processen niet alleen voordoen over een zeer korte tijdsinterval, maar vereisen ook een hoge ruimtelijke resolutie voor gedetailleerde observatie, scenario's die het een uitdaging om te observeren met conventionele beeldvormende systemen. Een daarvan is de druppel effect van vloeistoffen, die gewoonlijk gebeurt binnen een tiende van milliseconde. Om deze uitdaging aan te pakken, is een snelle beeldvormende techniek geïntroduceerd die een high-speed camera (in staat tot een miljoen frames per seconde) combineert met een macrolens met lange werkafstand voor de ruimtelijke resolutie van het beeld omlaag tot 10 micrometer te brengen / pixel. De beeldvormende techniek maakt nauwkeurige meting van relevante fluïdum dynamische grootheden, zoals het stromingsveld, de strooibreedte en spatten snelheid van de analyse van de opgenomen video. Om de mogelijkheden van deze visualisatie systeem te demonstreren, de impact dynamiek als druppels van niet-Newtoniaanse vloeistoffen botsen op een vlakke harde ondergrond zijn het kenmerkgoedkeuring gegeven. Twee situaties worden beschouwd: voor geoxideerd vloeibaar metaal druppels richten we ons op de verspreiding gedrag, en voor de dicht op elkaar gepakte schorsingen wordt de aanvang van de spatten. Meer in het algemeen, de combinatie van een hoge temporele en ruimtelijke resolutie imaging hier geïntroduceerd biedt voordelen voor het bestuderen van snelle dynamiek in een breed scala van microschaal verschijnselen.
Introduction
Drop effect op een vast oppervlak is een sleutelproces bij vele toepassingen waarbij elektronische fabricage 1, spray coating 2 en additieve productie met inkjet 3,4, waarbij een nauwkeurige controle van drop verspreiding en spatten gewenst. Echter, directe observatie van drop impact technisch uitdagend om twee redenen. Ten eerste is een ingewikkeld dynamisch proces dat plaatsvindt binnen een tijdsbestek te kort (~ 100 psec) gemakkelijk worden afgebeeld door conventionele beeldvormende systemen, zoals optische microscopen en spiegelreflexcamera's. Flitsfotografie blikje beeld De cursus van veel sneller, maar niet mogelijk voor continu opnemen, zoals vereist voor een gedetailleerde analyse van de evolutie in de tijd. Ten tweede kan de lengte-schaal veroorzaakt door botsing instabiliteiten zijn zo klein als 10 pm 5. Daarom, om kwantitatief onderzoek naar de invloed proces een systeem dat ultrasnelle beeldvorming combineert, samen met redelijk hoge ruimtelijke resolutie is vaakgewenst. Bij gebreke van een dergelijk systeem, vroege werk op druppel effect vooral gericht op de mondiale geometrische vervorming na botsing 6-8, maar was niet in staat om informatie over het vroege tijdstip, evenwichts processen die samenhangen met impact, verzamelen, zoals het ontstaan van spatten. Recente ontwikkelingen in de CMOS hoge snelheid videografie van vloeistoffen 9,12 hebben de frame rate geschoven tot een miljoen fps en belichtingstijden beneden 1 msec. Bovendien kan nieuw ontwikkelde CCD beeldvorming van de frame rate te duwen ruim boven een miljoen fps 9-12. Ruimtelijke resolutie aan de andere kant, kan worden verhoogd tot de orde van 1 micrometer / pixel gebruik vergrootglazen 12. Als gevolg hiervan is het mogelijk geworden om te verkennen in ongekend detail de invloed van een breed scala van fysische parameters op verschillende stadia van drop impact en een systematische vergelijking experiment en theorie 5,13-16. Bijvoorbeeld, het klateren transitie in Newtoniaanse vloeistoffen was found door atmosferische druk 5 in te stellen, terwijl de intrinsieke reologie beslist de verspreiding dynamiek van de yield stress vloeistoffen 17.
Hier een eenvoudige maar krachtige snel beeldvormende techniek wordt geïntroduceerd en toegepast om de impact dynamiek van twee soorten niet-Newtoniaanse vloeistoffen bestuderen: vloeibare metalen en dicht op elkaar gepakt schorsingen. Bij blootstelling aan lucht, in hoofdzaak alle vloeibare metalen (behalve kwik) zal ontwikkelen spontaan een oxidehuid op het oppervlak. Mechanisch, wordt de huid gevonden effectieve oppervlaktespanning en bevochtigend vermogen van de metalen 18 wijzigen. In een eerdere paper 15, een aantal van de auteurs bestudeerden de verspreiding proces kwantitatief en waren in staat om uit te leggen hoe het skin-effect beïnvloedt de impact dynamiek, met name de schaal van de maximale verspreiding radius met impact parameters. Aangezien vloeibaar metaal heeft een hoge oppervlakte reflectie, is een zorgvuldige aanpassing van de verlichting nodig is in de beeldvorming. Schorsingen van eenre uit kleine deeltjes in een vloeistof. Zelfs voor eenvoudige Newtoniaanse vloeistoffen, de toevoeging van deeltjes leidt tot niet-Newtons gedrag dat wordt vooral uitgesproken dichte suspensies, dwz bij hoge volumefractie van zwevende deeltjes. Vooral, het begin van spatten wanneer een schorsing druppel raakt een glad, hard oppervlak werd onderzocht in het eerdere werk 16. Zowel vloeistof-deeltjes en interacties tussen de deeltjes kan het spatten gedrag aanzienlijk veranderen van wat kan worden verwacht van eenvoudige vloeistoffen. Deeltjes zo klein als 80 urn in deze experimenten een hoge ruimtelijke resolutie nodig volgen.
Een combinatie van verschillende technische eisen zoals hoge temporele en ruimtelijke resolutie, plus de mogelijkheid voor het observeren van de effecten, zowel van de zijkant en van onderen, kunnen allemaal tevreden zijn met de beeldvorming setup hier beschreven. Door het volgen van een standaard protocol, hierna beschreven, kan het effect dynamica invesden onderzocht, op een gecontroleerde manier, zoals expliciet getoond voor het verspreiden en opspattend gedrag.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschillende stappen zijn van cruciaal belang voor een goede uitvoering van de snelle beeldvorming. Ten eerste camera en de lens moet goed ingesteld en gekalibreerd. In het bijzonder om hoge ruimtelijke resolutie te krijgen, de reproductie van de lens moet dicht bij 01:01 gehouden. Dit is vooral belangrijk voor de visualisatie van dichte suspensies. Ook het diafragma moet zorgvuldig worden gekozen beeldvorming. Bijvoorbeeld, observatie van de kant in het algemeen vereist een langere scherptediepte, dus kleiner diafragm…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dankzij Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin en Michelle Driscoll voor vele nuttige discussies en Qiti Guo voor hulp bij de voorbereiding van experimentele monsters. Dit werk werd ondersteund door MRSEC programma van de National Science Foundation onder 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).
