JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تأثير انخفاض السوائل غير النيوتونية هي عملية معقدة منذ المعلمات المادية المختلفة تؤثر على ديناميات على مدى فترة زمنية قصيرة جدا (أقل من عشر من ميلي ثانية واحدة). يتم إدخال تقنية التصوير السريع من أجل توصيف سلوكيات تأثير مختلف السوائل غير النيوتونية.

Abstract

في مجال ميكانيكا السوائل، والعديد من العمليات الديناميكية تحدث ليس فقط على مدى فترة زمنية قصيرة جدا ولكن أيضا تتطلب قرار مكانية عالية للمراقبة مفصلة، ​​والسيناريوهات التي تجعل من التحدي لمراقبة مع أنظمة التصوير التقليدية. واحد من هذه هو تأثير انخفاض السوائل، والذي يحدث عادة في غضون عشر من ميلي ثانية واحدة. لمعالجة هذا التحدي، هو عرض تقنية التصوير السريع الذي يجمع بين كاميرا عالية السرعة (قادرة على ما يصل إلى مليون لقطة في الثانية) مع عدسة الماكرو مع مسافة عمل طويلة لجلب القرار المكانية من الصورة وصولا الى 10 ميكرون / بكسل. تقنية التصوير تمكن قياس دقيق لكميات السوائل الحيوية ذات الصلة، مثل مجال تدفق، والمسافة وسرعة انتشار الرش، من تحليل الفيديو المسجل. للتدليل على قدرات هذا النظام التصور، وديناميات التأثير عندما قطرات من السوائل غير النيوتونية تؤثر على سطح صلب مسطح هي شخصيتrized بين. تعتبر حالتين: للأكسدة قطرات المعدن السائل ونحن نركز على سلوك الانتشار، وللتعليق المكتظ نحدد بداية الرش. أكثر عموما، فإن الجمع بين التصوير القرار الزمانية والمكانية عالية أدخلت هنا يوفر مزايا لدراسة ديناميكية سريعة عبر مجموعة واسعة من الظواهر الميكروسكيل.

Introduction

إسقاط أثر على سطح صلب هو عملية أساسية في العديد من التطبيقات التي تنطوي على افتراء الالكترونية 1، 2 رذاذ الطلاء، والمضافات التصنيع باستخدام الطباعة النافثة للحبر 3،4، حيث مراقبة دقيقة من هبوط نشر والرش هو المطلوب. ومع ذلك، الملاحظة المباشرة للتأثير انخفاض يمثل تحديا تقنيا لسببين. الأول، هو عملية ديناميكية معقدة الذي يحدث داخل فترة زمنية قصيرة جدا (~ 100 μsec) ليتم تصويرها بسهولة عن طريق نظم التصوير التقليدية، مثل المجاهر البصرية وكاميرات DSLR. فلاش التصوير يمكن من الصورة بالطبع أسرع بكثير، ولكن لا تسمح لتسجيل مستمر، كما هو مطلوب لتحليل مفصل للتطور مع مرور الوقت. الثانية، ومقياس طول الناجمة عن عدم الاستقرار أثر يمكن أن تكون صغيرة مثل 10 ميكرون 5. وبالتالي، لدراسة كميا عملية تأثير النظام الذي يجمع بين التصوير فائق السرعة جنبا إلى جنب مع قرار مكانية عالية معقول في كثير من الأحيانالمطلوب. في غياب مثل هذا النظام، والعمل في وقت مبكر تأثير قطرات تركز معظمها على تشويه هندسية العالمية بعد التأثير 6-8، ولكن لم يتمكن من جمع معلومات حول وقت مبكر، والعمليات المرتبطة nonequilibrium الأثر، مثل بداية الرش. دفعت التطورات الحديثة في CMOS عالي السرعة بالفيديو من السوائل 9،12 معدل الإطار ما يصل إلى مليون إطار في الثانية ومرات التعرض الأسفل μsec 1. وعلاوة على ذلك، يمكن للتقنيات التصوير CCD وضعت حديثا دفع معدل الإطار أعلاه من مليون في الثانية 9-12. ، ويمكن زيادة القرار المكانية من ناحية أخرى لأمر 1 ميكرون / بكسل باستخدام العدسات المكبرة 12. نتيجة لذلك، فقد أصبح من الممكن لاستكشاف بتفصيل لم يسبق له مثيل تأثير مجموعة واسعة من المعلمات المادية على مراحل مختلفة من تأثير انخفاض ومقارنة منهجية التجربة والنظرية 5،13-16. على سبيل المثال، كان الانتقال تناثر السوائل النيوتونية في فوالثانية تحددها ضغط الغلاف الجوي 5، في حين تقرر الريولوجيا الجوهرية ديناميات انتشار السوائل الغلة الإجهاد 17.

