Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos

Resumen

Impacto de la gota de fluidos no newtonianos es un proceso complejo ya que los diferentes parámetros físicos influyen en la dinámica durante un tiempo muy corto (menos de un décimo de un milisegundo). Una técnica de imagen rápida se introdujo con el fin de caracterizar los comportamientos de impacto de los diferentes fluidos no newtonianos.

Resumen

En el campo de la mecánica de fluidos, muchos procesos dinámicos no sólo se producen en un intervalo de tiempo muy corto, pero también requieren una alta resolución espacial para la observación detallada, escenarios que hacen que sea difícil de observar con los sistemas de formación de imágenes convencionales. Uno de ellos es el impacto de la caída de líquidos, que por lo general ocurre dentro de un décimo de milisegundo. Para hacer frente a este reto, una técnica de imagen rápido, se indica que combina una cámara de alta velocidad (con capacidad de hasta un millón de cuadros por segundo) con un objetivo macro con distancia de trabajo para que la resolución espacial de la imagen a 10 micras / píxel. La técnica de formación de imágenes permite la medición precisa de las cantidades de dinámica de fluidos pertinentes, tales como el campo de flujo, la distancia y la velocidad de propagación de las salpicaduras, a partir del análisis del vídeo grabado. Para demostrar las capacidades de este sistema de visualización, la dinámica de impacto cuando las gotas de fluidos no newtonianos inciden sobre una superficie plana y dura se caracAUTORIZADO. Dos situaciones se consideran: por gotas de metal líquido oxidados nos centramos en el comportamiento de la difusión, y para las suspensiones densas se determina el inicio de salpicaduras. De manera más general, la combinación de una alta resolución temporal y espacial de imágenes introducida aquí ofrece ventajas para el estudio de dinámica rápida en una amplia gama de fenómenos microescala.

Introducción

Impacto por caída sobre una superficie sólida es un proceso clave en muchas aplicaciones que implican la fabricación electrónica ^1, recubrimiento por pulverización ^2, y el aditivo de fabricación de inyección de tinta utilizando la impresión de ^3,4, donde un control preciso de la caída de la difusión y se desea salpicaduras. Sin embargo, la observación directa del impacto de la caída es técnicamente difícil por dos razones. En primer lugar, es un proceso dinámico complejo que se produce dentro de un plazo de tiempo demasiado cortos (~ 100 microsegundos) para obtener imágenes fácilmente por los sistemas de formación de imágenes convencionales, tales como microscopios ópticos y cámaras DSLR. La fotografía con flash puede imagen Curso de mucho más rápido, pero no permite la grabación continua, como se requiere para el análisis detallado de la evolución con el tiempo. En segundo lugar, la escala de longitud inducida por inestabilidades de impacto puede ser tan pequeño como 10 micras ^5. Por lo tanto, para estudiar cuantitativamente el proceso de impacto de un sistema que combina la formación de imágenes ultrarrápida junto con razonablemente alta resolución espacial es a menudodeseada. En ausencia de tal sistema, los primeros trabajos sobre el impacto de gotas centrado sobre todo en la deformación geométrica mundial después del impacto ^{de 6-8,} pero fue incapaz de reunir información sobre los primeros momentos, los procesos de no equilibrio asociados con el impacto, tales como la aparición de salpicaduras. Los recientes avances en CMOS de alta velocidad de la videografía de fluidos ^9,12 han empujado a la velocidad de cuadro de hasta un millón de fps y tiempos de exposición por debajo de 1 microsegundos. Por otra parte, las técnicas de imagen CCD de nuevo desarrollo puede empujar la velocidad de fotogramas muy por encima de un millón de ^9-12 fps. La resolución espacial en el otro lado, se puede aumentar con el orden de 1 m / píxel usando lentes de aumento ^12. Como consecuencia, se ha hecho posible para explorar en detalle sin precedentes la influencia de una amplia gama de parámetros físicos en varias etapas de impacto por caída y para comparar sistemáticamente experimento y teoría ^5,13-16. Por ejemplo, la transición chapoteando en fluidos newtonianos fue found que será establecido por la atmósfera de presión ^5, mientras que la reología intrínseca decide la dinámica de propagación de fluidos rendimiento-estrés ^17.

