Merci à Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin et Michelle Driscoll pour de nombreuses discussions utiles et Qiti Guo pour l&#39;aide à la préparation des échantillons expérimentaux. Ce travail a été soutenu par MRSEC le programme de la National Science Foundation Grant No. DMR-0820054.

Une. Configuration d&#39;imagerie rapide (voir la figure 1) <ol><li> 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&#39;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&#39;impact V 0 = (0,4 à 6,3) ± 0,15 m / sec. </li><li> Construire et monter un cadre pour maintenir le plan d&#39;impact horizontal, généralement une plaque de verre, dans lequel un miroir réfléchissant incliné est positionné pour la visualisation de l&#39;impact de gouttes à partir du bas. </li><li> Placez une plaque de verre propre et lisse sur le support. Assurez-vous que la plaque est nivelé horizontalement. </li><li> Monter une pompe de seringue sur le rail vertical. </li><li> 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. </li><li> 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&#39;image. </li><li> Sélectionnez la macro avec une longueur focale appropriée pour agrandissement souhaité et la distance de travail optique. Ensuite, connectez la lentille de la caméra. </li><li> Montez l&#39;appareil photo sur un trépied et régler la hauteur de la caméra en fonction de la perspective d&#39;imagerie (côté ou en bas). </li></ol> 2. Préparation de l&#39;échantillon <ol><li> Préparation de métal liquide oxydé <ol><li> Magasin Gallium Indium eutectique (eGain) dans un récipient hermétique. Etant donné que sa température de fusion est d&#39;environ 15 ° C, eGain reste dans un état liquide à la température ambiante. </li><li> Utiliser une pipette pour extraire 3 ml eGain du récipient et extruder sur une plaque acrylique. Attendez 30 minutes pour que l&#39;échantillon soit pleinement oxydé dans l&#39;air. En consequence, une mince couche de peau oxydée ridée recouvre complètement la surface de l&#39;échantillon. </li><li> Utiliser de l&#39;acide chlorhydrique (HCl; «ATTENTION») de différentes concentrations de prélavage l&#39;échantillon eGain et à maîtriser l&#39;oxydation de surface. Plus précisément, le cisaillement de l&#39;échantillon, alors qu&#39;il est dans le bain d&#39;acide, à 60 s-1 taux de cisaillement avec un rhéomètre. Après 10 min de cisaillement, le niveau d&#39;oxydation de la surface de l&#39;échantillon atteint l&#39;équilibre, fixé par la concentration de HCl 15,18. </li><li> Après cette prélavage, en utilisant une seringue en matière plastique avec un embout de buse en acier eGain l&#39;extrait du bain. </li><li> Monter la seringue sur le pousse-seringue et être prêt pour l&#39;expérience. </li></ol></li><li> Préparation des suspensions denses <ol><li> Coupez l&#39;extrémité d&#39;une seringue commerciale (4,5 mm ou 2,3 ​​mm de rayon) et l&#39;utiliser comme tube cylindrique de distribution de la suspension dense. </li><li> Tirez sur le piston et remplir la seringue avec de l&#39;eau tout le chemin à l&#39;extrémité ouverte, ce qui sure n&#39;y a pas de bulle d&#39;air entraîné. </li><li> Mettez sphériques ZrO 2 ou perles de verre dans la seringue. Avec la sédimentation des particules, l&#39;eau va se répandre à partir de la buse. Remplir la seringue avec des particules tout le chemin jusqu&#39;à l&#39;extrémité ouverte. La suspension se coince par gravité. </li><li> Utilisez une lame