هنا يتم إدخال تقنية التصوير السريع بسيطة لكنها قوية والتطبيقية لدراسة ديناميات تأثير نوعين من السوائل غير النيوتونية: المعادن السائلة والمعلقات المزدحمة بالسكان. مع التعرض للهواء، وذلك أساسا عن المعادن السائلة (باستثناء الزئبق) سوف تتطور بشكل عفوي على الجلد أكسيد على سطحها. ميكانيكيا، تم العثور على الجلد لتغيير التوتر السطحي فعالية وقدرة ترطيب المعادن 18. في ورقة سابقة 15، ودرس العديد من المؤلفين عملية نشر كميا وكانت قادرة على شرح كيفية تأثير الجلد يؤثر على ديناميكية التأثير، خصوصا التحجيم من أقصى نصف قطر الانتشار مع معلمات التأثير. منذ المعدن السائل يحتوي على نسبة عالية انعكاسية السطح، مطلوب التعديل حذرا من الإضاءة في التصوير. تعليق علىإعادة تتألف من جزيئات صغيرة في السائل. حتى بالنسبة للسوائل نيوتن بسيطة، إضافة نتائج الجزيئات في السلوك غير النيوتونية، الذي يصبح وضوحا خاصة في تعليق كثيفة، أي في جزء ارتفاع حجم الجسيمات العالقة. بشكل خاص، وقد درس بداية تناثر قطرات التعليق عندما يضرب على نحو سلس، سطح صلب في الأعمال السابقة 16. كل من الجسيمات السائل والتفاعلات بين الجسيمات يمكن تغيير سلوك الرش كثيرا عن ما يمكن توقعه من السوائل بسيطة. لتعقب جزيئات صغيرة مثل 80 ميكرون في هذه التجارب هناك حاجة لقرار مكانية عالية.

مزيج من مختلف المتطلبات التقنية مثل القرار الزماني والمكاني عالية، بالإضافة إلى القدرة على رصد الآثار سواء من الجانب ومن أدناه، يمكن أن يكون راضيا كل ذلك مع الإعداد التصوير الموصوفة هنا. باتباع بروتوكول قياسي، هو موضح أدناه، ويمكن أن يكون تأثير ديناميات التحرياتtigated بطريقة تخضع للمراقبة، كما هو موضح صراحة لنشر والرش السلوك.

Protocol

1. الإعداد التصوير السريع (انظر الشكل 1)

  1. تبدأ من خلال إنشاء عمودي على طول المسار الذي حاوية مليئة السائل لدراستها يمكن نقل بحرية لضبط سرعة التأثير. السائل يترك الجزء السفلي من الحاويات من خلال فوهة ثم يدخل السقوط الحر. لهذا العمل وقد تباينت ذروة السقوط 1-200 سم لإعطاء تأثير السرعة V = 0 (0،4-6،3) ± 0.15 متر / ثانية.
  2. بناء وتركيب إطار لعقد الطائرة أثر أفقي، عادة ما يكون لوحة من الزجاج، والتي بموجبها يتم وضع مرآة عاكسة يميل لتصور أثر هبوط من أسفل.
  3. وضع لوحة زجاجية نظيفة وناعمة على حامل. تأكد من أن يتم تسوية وحة أفقيا.
  4. شن ضخ حقنة على المسار الرأسي.
  5. للتأثير المعدن السائل، وضع الناشر ورق شفاف وراء فوهة جانبية لعرض التصوير. في نفس الوقت، ونعلق ورقة بيضاء غير شفافة فوق ضخ حقنة لتوليدانعكاس لأسفل عرض (انظر الشكل 1). ثم، حدد موقع مصدر الضوء وراء فوهة.
  6. للتأثير تعليق الكثيفة، وليس هناك حاجة الناشر. بدلا من ذلك، مجرد مكان مصدر الضوء في مقدمة الطائرة التصوير.
  7. حدد عدسة الماكرو مع البعد البؤري المناسب لالتكبير المطلوب ومسافة العمل البصرية. بعد ذلك، ربط العدسة إلى الكاميرا.
  8. تركيب كاميرا على حامل ثلاثي القوائم وضبط ارتفاع الكاميرا وفقا لمنظور التصوير (الجانب أو أسفل).

