非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法
Summary
非ニュートン流体の落下衝撃異なる物理パラメータは非常に短い時間（ミリ秒の10分の1以下）を介して動力学に影響を与えるため、複雑なプロセスである。速いイメージング技術は、異なる非ニュートン流体の衝撃挙動を特徴付けるために導入される。
Abstract
流体力学の分野では、多数の動的プロセスは、非常に短い時間間隔で発生するだけでなく、詳細観察用の高空間分解能、従来の撮像システムで観察することが難しくするシナリオを必要とするだけでなく。これらの一つは、通常、ミリ秒の十分の一の中に起こる液体の落下衝撃である。この課題に取り組むために、高速撮像技術は上/下10μmの画像の空間分解能を持って来るために長作動距離を持つマクロレンズと高速カメラ（毎秒百万のフレームが可能）を組み合わせたものが導入されているピクセル。イメージング技術は、記録された映像の分析から、このような流れ場、拡散距離と飛散速度などの関連する流体力学量の正確な測定を可能にします。この可視化システムの能力を実証するために、非ニュートン流体の液滴が平らな硬い表面に衝突衝撃力学characteあるrized。二つの状況が考慮されています。酸化した液体金属の液滴のために我々は拡散挙動に着目し、高密度に充填された懸濁液のために我々は飛散の開始を決定する。より一般的には、ここで紹介する高い時間·空間分解能イメージングの組み合わせは、マイクロスケールの現象の幅広い高速のダイナミクスを研究するための利点を提供しています。
Introduction
固体表面への落下衝撃は、液滴の正確な制御は、拡散及び飛散が所望される3,4、インクジェット印刷を用いた電子製造1、スプレーコーティング2、および付加製造を含む多くの用途において重要なプロセスである。ただし、落下衝撃の直接観察は、2つの理由で技術的に困難である。まず、例えば、光学顕微鏡やデジタル一眼レフカメラなどの従来の画像化システムによって容易に結像される（〜100μ秒）が短すぎる時間スケール内で起こる複雑な動的なプロセスである。フラッシュ撮影のはるかに高速コースの画像のことができますが、時間の経過とともに進化の詳細な分析のために必要に応じて、連続記録を可能にしない。第二に、衝撃の不安定性によって誘発される長さスケールは、10μm5と小さくすることができる。したがって、定量的に合理的に高い空間分解能とともに超高速イメージングを組み合わせたシステムであることが多い衝撃プロセスを研究する希望。そのようなシステムが存在しない場合には、液滴の影響に関する初期の研究は、インパクト6-8の後、主に世界的な幾何変形に焦点を当てますが、このような飛散の開始などの影響に関連した非平衡プロセス、早い時間に関する情報を収集することができませんでした。流体9,12のCMOS高速ビデオ撮影の最近の進歩により、ダウン1秒以下に百万FPSと露光時間を最大フレームレートをプッシュしている。さらに、新開発のCCD撮像技術は、百万FPS 9月12日の上にフレームレートをプッシュすることができます。一方、空間分解能は、拡大レンズ12を用いて、1ミクロン/ピクセルのオーダーまで高めることができる。その結果、今までにない詳細に落下衝撃の様々な段階での物理的パラメータの広い範囲の影響を探索するために系統的実験と理論5,13-16を比較することが可能となった。例えば、ニュートン流体における飛沫転移が酔っていた固有のレオロジーは、降伏応力流体17の拡散動力学を決定しながら、ndは、大気圧5によって設定される。
ここではシンプルで強力な高速なイメージング技術を導入し、衝撃非ニュートン流体の2種類の動力学的研究に適用されます。液体金属と密に充填された懸濁液。空気に触れると、本質的に（水銀を除く）全ての液体金属は、自然発生的に、その表面に酸化皮膜を開発します。機械的に、皮膚は、有効な表面張力と金属18の濡れ性を変化させることが見出されている。前報15では、著者のいくつかを定量的に拡散処理を研究し、表皮効果が影響力学、衝突パラメータを持つ最大の拡散半径の特にスケーリングをどのように影響するかを説明することができました。液体金属は、高い表面反射率を有するので、照明の慎重な調整が撮像に必要とされる。サスペンションA再液体中の小さな粒子からなる。単純なニュートン液体のために、特に密集懸濁液中で顕著となる非ニュートン挙動における粒子の結果、の添加は、懸濁粒子の高い体積分率で、すなわち 。特に、飛散の開始サスペンション滴が滑らかで硬い表面に衝突し、前作16で研究した。両方の液体粒子と、粒子間の相互作用は、単純な液体から予想されるものとは大幅に飛散の動作を変更することができます。高い空間分解能が必要とされるこれらの実験では80程度と小さい粒子を追跡する。
このような高い時間および空間分解能、プラス側からと下からの両方の影響を観察するための能力のような様々な技術的要件の組み合わせは、すべてここに記載の撮像設定に満足させることができる。標準的なプロトコルに従うことにより、後述するように、インパクトのダイナミクスは、投資家であることができる行動を広げ、はねのために明示的に示すように、制御された方法でtigated。
Protocol
Representative Results
Discussion
いくつかのステップは、高速撮像を適切に実行するために重要である。まず、カメラとレンズを適切に設定してキャリブレーションする必要があります。特に、高空間分解能を得るために、レンズの再生比は1:1に近く保たれなければならない。これは密な懸濁液の可視化のために特に重要である。また、開口の大きさを慎重にイメージングのために選択される必要がある。例えば、一般的に?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
実験試料を準備のヘルプのための多くの有用な議論とQiti郭のためウェンディ張、ルークルベルス、マルクMiskinとミシェルドリスコルに感謝します。この作品は、助成金番号DMR-0820054の下で国立科学財団のMRSECプログラムによってサポートされていました。
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
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