Imagerie rapide technique permettant d'étudier l'impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

Résumé

impact de gouttes de fluides non-newtoniens est un processus complexe, étant donné que différents paramètres physiques influencent la dynamique sur un temps très court (moins d'un dixième de milliseconde). Une technique d'imagerie rapide est introduit dans le but de caractériser le comportement des différents fluides non-newtoniens impact.

Résumé

Dans le domaine de la mécanique des fluides, de nombreux processus dynamiques se produisent pas seulement sur un intervalle de temps très court, mais aussi exigent une haute résolution spatiale pour l'observation détaillée des scénarios qui font qu'il est difficile d'observer avec les systèmes d'imagerie conventionnelles. L'une d'elles est l'impact de la goutte de liquide, qui se produit généralement à moins d'un dixième de milliseconde. Pour relever ce défi, une technique d'imagerie rapide est introduit qui combine une caméra haute vitesse (capables d'aller jusqu'à un million d'images par seconde) avec un objectif macro à longue distance de travail de porter la résolution spatiale de l'image vers le bas à 10 um / pixel. La technique d'imagerie permet la mesure précise de la quantité de dynamique des fluides concernés, tels que le champ d'écoulement, la distance et la vitesse d'étalement d'éclaboussures, de l'analyse de la vidéo enregistrée. Pour démontrer les capacités de ce système de visualisation, la dynamique d'impact lorsque des gouttelettes de fluides non-newtoniens empiètent sur une surface plane et dure sont caracrisée. Deux situations sont envisagées: pour oxydés gouttelettes de métal liquide, nous nous concentrons sur le comportement de diffusion, et de suspensions denses nous déterminons le début de projections. Plus généralement, la combinaison de la résolution de l'imagerie spatiale et temporelle introduite ici offre des avantages pour l'étude de la dynamique rapide dans un large éventail de phénomènes microscopique.

Introduction

Déposez l'impact sur ​​une surface solide est un processus clé dans de nombreuses applications impliquant la fabrication électronique ^1, revêtement par pulvérisation ^2, et la fabrication additive utilisant impression jet d'encre ^3,4, où un contrôle précis de la chute d'étalement et les éclaboussures est souhaitée. Cependant, l'observation directe de l'impact de baisse est techniquement difficile pour deux raisons. Tout d'abord, il s'agit d'un processus dynamique complexe qui se produit dans un délai trop court (~ 100 ps) à imager facilement par les systèmes d'imagerie conventionnelles, comme des microscopes optiques et appareils photo reflex numériques. La photographie au flash peut image cours de beaucoup plus rapide, mais ne permet pas pour l'enregistrement continu, tel que requis pour une analyse détaillée de l'évolution dans le temps. Deuxièmement, l'échelle de longueur induite par l'instabilité de l'impact peut être aussi petite que 10 um ^5. Par conséquent, pour étudier quantitativement le processus de l'impact d'un système qui combine l'imagerie ultra-rapide avec une résolution spatiale relativement élevée est souventsouhaitée. En l'absence d'un tel système, les premiers travaux sur l'impact des gouttelettes essentiellement porté sur la déformation géométrique mondial après l'impact ^6-8, mais a été incapable de recueillir des informations sur les premiers temps, les processus hors équilibre associés à l'impact, tels que l'apparition d'éclaboussures. Les progrès récents dans le CMOS haute vitesse vidéographie de fluides ^9,12 ont poussé le taux de trame jusqu'à un million de fps et temps d'exposition bas en dessous de 1 ps. En outre, les techniques d'imagerie CCD nouvellement développés peuvent pousser le taux de trame bien au-dessus d'un million d'images par seconde ^9-12. La résolution spatiale d'un autre côté, peut être augmentée à l'ordre de 1 um / pixel en utilisant des loupes ^12. En conséquence, il est devenu possible d'explorer en détail sans précédent de l'influence d'un grand nombre de paramètres physiques sur divers stades de l'impact de chute et de comparer systématiquement expérience et la théorie ^5,13-16. Par exemple, la transition de projections dans les fluides newtoniens était foue à fixer par la pression atmosphérique ^5, tandis que la rhéologie intrinsèque décide la dynamique de propagation de fluides rendement-stress ^17.