2. تحضير العينة

  1. إعداد أكسدة المعدن السائل
    1. متجر الغاليوم، الإنديوم سهل الانصهار (eGaIn) في حاوية مغلقة. منذ درجة حرارة انصهاره حوالي 15 درجة مئوية، eGaIn يبقى في حالة سائلة في درجة حرارة الغرفة.
    2. استخدام ماصة لاستخراج 3 مل eGaIn من الحاوية وقذف وضعها على لوحة الأكريليك. انتظر 30 دقيقة للعينة أن تتأكسد تماما في الهواء. باعتبارها consequeالامتحانات التنافسية الوطنية، طبقة رقيقة من الجلد المتجعد تتأكسد يغطي كامل سطح العينة.
    3. استخدام حمض الهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوريك؛ "تنبيه") من تركيزات مختلفة لprewash العينة eGaIn وللسيطرة على أكسدة السطح. على وجه التحديد، القص العينة، أثناء وجوده في الحمام حامض، في 60 ثانية -1 معدل القص مع مقياس غلفاني. بعد 10 دقيقة من القص، ومستوى أكسدة السطح في العينة تصل إلى التوازن، التي وضعتها تركيز حمض الهيدروكلوريك 15،18.
    4. بعد هذا prewash، استخدم حقنة بلاستيكية مع طرف فوهة الصلب لاستخراج eGaIn من الحمام.
    5. جبل المحقنة إلى ضخ حقنة وتكون جاهزة للتجربة.
  2. إعداد معلقات كثيفة
    1. تقطع نهاية حقنة التجارية (4.5 ملم أو 2.3 ملم في دائرة نصف قطرها) واستخدامه بمثابة أنبوب أسطواني للاستغناء عن تعليق الكثيفة.
    2. سحب المكبس وملء المحاقن مع المياه على طول الطريق إلى نهاية مفتوحة، مما يجعل لياليلدى عودتهم ليس هناك فقاعة الهواء مجرور.
    3. وضع كروية ZrO 2 أو الخرز الزجاجي في حقنة. مع الترسيب من الجسيمات، وسوف تمتد إلى المياه من الفوهة. ملء المحاقن مع الجسيمات على طول الطريق إلى نهاية مفتوحة. سوف تعليق مربى تحت الجاذبية.
    4. استخدام شفرة حلاقة لإزالة جزيئات اضافية المبللة من أعلى للحفاظ على هذه الغاية مسطحة.
    5. الوجه خلال فوهة وتركيبها على ضخ حقنة. والتوتر السطحي منع الجزيئات من السقوط على الأرض 16.

3. معايرة

قبل جمع أشرطة الفيديو، والمعلمات من جهاز التصوير يجب أن يتم تعيين المحاذاة والإضاءة لابد من الانتهاء. أيضا، يحتاج القرار المكانية التي يمكن معايرتها.

  1. بدء ضخ حقنة بسرعة 20 مل / ساعة على طرد السائل (المعدن السائل أو تعليق) من فوهة.
  2. انتظر السائل لفصل من الحقنة، وشكل انخفاض وسقوطو لإحداث تأثير الاختبار على الركيزة الزجاج.
  3. ضبط موضع الكاميرا، بما في ذلك موقفها التوجه الرأسي والتصوير، للعثور على تنبيه في شاشة الكمبيوتر الذي يتصل الكاميرا. تعديل المسافة العمل لترتيب الصورة لتكون في المستوى البؤري عندما يتم إصلاح نسبة تكاثر العدسة في 1:1.
  4. تختلف حجم الفتحة، وقت التعرض وزاوية الإضاءة للحصول على أفضل جودة الصورة عند معدل الإطار عالية بما فيه الكفاية (> 6،000 إطارا في الثانية). الشكل 2 (أ) تبين الصور النمطية التي اتخذتها الكاميرا لكلا السائل eGaIn وتعليق كثيفة.
  5. وضع مسطرة في مجال الرؤية (انظر الشكل 2 (ب)) وحساب القرار المكانية عن طريق عد كم من بكسل تناسب عبر 1 سم. تأكد من وجود أي اختلاف في القرار بين الاتجاهين الأفقي والرأسي.
  6. اتباع 3 خطوات عملية لقياس جزء من التعبئة الكثيفة قطرة التعليق:
    1. قياس كتلة والأنف والحنجرةغضب الحق تنبيه بعد الأثر (على سبيل المثال عن طريق السماح سقوط قطرة في كوب القياس التي يمكن أن يكون وزنه بدقة).
    2. ثم، تتبخر كل مذيب مع سخان وتزن تنبيه مرة أخرى للحصول على كتلة الجسيمات.
    3. حساب حجم الجسيمات وسائل للحصول على جزء التعبئة والتغليف. عادة، يجب أن يكون هذا جزء حجم حوالي 60٪.
  7. وفقا لاتجاه الملاحظة (أسفل أو الجانب)، ضع الكاميرا بشكل مناسب. على وجه الخصوص، وضع الكاميرا بجانب الركيزة لعرض الجانب أو على نفس المستوى من المرآة العاكسة للتصوير أسفل.

