Schnelle Bildtechnik Tropfen Schlag Dynamik der Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten Studieren

Zusammenfassung

Tropfenaufprall der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist ein komplexer Prozess, da verschiedene physikalische Parameter beeinflussen die Dynamik in sehr kurzer Zeit (weniger als ein Zehntel einer Millisekunde). Eine schnelle Bildgebungsverfahren wird, um die Auswirkungen von verschiedenen Verhaltensweisen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu charakterisieren eingeführt.

Zusammenfassung

Auf dem Gebiet der Strömungsmechanik, viele dynamische Prozesse nicht nur über einen sehr kurzen Zeitraum auftreten, sondern erfordern auch eine hohe räumliche Auflösung für detaillierte Beobachtung, Szenarien, die es schwierig, mit konventionellen bildgebenden Systemen beobachten zu machen. Eines davon ist die Tropfenaufprall von Flüssigkeiten, die in der Regel innerhalb von einem Zehntel Millisekunde. Um dieser Herausforderung zu begegnen, ist eine schnelle Bildgebungstechnik eingeführt, die eine High-Speed-Kamera (in der Lage, bis zu einer Million Bilder pro Sekunde) kombiniert mit einem Makro-Objektiv mit großem Arbeitsabstand, die räumliche Auflösung des Bildes auf 10 um bringen / Pixel. Das bildgebende Verfahren ermöglicht eine genaue Messung der relevanten Fluiddynamikgrößen, wie dem Strömungsfeld, die Wurfweite und Spritzwasser Geschwindigkeit, aus der Analyse der aufgezeichneten Video. Um die Fähigkeiten dieses Visualisierungssystem zu demonstrieren, die Schlagdynamik, wenn Tröpfchen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten treffen auf einen ebenen, festen Oberfläche zeichRized. Zwei Situationen sind zu berücksichtigen: für oxidierte Flüssigmetalltropfen konzentrieren wir uns auf die Ausbreitungsverhalten und für dicht gepackte Suspensionen bestimmen wir die Entstehung von Spritzern. Generell ist bei der Kombination von hoher zeitlicher und räumlicher Bildauflösung hier vorge bietet Vorteile für die Untersuchung schnell Dynamik in einem breiten Spektrum von Mikro Phänomene.

Einleitung

Lassen Auswirkungen auf einer festen Oberfläche ist ein Schlüsselprozess in vielen Anwendungen, die elektronische Fertigung ^{1, 2} Spritzbeschichtung und Additive Manufacturing mit Tintenstrahldruck ^3,4, wo eine präzise Steuerung der Tropfenverteilung und Planschen ist erwünscht. Allerdings ist die direkte Beobachtung der Tropfenaufprall technisch anspruchs zwei Gründen. Erstens ist es ein kompliziertes dynamisches Verfahren, die innerhalb eines Zeitraums zu kurz (~ 100 &mgr; s) auf einfache Weise durch herkömmliche Abbildungssysteme, wie optische Mikroskope und Spiegelreflexkameras abzubildenden auftritt. Blitzfotografie Dose Bild natürlich viel schneller, aber nicht für die kontinuierliche Aufzeichnung zu ermöglichen, wie für eine detaillierte Analyse der Entwicklung mit der Zeit benötigt. Zweitens kann der Längenskala von Schlag Instabilitäten induziert so klein wie 10 um ⁵ sein. Daher ist die quantitative Untersuchung der Auswirkungen Prozess ein System, das ultraschnelle Bildgebung kombiniert mit relativ hohen räumlichen Auflösung ofterwünscht. In Abwesenheit eines solchen Systems frühen Arbeiten hauptsächlich Tröpfchen Auswirkungen sich auf die globale geometrische Verformung nach dem Aufprall ^6-8, war aber nicht in der Lage, Informationen über die frühen Zeitpunkt Nichtgleichgewichtsverfahren mit Auswirkungen verbunden sind, wie dem Auftreten von Spritzwasser zu sammeln. Jüngste Fortschritte in der High-Speed-CMOS-Videografie von Flüssigkeiten ^9,12 haben die Bildrate bis zu einer Million Bildern pro Sekunde und Belichtungszeiten bis unter 1 Mikrosekunden gedrückt. Darüber hinaus können neu entwickelte CCD-Imaging-Techniken die Bildrate deutlich über eine Million ^9-12 fps zu drücken. Die räumliche Auflösung auf der anderen Seite, können in der Reihenfolge von 1 um / Pixel mit Vergrößerungslinsen ¹² erhöht werden. In der Folge ist es möglich geworden, um in bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen den Einfluss einer Vielzahl von physikalischen Parametern auf verschiedenen Stadien der Dropdown Auswirkungen und systematisch zu vergleichen Experiment und Theorie ^5,13-16. Zum Beispiel die Übergangs Spritzwasser in Newtonschen Flüssigkeiten war Found durch Atmosphärendruck ⁵ eingestellt werden, während die Eigen Rheologie entscheidet die Dynamik der Ausbreitung Fließspannungs Flüssigkeiten ^17.