Aquí una simple y poderosa técnica de imagen rápida se introduce y se aplicó para estudiar la dinámica de impacto de dos tipos de fluidos no newtonianos: metales líquidos y suspensiones densas. Con la exposición al aire, en esencia todos los metales líquidos (excepto el mercurio) de forma espontánea desarrollarán una capa de óxido en su superficie. Mecánicamente, la piel se encuentra para alterar la tensión superficial efectiva y la capacidad de humectación de los metales ^18. En un trabajo anterior ^15, varios de los autores estudiaron el proceso de difusión cuantitativa y fueron capaces de explicar cómo el efecto de la piel influye en la dinámica de impacto, en especial la ampliación del radio máximo la difusión con los parámetros de impacto. Como el metal líquido tiene una alta reflectividad de la superficie, se requiere un ajuste cuidadoso de la iluminación de la proyección de imagen. Suspensiones unre compuesta de pequeñas partículas en un líquido. Incluso para líquidos newtonianos simples, la adición de partículas resultados en el comportamiento no newtoniano, que se convierte en especialmente pronunciada en suspensiones densas, es decir, en la fracción de alto volumen de partículas en suspensión. En particular, la aparición de las salpicaduras cuando una gota de suspensión incide en una superficie lisa y dura fue estudiado en el trabajo previo ^16. Tanto líquido y las partículas y las interacciones entre las partículas pueden cambiar el comportamiento de las salpicaduras significativamente de lo que podría esperarse de los líquidos simples. Para el seguimiento de partículas tan pequeñas como 80 micras en estos experimentos se necesita una alta resolución espacial.

Una combinación de varios requisitos técnicos, tales como la alta resolución temporal y espacial, además de la capacidad de observación de impactos, tanto desde un lado y desde abajo, todo puede ser satisfecho con la configuración de imagen se describe aquí. Siguiendo un protocolo estándar, se describe a continuación, la dinámica de impacto pueden ser inversoresvestigado de una manera controlada, como se muestra de forma explícita para la difusión y salpicaduras de comportamiento.

Protocolo

1. Configuración de Imagen Rápida (Ver Figura 1)

1. Comience por la creación de un carril vertical a lo largo de la cual un recipiente lleno con el fluido a ser estudiado se puede mover libremente para ajustar la velocidad de impacto. El fluido sale de la parte inferior del recipiente a través de una boquilla y entra entonces en caída libre. Para este trabajo la altura de caída se varió desde 1 hasta 200 cm para dar una velocidad de impacto V ₀ = (0,4-6,3) ± 0,15 m / seg.
2. Construir y montar un bastidor para sostener el plano horizontal impacto, típicamente una placa de vidrio, en las que un espejo reflectante inclinada está posicionado para visualizar el impacto de la caída de la parte inferior.
3. Coloque una placa de vidrio limpia y lisa en el soporte. Asegúrese de que la placa esté nivelada horizontalmente.
4. Montar una bomba de jeringa en la pista vertical.
5. Para el impacto de metal líquido, colocar un difusor de papel transparente detrás de la boquilla para la cara-vista de imagen. Al mismo tiempo, adjuntar un papel opaco blanco por encima de la bomba de jeringa para generarreflexión para la parte inferior de visualización (ver Figura 1). A continuación, busque la fuente de luz detrás de la boquilla.
6. Para el impacto suspensión densa, no se necesita difusor. En lugar de ello, sólo tiene que colocar la fuente de luz frente al plano de la imagen.
7. Seleccione la macro con una distancia focal apropiada para ampliación deseada y de la distancia de trabajo óptico. A continuación, conecte el objetivo a la cámara.
8. Monte la cámara en un trípode y ajuste la altura de la cámara de acuerdo con el (lateral o inferior) perspectiva de obtención de imágenes.

2. Preparación de la muestra

1. Preparación de metal líquido oxidado
   1. Tienda de galio-indio eutéctica (EGAIN) en un contenedor sellado. Desde su punto de fusión es de unos 15 ° C, EGAIN permanece en estado líquido a temperatura ambiente.
   2. Utilizar una pipeta para extraer 3 ml EGAIN del recipiente y extruir que sobre una placa de acrílico. Espere 30 min para la muestra que se oxida completamente en el aire. Como consequena vez, una capa delgada de la piel arrugada oxidado cubre completamente la superficie de la muestra.
   3. Utilice ácido clorhídrico (HCl; "PRECAUCIÓN") de diferentes concentraciones de prelavado de la muestra EGAIN y para controlar la oxidación de la superficie. Específicamente, cizallar la muestra, mientras está en el baño de ácido, en 60 seg ^-1 tasa de cizallamiento con un reómetro. Después de 10 min de cizalladura, el nivel de oxidación de la superficie en la muestra alcanza el equilibrio, fijado por la concentración de HCl ^15,18.
   4. Después de este prelavado, utilizar una jeringa de plástico con una punta de la boquilla de acero para extraer EGAIN del baño.
   5. Monte la jeringa en la bomba de jeringa y estar listo para el experimento.
2. Preparación de suspensiones densas
   1. Corte el extremo de una jeringa comercial (4,5 mm o 2,3 mm de radio) y utilizarlo como tubo cilíndrico para dispensar la suspensión densa.
   2. Tire hacia atrás el émbolo y llene la jeringa con agua todo el camino hasta el extremo abierto, por lo que sUre no hay ninguna burbuja de aire arrastrado.
   3. Ponga esféricas de ZrO ₂ o perlas de vidrio en la jeringa. Con la sedimentación de las partículas, el agua se derrame fuera de la boquilla. Llene la jeringa con partículas de todo el camino hasta el extremo abierto. La suspensión se atasco por gravedad.
   4. Use una hoja de afeitar para eliminar las partículas húmedas adicionales de la parte superior para mantener ese extremo plano.
   5. Dé la vuelta a la boquilla y montarlo en la bomba de jeringa. La tensión superficial evitará que las partículas se caigan ^16.

