Hurtig Imaging teknik til at undersøge Drop Impact Dynamics af ikke-newtonske væsker
Summary
Drop virkningen af ikke-newtonske væsker er en kompleks proces, da forskellige fysiske parametre påvirke dynamikken i en meget kort tid (mindre end en tiendedel af et millisekund). En hurtig billeddannelse teknik er indført for at karakterisere den indvirkning adfærd af forskellige ikke-newtonske væsker.
Abstract
Inden for fluidmekanik, mange dynamiske processer, som ikke kun ske over en meget kort tidsinterval, men også kræver høj rumlig opløsning til detaljeret observation, scenarier, der gør det udfordrende at observere med konventionelle billeddannende systemer. En af disse er den dråbe indvirkning af væsker, hvilket normalt sker inden for en tiendedel af millisekund. For at tackle denne udfordring, er en hurtig billedbehandling teknik introduceret, der kombinerer en høj hastighed kamera (i stand til op mod en million billeder per sekund) med et makroobjektiv med lang arbejdsafstand at bringe den rumlige opløsning af billedet ned til 10 mM / pixel. De billeddannende teknik muliggør præcis måling af relevante fluid dynamiske mængder, såsom flow feltet spredning afstand og sprøjt hastighed, fra analyse af den optagede video. For at demonstrere mulighederne i denne visualisering system, indvirkning dynamik når dråber af ikke-newtonske væsker kolliderer med en flad hård overflade er karakrized. To situationer betragtes: for oxiderede flydende metal dråber fokuserer vi på at udbrede adfærd, og for tætpakkede suspensioner vi bestemme debut af sprøjt. Mere generelt kombinationen af høj tidslig og rumlig billeddannelse opløsning introduceret her giver fordele for at studere hurtige dynamik på tværs af en bred vifte af mikroskala fænomener.
Introduction
Drop indvirkning på en fast overflade er en vigtig proces i mange anvendelser, der involverer elektronisk fabrikation 1, spray coating 2, og tilsætningsstof fremstillingsindustrien hjælp inkjet printning 3,4, hvor en præcis styring af drop breder og sprøjt er ønsket. , Direkte observation af drop virkning er imidlertid teknisk udfordrende af to grunde. For det første er en indviklet dynamisk proces, der forekommer inden for en tidsramme for korte (~ 100 mikrosekunder), der skal afbildes let ved konventionelle billeddannende systemer, såsom optiske mikroskoper og DSLR kameraer. Flash fotografering kan naturligvis billedet meget hurtigere, men giver ikke mulighed for kontinuerlig optagelse, som kræves til detaljeret analyse af udviklingen med tiden. For det andet kan længdeskala induceret af konsekvenserne ustabilitet være så små som 10 um 5. Derfor er kvantitativt undersøge konsekvenserne proces et system, der kombinerer ultrahurtig billeddannelse sammen med rimelig høj rumlig opløsning er ofteønskes. I mangel af et sådant system, tidlige arbejde på dråbe indvirkning mest fokuseret på den globale geometriske deformation efter sammenstødet 6-8, men var ude af stand til at indsamle oplysninger om den tidlige tid, uligevægtsfænomener processer i forbindelse med konsekvenser såsom udbrud af sprøjt. Nylige fremskridt i CMOS høj hastighed videography af væsker 9,12 har skubbet frame rate på op til en million fps og eksponeringstider ned under 1 usek. Desuden kan nyudviklede CCD imaging teknikker skubbe frame rate godt over en million fps 9-12. Rumlig opløsning på den anden side, kan øges til i størrelsesordenen 1 um / pixel ved hjælp af forstørrelsesglas 12. Som følge heraf er det blevet muligt at udforske i hidtil usete detaljer indflydelse af en bred vifte af fysiske parametre på forskellige stadier af drop virkning og systematisk sammenligne eksperiment og teori 5,13-16. For eksempel sprøjt overgang i newtonske væsker var found skal fastsættes af atmosfære tryk 5, mens den indre rheologi beslutter spreading dynamik udbytte-stress væsker 17.
Her er en simpel endnu kraftfulde hurtig billedbehandling teknik introduceres og anvendes til at undersøge konsekvenserne dynamikken i to typer af ikke-newtonske væsker: flydende metaller og tætpakkede suspensioner. Med eksponering for luft, hovedsageligt alle flydende metaller (undtagen kviksølv), vil spontant udvikle en oxid hud på deres overflade. Mekanisk, huden anset for at ændre effektiv overfladespænding og befugtningsevne af metallerne 18. I en tidligere papir 15, flere af forfatterne studeret sprede processen kvantitativt og var i stand til at forklare, hvordan huden effekt påvirker virkningen dynamik, især skalering af den maksimale sprede radius med impact parametre. Da flydende metal har en høj overflade refleksivitet, kræves omhyggelig justering af belysning i billeddannelse. Karantæner enre sammensat af små partikler i en væske. Selv for simple newtonske væsker, tilsætning af partikler medfører ikke-newtonsk adfærd, som bliver særligt udtalt i tætte suspensioner, dvs ved høj lydstyrke brøkdel af suspenderede partikler. Især blev indtræden af sprøjt, når en suspension dråbe rammer en glat, hård overflade undersøgt i tidligere arbejde 16. Både væske-partikel og inter-partikel vekselvirkninger kan ændre sprøjt adfærd væsentligt fra, hvad der kan forventes fra simple væsker. Hvis du vil spore partikler så små som 80 um i disse eksperimenter er behov for en høj rumlig opløsning.
En kombination af forskellige tekniske krav, såsom høj tidslig og rumlig opløsning, plus evnen til at observere påvirkninger både fra siden og fra neden, kan alle være tilfredse med imaging setup beskrevet her. Ved at følge en standard-protokol, der er beskrevet nedenfor, kan virkningen dynamik være undersøtigated på en kontrolleret måde, som vist udtrykkeligt til at sprede og sprøjt adfærd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flere trin er afgørende for korrekt udførelse af den hurtige billeddannelse. Først kameraet og linsen skal være passende indstillet og kalibreret. Især med henblik på at få høj rumlig opløsning, gengivelsesforholdet af linsen skal holdes tæt til 1:1. Dette er især vigtigt for visualisering af tætte suspensioner. Desuden skal størrelsen blænden omhyggeligt udvalgt til billeddannelse. For eksempel, observation fra siden i almindelighed kræver længere dybdeskarphed derfor mindre maskestørrelse. For at opre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Tak til Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin og Michelle Driscoll til mange nyttige diskussioner og Qiti Guo for hjælp med at forberede eksperimentelle prøver. Dette arbejde blev støttet af National Science Foundations MRSEC program under Grant No DMR-0.820.054.
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).