de rasoir pour enlever les particules mouillées supplémentaires à partir du haut pour garder cette fin plat. </li><li> Retournez sur la buse et le monter sur la pompe à seringue. La tension superficielle empêche les particules de tomber 16. </li></ol></li></ol> 3. Étalonnage Avant de recueillir les vidéos, les paramètres de l&#39;appareil d&#39;imagerie doivent être définies et l&#39;alignement de l&#39;éclairage doit être complété. En outre, la résolution spatiale doit être calibré. <ol><li> 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. </li><li> Attendre que le fluide à se détacher de la seringue, et de former une goutte de chutef avoir un impact d&#39;essai sur le substrat de verre. </li><li> Ajustez la position de la caméra, y compris sa position verticale et l&#39;orientation de l&#39;imagerie, pour trouver le floc dans l&#39;écran d&#39;ordinateur qui se connecte à l&#39;appareil photo. Modifier la distance de travail pour organiser l&#39;image d&#39;être dans le plan focal lorsque le rapport de reproduction de l&#39;objectif est fixé à 01h01. </li><li> Varier la taille de l&#39;ouverture, le temps d&#39;exposition et de l&#39;angle d&#39;éclairage pour obtenir la meilleure qualité d&#39;image lorsque la cadence est assez élevée (&gt; 6000 fps). Figure 2 (a) montre des images typiques prises par la caméra à la fois pour eGain liquide et une suspension dense. </li><li> 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&#39;il n&#39;ya pas de différence de résolution entre les directions horizontale et verticale. </li><li> Suivre un processus en 3 étapes pour mesurer la fraction de tassement de la chute de suspension dense: <ol><li> Mesurer la masse de l&#39;entdroit de floc colère après l&#39;impact (par exemple en laissant tomber goutte dans une tasse de mesure qui peut être pesé avec précision). </li><li> Ensuite, évaporer tout solvant avec un dispositif de chauffage et peser à nouveau le floc pour obtenir la masse des particules. </li><li> Calculer le volume de particules et de liquide pour obtenir la fraction d&#39;emballage. En règle générale, cette fraction de volume doit être d&#39;environ 60%. </li></ol></li><li> Selon la direction d&#39;observation (en bas ou sur le côté), positionner la caméra de manière appropriée. En particulier, mettre l&#39;appareil en regard du substrat de la vue de côté, ou sur le même plan du miroir réfléchissant de formation d&#39;image de fond. </li></ol> 4. Enregistrement vidéo et d&#39;acquisition de données <ol><li> Après l&#39;étalonnage de l&#39;imagerie, redémarrer la pompe de la seringue. Dans le même temps, ouvrir le logiciel de commande de caméra pour surveiller le processus de l&#39;impact. </li><li> 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&#39;appareil au moment où goutte se détache de la buse. Effectuer quelques tests pratiques avant l&#39;enregistrement de données. </li><li> Une fois les données enregistrées, rogner sur la vidéo à la partie contenant l&#39;impact et enregistrer les vidéos que des séquences d&#39;images pour l&#39;analyse. </li></ol> 5. L&#39;image de post-traitement et de l&#39;analyse <ol><li> 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)). </li><li> À partir d&#39;images à la fois de fond et de côté, déterminer le début de projection de suspension dense. </li><li> 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&#39;éjection à partir de ces trajectoires (Figure 3 (d)). </li></ol>