3. Calibración

Antes de recoger los vídeos, los parámetros del dispositivo de imagen se deben establecer y alineación de iluminación tiene que ser completado. Además, la resolución espacial necesita ser calibrado.

1. Encienda la bomba de jeringa a un velocidad de 20 ml / hora para sacar el fluido (líquido metal o suspensión) de la boquilla.
2. Esperar a que el fluido a separar de la jeringa, formar una gota y la caída def para hacer una prueba de impacto sobre el sustrato de vidrio.
3. Ajustar la posición de la cámara, incluyendo su posición vertical y la orientación de formación de imágenes, para encontrar el splat en el monitor de la computadora que se conecta a la cámara. Modificar la distancia de trabajo para arreglar la imagen de estar en el plano focal cuando la relación de reproducción de la lente se fija en 1:1.
4. Variar el tamaño de la abertura, el tiempo de exposición y el ángulo de iluminación para obtener la mejor calidad de imagen cuando la velocidad de cuadro es lo suficientemente alta (> 6.000 fps). Figura 2 (a) muestra imágenes típicas tomadas por la cámara para tanto EGAIN líquido y una suspensión densa.
5. Coloque una regla en el campo de visión (vea la Figura 2 (b)) y calcular la resolución espacial contando cuántos píxeles se ajusta a través de 1 cm. Asegúrese de que no hay diferencia en la resolución entre las direcciones horizontal y vertical.
6. Seguir un proceso de 3 pasos para medir la fracción de empaquetamiento denso de caída de suspensión:
   1. Medir la masa de la entire splat justo después del impacto (por ejemplo, dejando caer la gota en un vaso medidor que puede ser exactamente pesados).
   2. Luego, se evapora todo el disolvente con un calentador y pesar el splat de nuevo para obtener la masa de la partícula.
   3. Calcular el volumen de partículas y líquido para obtener la fracción de empaquetamiento. Normalmente, esta fracción de volumen debe estar alrededor de 60%.
7. De acuerdo a la dirección de observación (inferior o lateral), coloque la cámara de manera adecuada. En particular, poner la cámara junto al sustrato para la vista lateral o en el mismo nivel del espejo reflectante para la imagen de fondo.

4. Grabación de vídeo y Adquisición de Datos

1. Después de la calibración de imágenes, reinicie la bomba de jeringa. Al mismo tiempo, abrir la cámara de control de software para controlar el proceso de impacto.
2. Establezca los números posteriores a la activación de marco a aproximadamente la mitad de la duración del video. Observa con cuidado cuando la caída comienza a formar y manualmente trigger la cámara en el momento cuando la caída se separa de la boquilla. Lleve a cabo un par de pruebas de la práctica antes de la grabación de datos.
3. Después de grabar los datos, recortar el vídeo a la parte que contiene el impacto y guardar los vídeos como las secuencias de imágenes para el análisis.

5. Imagen Post-procesamiento y análisis

1. Use un método de detección límite de localizar el frente móvil de EGAIN líquido a medida que se propaga, lo que corresponde a una transición brusca en el valor medio de píxel (véanse las figuras 3 (ab)).
2. A partir de imágenes, tanto de fondo y laterales, determinar el inicio salpicaduras de suspensión densa.
3. Realizar algoritmos de partículas de seguimiento para obtener rastros de partículas individuales que escaparon del símbolo (véase la Figura 3 (c)). Entonces, el cálculo de la velocidad de expulsión de dichas trayectorias (Figura 3 (d)).

Resultados

La técnica de imagen rápido puede ser utilizado para cuantificar la difusión y salpicaduras para varios escenarios de impacto. Figura 4 (a), por ejemplo, muestra secuencias de imágenes de impacto típicos para EGAIN líquidos con diferente fuerza la piel de óxido. Por expulsar EGAIN de la misma boquilla y a la misma altura que cae, gotitas con reproducibles velocidad de impacto V ₀ = 1,02 ± 0,12 m / seg y radio R ₀ = 6,25 ± 0,10 mm fueron generados. La columna de la izquierd...

Discusión

Varios pasos son fundamentales para la correcta ejecución de la formación de imágenes rápido. En primer lugar, la cámara y el objetivo tienen que estar debidamente configurado y calibrado. En particular, con el fin de obtener una alta resolución espacial, la relación de reproducción de la lente debe mantenerse cerca de 1:01. Esto es especialmente importante para la visualización de suspensiones densas. Además, el tamaño de la abertura debe ser cuidadosamente elegido para la imagen. Por ejemplo, la observació...

Materiales

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