Ici encore puissante technique d'imagerie rapide simple est proposée et appliquée pour étudier la dynamique de l'impact des deux types de fluides non-newtoniens: métaux liquides et suspensions denses. Avec l'exposition à l'air, essentiellement tous les métaux liquides (sauf le mercure) spontanément développer une pellicule d'oxyde sur leur surface. Mécaniquement, la peau se trouve à modifier la tension superficielle effective et la capacité de mouillage des métaux ^18. Dans un précédent article ^15, plusieurs auteurs ont étudié le processus d'étalement quantitativement et étaient en mesure d'expliquer comment l'effet de peau influe sur la dynamique de l'impact, en particulier la mise à l'échelle du rayon d'étalement maximal avec des paramètres d'impact. Depuis métal liquide a haute réflectivité de la surface, un réglage précis de l'éclairage est nécessaire dans l'imagerie. Suspensions unere composée de petites particules dans un liquide. Même pour les liquides newtoniens simples, l'ajout de particules résulte en un comportement non-newtonien, qui devient particulièrement prononcé dans les suspensions denses, c'est à dire à haute fraction volumique des particules en suspension. En particulier, l'apparition d'éclaboussures quand une goutte de suspension frappe une surface lisse, dure a été étudiée dans les travaux antérieurs ^16. Les deux liquides particules et les interactions entre les particules peuvent modifier le comportement des éclaboussures de manière significative de ce qu'on pourrait attendre de liquides simples. Pour suivre les particules aussi petites que 80 um dans ces expériences une résolution spatiale élevée est nécessaire.

Une combinaison de diverses exigences techniques telles que la résolution spatiale et temporelle, ainsi que la capacité d'observation des impacts à la fois du côté de et ci-dessous, peuvent tous être satisfaits de la configuration d'imagerie décrit ici. En suivant un protocole standard, décrit ci-dessous, la dynamique d'impact peuvent être investisnomènes étudiés d'une manière contrôlée, comme le montre explicitement pour la diffusion et les éclaboussures comportement.

Protocole

Une. Configuration d'imagerie rapide (voir la figure 1)

1. Commencer par mettre en place une glissière verticale le long de laquelle un récipient rempli avec le fluide destiné à être étudié peut être déplacée librement pour ajuster la vitesse d'impact. Le liquide quitte le fond du récipient à travers une buse, puis pénètre dans la chute libre. Pour ce travail, la hauteur de chute a fait varier de 1 à 200 cm pour donner une vitesse d'impact V ₀ = (0,4 à 6,3) ± 0,15 m / sec.
2. Construire et monter un cadre pour maintenir le plan d'impact horizontal, généralement une plaque de verre, dans lequel un miroir réfléchissant incliné est positionné pour la visualisation de l'impact de gouttes à partir du bas.
3. Placez une plaque de verre propre et lisse sur le support. Assurez-vous que la plaque est nivelé horizontalement.
4. Monter une pompe de seringue sur le rail vertical.
5. Pour un impact de métal liquide, placez un diffuseur de papier transparent derrière la buse de vue latérale imagerie. Dans le même temps, fixer un papier blanc opaque au-dessus de la pompe à seringue pour générerréflexion pour bas de visualisation (voir la figure 1). Ensuite, recherchez la source de lumière derrière la buse.
6. Pour un impact dense de suspension, aucun diffuseur est nécessaire. Au lieu de cela, il suffit de placer la source lumineuse en avant du plan de formation d'image.
7. Sélectionnez la macro avec une longueur focale appropriée pour agrandissement souhaité et la distance de travail optique. Ensuite, connectez la lentille de la caméra.
8. Montez l'appareil photo sur un trépied et régler la hauteur de la caméra en fonction de la perspective d'imagerie (côté ou en bas).

2. Préparation de l'échantillon

1. Préparation de métal liquide oxydé
   1. Magasin Gallium Indium eutectique (eGain) dans un récipient hermétique. Etant donné que sa température de fusion est d'environ 15 ° C, eGain reste dans un état liquide à la température ambiante.
   2. Utiliser une pipette pour extraire 3 ml eGain du récipient et extruder sur une plaque acrylique. Attendez 30 minutes pour que l'échantillon soit pleinement oxydé dans l'air. En consequence, une mince couche de peau oxydée ridée recouvre complètement la surface de l'échantillon.
   3. Utiliser de l'acide chlorhydrique (HCl; «ATTENTION») de différentes concentrations de prélavage l'échantillon eGain et à maîtriser l'oxydation de surface. Plus précisément, le cisaillement de l'échantillon, alors qu'il est dans le bain d'acide, à 60 ^s-1 taux de cisaillement avec un rhéomètre. Après 10 min de cisaillement, le niveau d'oxydation de la surface de l'échantillon atteint l'équilibre, fixé par la concentration de HCl ^15,18.
   4. Après cette prélavage, en utilisant une seringue en matière plastique avec un embout de buse en acier eGain l'extrait du bain.
   5. Monter la seringue sur le pousse-seringue et être prêt pour l'expérience.
2. Préparation des suspensions denses
   1. Coupez l'extrémité d'une seringue commerciale (4,5 mm ou 2,3 ​​mm de rayon) et l'utiliser comme tube cylindrique de distribution de la suspension dense.
   2. Tirez sur le piston et remplir la seringue avec de l'eau tout le chemin à l'extrémité ouverte, ce qui sure n'y a pas de bulle d'air entraîné.
   3. Mettez sphériques ZrO ₂ ou perles de verre dans la seringue. Avec la sédimentation des particules, l'eau va se répandre à partir de la buse. Remplir la seringue avec des particules tout le chemin jusqu'à l'extrémité ouverte. La suspension se coince par gravité.
   4. Utilisez une lame de rasoir pour enlever les particules mouillées supplémentaires à partir du haut pour garder cette fin plat.
   5. Retournez sur la buse et le monter sur la pompe à seringue. La tension superficielle empêche les particules de tomber ^16.