Hier eine einfache, aber leistungsfähige schnelle Bildgebungstechnik wird eingeführt und angewandt, um die Auswirkungen Dynamik von zwei Arten von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten studieren: Flüssigmetalle und dicht gepackte Suspensionen. Bei Kontakt mit Luft, im Wesentlichen alle flüssigen Metallen (außer Quecksilber) wird spontan ein Oxid Haut auf ihrer Oberfläche. Mechanisch wird die Haut als wirksam die Oberflächenspannung und Benetzungsfähigkeit der Metalle ¹⁸ verändern. In einer früheren Arbeit ^15, einige der Autoren untersuchten die Ausbreitung Verfahren quantitativ und waren in der Lage zu erklären, wie der Skin-Effekt beeinflusst die Schlagdynamik, insbesondere die Skalierung der maximalen Ausbreitung Radius mit Stoßparameter. Da flüssige Metall hat eine hohe Oberflächenreflexion ist eine sorgfältige Einstellung der Beleuchtung in der Bildgebung erforderlich. Sperren einWieder von kleinen Teilchen in einer Flüssigkeit besteht. Selbst für einfache Newtonsche Flüssigkeiten, die Zugabe von Partikeln führt zu nicht-newtonsches Verhalten, das besonders im dichten Suspensionen, also bei hohen Volumenanteil der suspendierten Teilchen ausgesprochen wird. Insbesondere wurde das Auftreten von Spritzern, wenn eine Suspension Tröpfchen trifft eine glatte, harte Oberfläche in der bisherigen Arbeit ¹⁶ untersucht. Sowohl flüssige Teilchen und Wechselwirkungen zwischen den Teilchen kann das Spritzen Verhalten deutlich von dem, was vielleicht von einfachen Flüssigkeiten erwarten ändern. So verfolgen Partikel so klein wie in 80 um diesen Experimenten eine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist.

Eine Kombination von verschiedenen technischen Anforderungen wie hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, sowie die Fähigkeit zur Beobachtung Auswirkungen sowohl von der Seite und von unten, können alle mit der hier beschriebenen Abbildungseinrichtungs erfüllt werden. Durch Anschluss an eine Standard-Protokoll, wie unten beschrieben, die Auswirkungen Dynamik Anleger seinkontrolliert suchten, wie explizit für die Verbreitung und Spritzwasser Verhalten.

Protokoll

1. Schnelle Imaging-Setup (siehe Abbildung 1)

1. Starten durch die Einrichtung einer vertikalen Spur, entlang der ein Behälter mit dem zu untersuchenden Flüssigkeit gefüllt ist frei beweglich, um die Aufprallgeschwindigkeit einzustellen. Die Flüssigkeit den Boden des Behälters durch eine Düse verlässt und tritt dann frei fallen. Für diese Arbeit wurde die Fallhöhe von 1 bis 200 cm variiert werden, um einer Aufprallgeschwindigkeit V ± 0,15 m / sec zu geben ₀ = (0,4 bis 6,3).
2. Konstruieren und montieren einen Rahmen, um die horizontale Ebene Einfluss, in der Regel eine Glasplatte, unter der eine geneigte reflektierende Spiegel zur Visualisierung der Auswirkungen Tropfen aus dem Boden positioniert zu halten.
3. Einen sauberen und glatten Glasplatte auf den Halter. Stellen Sie sicher, dass die Platte waagerecht eingeebnet.
4. Montieren Sie eine Spritzenpumpe auf die vertikale Strecke.
5. Für flüssige Metall Auswirkungen, legen Sie ein Transparentpapier Diffusor hinter der Düse für die Seitenansicht Bildgebung. Zur gleichen Zeit, legen eine weiße opake Papier oberhalb der Spritzenpumpe zu erzeugen,Reflexion für unten betrachten (siehe Abbildung 1). Dann suchen Sie die Lichtquelle hinter der Düse.
6. Für dichte Suspension Auswirkungen, wird kein Diffusor notwendig. Stattdessen platzieren Sie einfach die Lichtquelle vor der Bildebene.
7. Wählen Sie das Makro-Objektiv mit einem geeigneten Brennweite für die gewünschte Vergrößerung und optischen Arbeitsabstand. Verbinden Sie dann das Objektiv in die Kamera.
8. Montieren Sie die Kamera auf ein Stativ und die Höhe der Kamera gemäß der Abbildungsperspektive (seitlich oder von unten).