4. تسجيل الفيديو والحصول على البيانات

  1. بعد المعايرة والتصوير، وإعادة ضخ حقنة. في نفس الوقت، فتح كاميرا مراقبة برامج لمراقبة عملية التأثير.
  2. تعيين الإطار أرقام اثار آخر في ما يقرب من نصف طول الفيديو. مشاهدة بعناية عندما يبدأ الانخفاض لتشكيل ويدويا علم حساب المثلثاتGER الكاميرا في لحظة عندما يفصل قطرة من فوهة. إجراء بعض الاختبارات الممارسة قبل تسجيل البيانات.
  3. بعد تسجيل البيانات، وتقليم أسفل الفيديو إلى الجزء الذي يحتوي على الآثار وحفظ أشرطة الفيديو وتسلسلات الصور للتحليل.

5. الصورة بعد المعالجة والتحليل

  1. استخدام أسلوب الكشف الحدود لتحديد موقع الجبهة تتحرك من السائل eGaIn كما ينتشر، والذي يتوافق مع انتقال حاد في متوسط ​​قيمة بكسل (أنظر الشكلين 3 (أ ب)).
  2. من الصور سواء القاع، والجانب، وتحديد بداية الرش التعليق الكثيفة.
  3. أداء الخوارزميات الجسيمات تتبع للحصول على آثار من الجزيئات الفردية التي هربت من تنبيه (انظر الشكل 3 (ج)). ثم، وحساب سرعة إخراج من هذه المسارات (الشكل 3 (د)).

النتائج

تقنية التصوير السريع يمكن استخدامها لقياس انتشار وتأثير الرش لسيناريوهات مختلفة. الشكل 4 (أ)، على سبيل المثال، يظهر تسلسل الصور النمطية عن أثر السائل eGaIn مع مختلف قوة الجلد أكسيد. بطرد eGaIn من نفس فوهة والوقوع في نفس الارتفاع، مع قطرات استنساخه تأثير سرعة V 0<...

Discussion

عدة خطوات حاسمة لتنفيذ السليم للتصوير بسرعة. الأولى، وكاميرا وعدسة يجب أن يتم تعيين بشكل مناسب حتى ومعايرة. على وجه الخصوص، من أجل الحصول على قرار مكانية عالية، يجب أن تبقى نسبة التكاثر للعدسة مقربة من 1:1. هذا هو المهم وخاصة بالنسبة للتصور تعليق الكثيفة. أيضا، يحتاج ح?...

Disclosures

والكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgements

بفضل يندي تشانغ، اللاعب Luuk لوبرز، مارك دريسكول مسكين وميشيل لكثير من المناقشات المفيدة وQiti قوه للمساعدة في إعداد العينات التجريبية. وأيد هذا العمل من قبل برنامج المؤسسة الوطنية للعلوم في MRSEC تحت المنحة رقم DMR-0820054.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Gallium-Indium EutecticSigma Aldrich495425-25G
Hydrochloric Acid Sigma Aldrich320331-2.5L
Zirconium oxideGlen Mills Inc.7200
Phantom V12 and V7 Fast CcameraVision ResearchN/A
105 mm Micro-NikonNikonN/A
12 V / 200 W light SourceDedolightN/A
Syringe PumpRazelMODEL R9-9E

References

  1. 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).
  2. Fukumoto, M., Huang, Y. Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface. J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).
  3. 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).
  4. Derby, B. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).
  5. Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop Splashing on a Dry Smooth Surface. Phys. Rev. Lett. 94, (2005).
  6. Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. Maximal deformation of an impacting drop. J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).
  7. Yarin, A. L. Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).
  8. Chandra, S., Avedisian, C. T. On the collision of a droplet with a solid surface. Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).
  9. Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).
  10. Thoraval, M. -. J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. Drop impact entrapment of bubble rings. J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).
  11. Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. Micro-splashing by drop impacts. J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).
  12. Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubble. Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).
  13. Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. Thin film formation during splashing of viscous liquids. Phys. Rev. E. 82, (2010).
  14. 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).
  15. Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. Impact dynamics of oxidized liquid metal drops. Phys. Rev. E. 87, (2013).
  16. Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. Splashing onset in dense suspension droplets. Phys. Rev. Lett. 111, (2013).
  17. Luu, L., Forterre, Y. Drop impact of yield-stress fluids. J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).
  21. Royer, J. R., et al. Birth and growth of a granular jet. Phys. Rev. E. 78, (2008).
  22. Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Phys. Rev. Lett. 106, (2011).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

85

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved