快速成像技术来研究非牛顿流体的跌落冲击动力学

摘要

的非牛顿流体压降的影响是一个复杂的过程，因为不同的物理参数在很短的时间（毫秒的不到十分之一）影响的动态。一种快速成像技术以表征不同的非牛顿流体的冲击行为引入。

摘要

在流体力学领域，许多动力学过程，不仅发生在一个很短的时间间隔，但也需要高空间分辨率的详细观测，场景，使其具有挑战性，观察其与传统的成像系统。其中之一是液体的落下冲击，这通常在毫秒的十分之一发生。为了应对这一挑战，快速成像技术被引入，结合了高速摄像机（可高达每秒一百万帧）的微距镜头具有长工作距离，使图像的空间分辨率降低到10微米/像素。成像技术使得相关的流体动力学数量时，如流场，扩散距离和飞溅速度的精确测量，从所记录的视频的分析。为了证明这种可视化系统的功能，当非牛顿流体液滴撞击到坚硬的平面上的冲击动力学是characterized。两种情况考虑：对于氧化液态金属液滴我们专注于传播行为，并密密麻麻悬浮我们判断飞溅的发生。更一般地，在这里介绍了高时空分辨率的成像相结合的优势，提供跨多种微尺度现象研究快速动态。

引言

落锤冲击到固体表面是在涉及电子制造^1，喷涂^2，和添加剂制造使用喷墨打印^3,4，其中下降的精确控制扩散和飞溅需要许多应用中的关键过程。然而，直接观察的下落冲击，原因有二技术上具有挑战性。首先，这是发生的时间尺度内过短（约100微秒），也可以通过常规的成像系统，如光学显微镜和数码单反相机容易想像，一个复杂的动态过程。闪光照相罐的过程图像快得多，但不允许进行连续记录，根据需要为随时间的演变的详细的分析。第二，引起不稳定性的影响的长度规模可以小到10微米^5。因此，定量研究的影响过程，结合超快成像以及合理的高空间分辨率的系统往往是所需。如果没有这样的制度，对液滴撞击早期的工作主要集中在^6-8冲击后，全球的几何变形，但无法收集有关早期信息，以影响相关的非平衡过程，如飞溅的发作。在流体中^9,12中的CMOS高速摄像的最新进展，推动了帧速率最高可达百万fps和曝光时间下低于1微秒。此外，新开发的CCD成像技术可以推动帧速率远高于百万FPS ^9-12。另一方面空间分辨率，可提高到使用放大镜¹² 1微米/像素的顺序。因此，它已成为可能的空前细致的探讨范围广泛的物理参数对压降的影响不同阶段的影响，并系统地比较实验和理论^5,13-16。例如，在牛顿流体飞溅转变是缶次由大气压力⁵进行设置，而本征的流变决定的屈服应力流体¹⁷的扩展动态。

这里提供一个简单但功能强大的快速成像技术被引入并应用于研究两种类型的非牛顿流体的冲击动力学：液态金属和密密麻麻的悬浮液。与暴露于空气中，基本上所有的液体金属（汞除外）会自发形成在其表面上的氧化皮。机械地，皮肤被发现以改变有效的表面张力和金属¹⁸的润湿能力。在过去的研究^15，几个作者的研究传播过程定量，并能解释趋肤效应影响冲击动力学，与碰撞参数的最大扩散半径，特别是缩放。因为液态金属具有高的表面反射率，仔细调整照明的需要在成像。停学一再在液体组成的小颗粒。即使是简单的牛顿 ​​流体，增加了粒子效果在非牛顿流体特性，成为在密集的悬浮液， 即在悬浮颗粒的高体积分数尤为突出。特别是，在发病飞溅时悬挂液滴撞击光滑，坚硬的表面，研究了以前的工作^16。这两种液体粒子与粒子间的相互作用可以从什么可能从简单的液体预期显著改变飞溅的行为。来跟踪颗粒小至80微米的在这些实验中，需要很高的空间分辨率。

各种技术要求，如高时空分辨率，以及对观察无论是从侧面和下方的影响的能力的组合，都可以满意这里所描述的成像设置。通过以下的标准协议，如下所述，冲击动力学可以是不变拟tigated以受控的方式，以明确示出用于扩展和飞溅的行为。

研究方案

1。快速成像设置（参见图1）

1. 首先设置一个垂直轨道沿该容器充满了被研究的流体可以自由移动，以调节冲击速度。流体离开该容器的底部通过一喷嘴，然后进入自由落下。对这项工作的下落高度从1-200厘米变化，得到的冲击速度V ₀ =（0.4-6.3）±0.15米/秒。
2. 构造和安装框架保持水平冲击面，典型地为玻璃板，根据该倾斜的反射镜被定位为从底部可视化的压降的影响。
3. 将干净和光滑的玻璃板上的持有人。确保板被水平拉平。
4. 装载注射器泵上的垂直轨道。
5. 对液态金属的影响，放置一个透明纸扩散器的喷嘴，用于侧视成像的后面。同时，附加一个白色不透明纸注射器泵上，以产生反射的底部观察（ 见图1）。然后，找到喷嘴背后的光源。
6. 对于密集的悬挂冲击，没有扩散器是必要的。相反，只需将光源在成像平面的前面。
7. 用适当的焦距为所需的放大倍率和光学工作距离选择微距镜头。然后，镜头连接到相机上。
8. 将相机固定到三脚架和相机调整根据成像的角度（侧面或底部）的高度。

2。样品制备

1. 氧化的金属液的制备
   1. 店铺镓 - 铟共晶（EGAIN）在密封容器中。由于其熔点温度大约为15℃，EGAIN停留在液体状态在室温下进行。
   2. 用移液管提取3毫升EGAIN从容器和其拉伸到一个亚克力板。等待30分钟的样品在空气中被完全氧化。作为一名conseque考，薄薄的一层皱纹的氧化皮完全覆盖样品表面。
   3. 用盐酸（HCl，“注意”）不同浓度的预洗到的EGAIN样品和控制表面氧化。具体地说，剪切样品，而这是在酸浴，在60秒^-1的剪切速率与流变仪。后剪切10分钟后，将样品中的表面氧化的电平达到平衡时，通过盐酸浓度^15,18设置。
   4. 这个预洗后，用塑料注射器用塑钢尖吸嘴，从浴中提取EGAIN。
   5. 安装到注射器注射泵和准备实验。
2. 密集悬浮液的制备
   1. 切断商用注射器（4.5毫米或2.3毫米的半径）的端部，并用它作为圆柱形管用于分配的稠密的悬浮液。
   2. 拉回活塞和装满水的注射器一路的开口端，进行SURE没有气泡夹带。
   3. 把球形的ZrO ₂或玻璃珠入注射器。与颗粒的沉淀，将水从喷嘴洒出。用颗粒填充注射器一路的开口端。受堵塞在重力作用下。
   4. 用剃刀刀片从顶部移除多余的湿颗粒，以保持为此持平。
   5. 翻转喷嘴把它安装到注射泵。表面张力将防止粒子脱落^16。

3。校准

之前收集视频，成像设备的参数必须设置和照明对准已被完成。此外，空间分辨率需要校准。

1. 启动注射泵以20毫升/小时的速度从喷嘴压出的流体（液体金属或悬浮液）。
2. 等待流体从注射器分离，形成的压降和秋季f以使测试影响到玻璃基板上。
3. 调整相机的位置，包括它的垂直位置和图像定位，找到图示中的电脑显示器，连接到相机。修改的工作距离，安排该图像是在焦平面时，透镜的再现比固定为1:1。
4. 改变光圈大小，曝光时间和光照角度，以获得最佳的图像质量时，帧速率足够高（> 6,000 fps）的图2（a）显示由相机拍摄对液体EGAIN和密集悬挂的典型形象。
5. 将尺子在视场（ 见图2（b））及通过计算有多少个像素跨越1厘米适合计算空间分辨率。确保有分辨率水平和垂直方向之间没有区别。
6. 遵循3个步骤来衡量密集悬挂滴堆积分数：
   1. 测量耳鼻喉科的质量冲击后愤怒图示右侧（ 例如，通过让一滴落入一个量杯，可以准确称量）。
   2. 然后，蒸发所有溶剂用加热器，并再次称重该图示以获得粒子的质量。
   3. 计算颗粒和液体的体积来获得堆积分数。通常，该体积分数应为60％左右。
7. 根据观察方向（底部或侧部），适当地定位相机。特别是，把旁边的基材为侧视图或在反射镜底部成像的同样水平的照相机。

4。视频录制和数据采集

1. 成像校准后，重新启动注射泵。在同一时间，打开相机控制软件监控的影响的过程。
2. 设置后触发帧号在大约一半的视频长度。仔细观察当下降开始形成并手动trig的GER将相机对准拍摄瞬间跌落分离从喷嘴。数据记录之前执行一些实践的检验。
3. 后的数据被记录时，修剪下来的视频包含冲击的部分，并保存视频作为分析图像序列。

5。图像后处理及分析

1. 使用边界检测方法来定位液体EGAIN的移动前，因为它的传播，其对应于平均像素值的急剧过渡（参见图3（A，B））。
2. 无论从底部和侧面图像，确定飞溅发病密集暂停。
3. 进行粒子跟踪算法来获取从图示转义（参见图3（c））的单个颗粒的痕迹。然后，计算出从该轨迹的喷射速度（ 图3（d））。

结果

在快速成像技术可以被用于量化扩频和飞溅的各种影响的情况。 图4（a）中 ，例如，示出了具有不同氧化皮强度为液体EGAIN典型影响图像序列。通过从相同的喷嘴，并在同一高度落下喷射EGAIN，液滴具有可重复的冲击速度V ₀ = 1.02±0.12米/秒和半径R ₀ = 6.25±0.10毫米的生成。左栏显示的空气氧化EGAIN下降，酸不预洗的影响。形成一条长尾巴在下落的顶端，当流体从喷嘴分离...

讨论

几个步骤是为快速成像的正确执行是至关重要的。首先，照相机和透镜必须进行适当的设置和校准。特别是，为了得到高的空间分辨率，该透镜的复制比例必须保持接近1:1。这是致密混悬剂的可视化特别重要。另外，孔径大小需要慎重选择用于成像。例如，观测从总体上侧需要一个较长的景深，因此较小的光圈尺寸。以保持视频的亮度，需要增加曝光时间，从而降低帧速率（〜6000帧）。相比之下...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gallium-Indium Eutectic	Sigma Aldrich	495425-25G
Hydrochloric Acid	Sigma Aldrich	320331-2.5L
Zirconium oxide	Glen Mills Inc.	7200
Phantom V12 and V7 Fast Ccamera	Vision Research	N/A
105 mm Micro-Nikon	Nikon	N/A
12 V / 200 W light Source	Dedolight	N/A
Syringe Pump	Razel	MODEL R9-9E