비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술
Summary
다른 물리적 매개 변수를 매우 짧은 시간 (밀리 초 미만의 제 10 호)에 역학에 영향을 미치는 때문에 비 뉴톤 유체의 낙하 충격은 복잡한 과정이다. 빠른 이미징 기술은 다른 비 뉴턴 유체의 영향 행동을 특성화하기 위해 도입된다.
Abstract
유체 역학의 분야에서, 많은 동적 프로세스는 매우 짧은 시간 간격 동안 발생할뿐만 아니라, 상세한 관찰 높은 공간 해상도, 종래의 촬상 시스템으로 관찰하는 것이 어려운 상황을 만들 필요 아닙니다. 이들 중 하나는 통상의 10 밀리 초 이내에 일어나는 액체의 낙하 충격이다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 고속 이미징 기술은 위 / 아래 10 ㎛으로 화상의 공간 해상도를 가지고 긴 작동 거리를 갖는 매크로 렌즈로 고속 카메라 (초당 백만 프레임 능력)을 결합한 도입된다 픽셀. 이미징 기술은 녹화 된 비디오의 분석으로부터, 같은 유동장, 확산 거리와 튀는 속도와 같은 관련 유체 다이내믹 수량의 정확한 측정을 가능하게한다. 이 시각화 시스템의 기능을 설명하기 위해, 비 뉴톤 유체의 물방울을 평면 딱딱한 표면에 충돌 충격 역학 characte입니다음 공인. 두 가지 상황이 고려되어 산화 된 액체 금속 방울에 우리는 확산 문제에 집중하고, 조밀하게 현탁액을 위해 우리는 튀는의 개시를 결정합니다. 일반적으로, 여기에서 소개 높은 공간적 이미지 해상도의 조합은 마이크로 현상의 넓은 범위에 걸쳐 빠른 역학을 공부 이점을 제공합니다.
Introduction
고체 표면에 영향을 드롭 드롭의 정밀한 제어가 확산 튀는를 원하는 3,4 인쇄 잉크젯을 사용하여 전자 제조 1, 스프레이 코팅 2 및 첨가제 제조와 관련된 많은 응용 프로그램의 핵심 과정이다. 그러나, 낙하 충격의 직접적인 관찰은 두 가지 이유에 대한 기술적 도전이다. 첫째, 시간 척도 내에서 광 현미경 및 DSLR 카메라와 같은 기존의 영상 시스템에 의해 쉽게 이미지화하기에 너무 짧은 (~ 100 마이크로 초)를 발생하는 복잡한 역동적 인 과정이다. 플래시 촬영을 훨씬 더 빨리 물론 이미지의 수 있지만, 시간의 진화에 대한 자세한 분석을 위해 필요에 따라, 연속 촬영을 허용하지 않습니다. 둘째, 충격 불안정성에 의해 유도 된 길이 치수는 10 ㎛ 5만큼 작을 수있다. 따라서 정량적 영향 프로세스에게 합리적으로 높은 공간 해상도와 함께 초고속 영상을 결합하는 시스템을 연구하는 것은 종종원하는. 이러한 시스템에 미치는 영향 6-8 이후 글로벌 기하학적 인 변형에 주로 초점을 맞추고 있지만, 이러한 튀는의 발병 같이 이른 시간에 대한 정보, 영향과 관련된 비평 프로세스를 수집 할 수 없습니다 물방울의 영향에 대한 초기 작업의 부재. 유체 9,12의 CMOS 고속 비디오 그래피의 최근 발전은 아래로 1 마이크로 초 이하 만 FPS와 노출 시간에 최대 프레임 속도를 추진해 왔습니다. 또한, 새롭게 개발 된 CCD 촬상 기술은 잘 백만 FPS 9-12 상기 프레임 속도를 밀 수있다. 반면에, 공간적 해상도는 확대 렌즈 (12)를 이용하여 1 μM / 화소의 순서로 증가 될 수있다. 결과적으로, 그것은 전례가없는 세부 사항에서 낙하 충격의 다양한 단계의 물리적 매개 변수의 넓은 범위의 영향을 탐구하고 체계적으로 실험과 이론 5,13-16을 비교할 수있게되었다. 예를 들어, 뉴턴 유체에 튀는 전환 fou를했다고유의 레올 로지 수율 스트레스 유체 (17)의 확산 역학을 결정하는 동안 차, 분위기 압력 5로 설정합니다.
여기에 간단하면서도 강력한 고속 영상 기술 도입과 충격 비 뉴톤 유체의 두 가지 유형의 역학 연구에 적용된다 : 액체 금속 및 밀집 현탁액. 공기에 노출되면, 기본적으로 (수은 제외) 모든 액체 금속은 자발적으로 자신의 표면에 산화물 피부를 개발할 것입니다. 기계적 피부 효과, 표면 장력 및 금속 (18)의 젖음성을 변화하는 것으로된다. 이전 글 (15), 저자의 몇 가지 정량적으로 확산 과정을 공부하고 피부 효과에 미치는 영향 역학, 충격 매개 변수를 사용하여 최대 확산 반경 특히 스케일링에 영향을 미치는 방법을 설명 할 수 있었다. 액체 금속은 높은 표면 반사율을 갖고 있기 때문에, 조명에주의 조정 촬상 요구된다. 정학의액체의 작은 입자로 구성 다시. 심지어 간단한 뉴턴 액체, 특히 부유 입자의 높은 볼륨의 일부에, 즉 고밀도 현탁액에 발음됩니다 비 뉴톤 행동, 입자의 결과를 추가. 특히, 튀는의 발병 현탁액 방울 부드러운 하드 표면 안타 전작 16에서 공부했다. 액체 입자와 입자 간 상호 작용은 모두 간단한 액체에서 예상했던 것과 크게 튀는 동작을 변경할 수 있습니다. 높은 공간 해상도가 필요합니다이 실험에서 80 μm의 한 작은 입자를 추적 할 수 있습니다.
이러한 높은 공간적 해상도를 제공하며 측면에서 아래에서 모두 영향을 관찰하는 기능 등 다양한 기술 요구 사항의 조합은, 모두 여기에 설명 된 이미지 설정에 만족 될 수있다. 표준 프로토콜에 따라, 아래에 설명, 충격 역학 inves에 할 수있다퍼짐 거동 및 스플래쉬에 대해 명시 적으로 도시 된 바와 같이, 제어 된 방식으로 tigated.
Protocol
Representative Results
Discussion
몇 가지 단계가 빠른 영상의 적절한 실행을 위해 중요하다. 우선, 카메라와 렌즈를 적절하게 설정하고 교정해야합니다. 특히, 높은 공간 해상도를 얻기 위하여, 렌즈의 재생 비율은 1:1 내지 부근에 유지되어야한다. 이 조밀 한 현탁액의 시각화를 위해 특히 중요합니다. 또한, 개구의 크기가주의 깊게 촬상을 위해 선택 될 필요가있다. 예를 들어, 일반적으로 측면에서 관찰 필드의 더 깊이, 따라서 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
실험 샘플을 준비에 대한 도움말은 많은 유용한 토론과 Qiti 구오에 대한 웬디 장, 루크 루버스, 마크 미 스킨과 미셸 부장님 감사합니다. 이 작품은 그랜트 번호 DMR-0820054 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 MRSEC 프로그램에 의해 지원되었다.
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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