2. Probenvorbereitung

1. Herstellung von oxidierten Flüssigmetall
   1. Speicher-Gallium-Indium-Eutektikum (EGain) in einem verschlossenen Behälter. Da seine Schmelztemperatur etwa 15 ° C, bleibt EGain in einem flüssigen Zustand bei Raumtemperatur.
   2. Mit einer Pipette 3 ml EGain Auszug aus dem Behälter und extrudieren Sie es auf einer Acrylplatte. Warten Sie 30 min für die Probe vollständig in der Luft oxidiert werden. Als consequence eine dünne Schicht der faltigen Haut oxidiert bedeckt die Probenoberfläche.
   3. Verwenden Salzsäure (HCl, "Vorsicht") unterschiedlicher Konzentrationen, die EGain Probe Vorwäsche und die Oxidation der Oberfläche zu steuern. Insbesondere die Probe zu scheren, während es in dem Säurebad ist, bei 60 s ^-1 Schergeschwindigkeit mit einem Rheometer. Nach 10 Minuten der Schere, die Höhe der Oberflächenoxidation in der Probe Gleichgewicht erreicht, von der HCl-Konzentration ^15,18 gesetzt.
   4. Nach dieser Vorwäsche, verwenden Sie eine Plastikspritze mit einer Stahldüsenspitze EGain aus dem Bad zu extrahieren.
   5. Montieren Sie die Spritze auf die Spritzenpumpe und bereit sein, für das Experiment.
2. Herstellung von dichten Suspensionen
   1. Schnitt das Ende eines kommerziellen Spritze (4,5 mm bzw. 2,3 mm im Radius) und als zylindrisches Rohr zum Abgeben der dichte Suspension.
   2. Ziehen Sie den Kolben der Spritze und füllen Sie mit Wasser den ganzen Weg bis zum offenen Ende, so dass sAbbildung gibt es keine Luftblase mitgenommen.
   3. Setzen Kugel _ZrO2 oder Glasperlen in die Spritze. Mit der Sedimentation von Partikeln, wird das Wasser aus der Düse zu verschütten. Füllen der Spritze mit Teilchen bis hin zu dem offenen Ende. Die Suspension wird unter Schwerkraft jammen.
   4. Verwenden Sie eine Rasierklinge, um zusätzliche benetzten Teilchen von der Spitze zu entfernen, um dieses Ziel zu flach zu halten.
   5. Flip über die Düse und montieren sie auf die Spritzenpumpe. Oberflächenspannung die Partikel ¹⁶ am Herausfallen zu verhindern.

3. Kalibrierung

Vor Videos zu sammeln, müssen die Parameter der Abbildungsvorrichtung gesetzt und abgeschlossen werden Licht Ausrichtung hat. Außerdem muss die räumliche Auflösung zu kalibrieren.

1. Starten Sie die Spritzenpumpe mit einer Geschwindigkeit von 20 ml / h aus der Düse herausschieben Flüssigkeit (flüssiges Metall oder Suspension).
2. Warten, bis die Flüssigkeit von der Spritze zu trennen, bilden einen Tropfen und Herbstf, um eine Test Auswirkungen auf das Glassubstrat zu machen.
3. Passen Sie die Position der Kamera, einschließlich seiner vertikalen Position und Imaging-Orientierung, um die splat in dem Computer-Monitor, der mit der Kamera verbindet finden. Ändern Sie den Arbeitsabstand, um das Bild zu arrangieren, um in der Brennebene sein, wenn der Abbildungsmaßstab des Objektivs ist auf 1:1 fixiert.
4. Variieren Sie die Blendenöffnung, Belichtungszeit und Lichtwinkel, um die beste Bildqualität zu erhalten, wenn die Framerate hoch genug ist (> 6.000 fps). Abbildung 2 (a) zeigt die typischen Bilder von der Kamera sowohl für flüssige EGain und einer dichten Suspension entnommen.
5. Legen Sie ein Lineal in das Blickfeld (siehe Abbildung 2 (b)) und berechnen die räumliche Auflösung durch Zählen, wie viele Pixel über 1 cm passen. Stellen Sie sicher, es gibt keinen Unterschied in der Auflösung zwischen horizontaler und vertikaler Richtung.
6. Folgen Sie einem 3-Schritt-Verfahren, um die Packungsanteil dichte Suspension Abfall zu messen:
   1. Messen Sie die Masse des entire splat direkt nach Auswirkungen (zB durch Vermietung der Tropfen fallen in einen Messbecher, die genau gewogen werden kann).
   2. Dann verdampfen alle Lösungsmittel mit einer Heizung und wiegen die splat erneut, um die Partikelmasse zu erhalten.
   3. Berechnen Sie das Volumen der Partikel und Flüssigkeit, um die Packungsdichte zu erhalten. Normalerweise sollte dieser Volumenanteil etwa 60% sein.
7. Nach Angaben der Beobachtungsrichtung (unten oder seitlich), positionieren Sie die Kamera entsprechend. Insbesondere sollte die Kamera neben dem Substrat für die Seitenansicht oder auf der gleichen Ebene des Reflexionsspiegels für Bodenabbildung.

4. Video-Aufnahme und Datenkommunikation

1. Nach der Bildkalibrierung, starten Sie den Spritzenpumpe. Zur gleichen Zeit, öffnen Sie die Kamera Controlling-Software, um die Auswirkungen zu überwachen.
2. Stellen Sie die Post-Triggerung Rahmennummern in etwa die Hälfte der Länge des Videos. Achten Sie sorgfältig, wenn der Tropfen zu bilden beginnt und manuell trigger die Kamera in dem Augenblick, Tropfen löst sich von der Düse. Führen Sie ein paar Praxis-Tests vor der Datenaufzeichnung.
3. Nachdem die Daten aufgezeichnet werden, trimmen sich das Video zu dem Teil der Auswirkungen enthalten, und speichern Sie die Videos als Bildsequenzen für die Analyse.

5. Bild-Nachbearbeitung und Analyse

1. Verwenden Sie eine Grenze Nachweisverfahren, das sich bewegende Flüssigkeit vor EGain finden, wie es sich ausbreitet, was zu einem scharfen Übergang in der mittleren Pixelwert entspricht (siehe Abbildungen 3 (ab)).
2. Von beiden Boden-und Seiten Bilder, bestimmen die Spritzwasser Beginn der dichte Suspension.
3. Führen Partikelverfolgungsalgorithmen, um Spuren von einzelnen Partikeln, die aus dem Splat entkommen (siehe Fig. 3 (c)) zu erhalten. Dann berechnen die Ausstoßgeschwindigkeit aus solchen Bahnen (Figur 3 (d)).

Ergebnisse

Die schnelle Bildgebungstechnik verwendet werden, um die Verbreitung zu quantifizieren und Spritzwasser für verschiedene Szenarien, Auswirkungen. Abbildung 4 (a), zum Beispiel, zeigt typische Bildsequenzen Auswirkungen für flüssige EGain mit verschiedenen Oxidhaut Stärke. Durch Ausstoßen EGain aus der gleichen Düse und gleichzeitig Fallhöhe Tröpfchen mit reproduzierbaren Aufprallgeschwindigkeit V ₀ = 1,02 ± 0,12 m / sec und der Radius R ₀ = 6,25 ± 0,10 mm erzeugt wurden. ...

Diskussion

Mehrere Schritte sind entscheidend für die korrekte Ausführung der schnellen Bildgebung. Zuerst müssen Kamera und Objektiv, angemessen eingerichtet und kalibriert werden. Insbesondere, um eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten, kann der Maßstab der Linse muss in der Nähe zum 1:1 gehalten werden. Dies ist besonders wichtig für die Visualisierung von dichten Suspensionen. Außerdem muss die Öffnungsgröße sorgfältig für die Bildgebung ausgewählt werden. Zum Beispiel, die Beobachtung von der Seite in der Re...

Materialien

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