3. Étalonnage

Avant de recueillir les vidéos, les paramètres de l'appareil d'imagerie doivent être définies et l'alignement de l'éclairage doit être complété. En outre, la résolution spatiale doit être calibré.

1. Démarrer la pompe à seringue à une vitesse de 20 ml / h pour faire sortir le fluide (de métal liquide ou de la suspension) de la buse.
2. Attendre que le fluide à se détacher de la seringue, et de former une goutte de chutef avoir un impact d'essai sur le substrat de verre.
3. Ajustez la position de la caméra, y compris sa position verticale et l'orientation de l'imagerie, pour trouver le floc dans l'écran d'ordinateur qui se connecte à l'appareil photo. Modifier la distance de travail pour organiser l'image d'être dans le plan focal lorsque le rapport de reproduction de l'objectif est fixé à 01h01.
4. Varier la taille de l'ouverture, le temps d'exposition et de l'angle d'éclairage pour obtenir la meilleure qualité d'image lorsque la cadence est assez élevée (> 6000 fps). Figure 2 (a) montre des images typiques prises par la caméra à la fois pour eGain liquide et une suspension dense.
5. Placez une règle dans le champ de vision (voir figure 2 (b)) et calculer la résolution spatiale en comptant le nombre de pixels correspond travers 1 cm. Assurez-vous qu'il n'ya pas de différence de résolution entre les directions horizontale et verticale.
6. Suivre un processus en 3 étapes pour mesurer la fraction de tassement de la chute de suspension dense:
   1. Mesurer la masse de l'entdroit de floc colère après l'impact (par exemple en laissant tomber goutte dans une tasse de mesure qui peut être pesé avec précision).
   2. Ensuite, évaporer tout solvant avec un dispositif de chauffage et peser à nouveau le floc pour obtenir la masse des particules.
   3. Calculer le volume de particules et de liquide pour obtenir la fraction d'emballage. En règle générale, cette fraction de volume doit être d'environ 60%.
7. Selon la direction d'observation (en bas ou sur le côté), positionner la caméra de manière appropriée. En particulier, mettre l'appareil en regard du substrat de la vue de côté, ou sur le même plan du miroir réfléchissant de formation d'image de fond.

4. Enregistrement vidéo et d'acquisition de données

1. Après l'étalonnage de l'imagerie, redémarrer la pompe de la seringue. Dans le même temps, ouvrir le logiciel de commande de caméra pour surveiller le processus de l'impact.
2. Réglez les numéros de châssis de post-déclenchement à peu près la moitié de la longueur de la vidéo. Regardez attentivement lorsque la chute commence à se former et manuellement trigger l'appareil au moment où goutte se détache de la buse. Effectuer quelques tests pratiques avant l'enregistrement de données.
3. Une fois les données enregistrées, rogner sur la vidéo à la partie contenant l'impact et enregistrer les vidéos que des séquences d'images pour l'analyse.

5. L'image de post-traitement et de l'analyse

1. Utilisez une méthode de détection de limite de localiser le front se déplaçant de eGain liquide car il se propage, ce qui correspond à une forte transition de la valeur moyenne de pixel (voir figures 3 (ab)).
2. À partir d'images à la fois de fond et de côté, déterminer le début de projection de suspension dense.
3. Effectuer algorithmes particules de suivi pour obtenir des traces de particules individuelles qui se sont échappés de la floc (voir la figure 3 (c)). Ensuite, le calcul de la vitesse d'éjection à partir de ces trajectoires (Figure 3 (d)).

Résultats

La technique d'imagerie rapide peut être utilisée pour quantifier la diffusion et les éclaboussures de différents scénarios d'impact. Figure 4 (a), par exemple, montre typiques des séquences d'images d'impact pour eGain liquide avec différentes forces de la peau d'oxyde. En éjectant eGain de la même buse, et à la même hauteur chute, les gouttelettes reproductible avec une vitesse d'impact V ₀ = 1,02 ± 0,12 m / s et de rayon R ₀ = 6,25 ± 0,10 mm ...

Discussion

Plusieurs étapes sont essentielles pour la bonne exécution de l'imagerie rapide. Tout d'abord, l'appareil photo et l'objectif doivent être réglés de manière appropriée et calibré. En particulier, afin d'obtenir une résolution spatiale élevée, le taux de reproduction de la lentille doit être maintenue proche de 1:1. Ceci est particulièrement important pour la visualisation des suspensions denses. De plus, la taille de l'ouverture doit être soigneusement choisie pour l'imagerie. P...

matériels

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