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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions.">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).</li><li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Birth+and+growth+of+a+granular+jet.">Birth and growth of a granular jet.</a> Phys. Rev. E. 78, (2008).</li><li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence.">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Phys. Rev. Lett. 106, (2011).</li></ol>

Les auteurs n&#39;ont rien à révéler.

Plusieurs étapes sont essentielles pour la bonne exécution de l&#39;imagerie rapide. Tout d&#39;abord, l&#39;appareil photo et l&#39;objectif doivent être réglés de manière appropriée et calibré. En particulier, afin d&#39;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&#39;ouverture doit être soigneusement choisie pour l&#39;imagerie. P...

Déposez l&#39;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&#39;encre 3,4, où un contrôle précis de la chute d&#39;étalement et les éclaboussures est souhaitée. Cependant, l&#39;observation directe de l&#39;impact de baisse est techniquement difficile pour deux raisons. Tout d&#39;abord, il s&#39;agit d&#39;un processus dynamique complexe qui se produit dans un délai trop court (~ 100 ps) à imager facilement par les systèmes d&#39;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&#39;enregistrement continu, tel que requis pour une analyse détaillée de l&#39;évolution dans le temps. Deuxièmement, l&#39;échelle de longueur induite par l&#39;instabilité de l&#39;impact peut être aussi petite que 10 um 5. Par conséquent, pour étudier quantitativement le processus de l&#39;impact d&#39;un système qui combine l&#39;imagerie ultra-rapide avec une résolution spatiale relativement élevée est souventsouhaitée. En l&#39;absence d&#39;un tel système, les premiers travaux sur l&#39;impact des gouttelettes essentiellement porté sur la déformation géométrique mondial après l&#39;impact 6-8, mais a été incapable de recueillir des informations sur les premiers temps, les processus hors équilibre associés à l&#39;impact, tels que l&#39;apparition d&#39;éclaboussures. Les progrès récents dans le CMOS haute vitesse vidéographie de fluides 9,12 ont poussé le taux de trame jusqu&#39;à un million de fps et temps d&#39;exposition bas en dessous de 1 ps. En outre, les techniques d&#39;imagerie CCD nouvellement développés peuvent pousser le taux de trame bien au-dessus d&#39;un million d&#39;images par seconde 9-12. La résolution spatiale d&#39;un autre côté, peut être augmentée à l&#39;ordre de 1 um / pixel en utilisant des loupes 12. En conséquence, il est devenu possible d&#39;explorer en détail sans précédent de l&#39;influence d&#39;un grand nombre de paramètres physiques sur divers stades de l&#39;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&#39;imagerie rapide simple est proposée et appliquée pour étudier la dynamique de l&#39;impact des deux types de fluides non-newtoniens: métaux liquides et suspensions denses. Avec l&#39;exposition à l&#39;air, essentiellement tous les métaux liquides (sauf le mercure) spontanément développer une pellicule d&#39;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&#39;étalement quantitativement et étaient en mesure d&#39;expliquer comment l&#39;effet de peau influe sur la dynamique de l&#39;impact, en particulier la mise à l&#39;échelle du rayon d&#39;étalement maximal avec des paramètres d&#39;impact. Depuis métal liquide a haute réflectivité de la surface, un réglage précis de l&#39;éclairage est nécessaire dans l&#39;imagerie. Suspensions unere composée de petites particules dans un liquide. Même pour les liquides newtoniens simples, l&#39;ajout de particules résulte en un comportement non-newtonien, qui devient particulièrement prononcé dans les suspensions denses, c&#39;est à dire à haute fraction volumique des particules en suspension. En particulier, l&#39;apparition d&#39;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&#39;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&#39;observation des impacts à la fois du côté de et ci-dessous, peuvent tous être satisfaits de la configuration d&#39;imagerie décrit ici. En suivant un protocole standard, décrit ci-dessous, la dynamique d&#39;impact peuvent être investisnomènes étudiés d&#39;une manière contrôlée, comme le montre explicitement pour la diffusion et les éclaboussures comportement.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:604px;" width="605">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:103px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Gallium-Indium Eutectic</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>495425-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hydrochloric Acid&#160;</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>320331-2.5L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Zirconium oxide</td>
			<td>Glen Mills Inc.</td>
			<td>7200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phantom V12 &#38; V7 Fast Ccamera</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">105mm Micro-Nikon</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">12V/200W light Source</td>
			<td>Dedolight</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe Pump</td>
			<td>RAZEL</td>
			<td>MODEL R9-9E</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fast imaging technique to study drop impact dynamics of non-newtonian fluids

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&#39;observation détaillée des scénarios qui font qu&#39;il est difficile d&#39;observer avec les systèmes d&#39;imagerie conventionnelles. L&#39;une d&#39;elles est l&#39;impact de la goutte de liquide, qui se produit généralement à moins d&#39;un dixième de milliseconde. Pour relever ce défi, une technique d&#39;imagerie rapide est introduit qui combine une caméra haute vitesse (capables d&#39;aller jusqu&#39;à un million d&#39;images par seconde) avec un objectif macro à longue distance de travail de porter la résolution spatiale de l&#39;image vers le bas à 10 um / pixel. La technique d&#39;imagerie permet la mesure précise de la quantité de dynamique des fluides concernés, tels que le champ d&#39;écoulement, la distance et la vitesse d&#39;étalement d&#39;éclaboussures, de l&#39;analyse de la vidéo enregistrée. Pour démontrer les capacités de ce système de visualisation, la dynamique d&#39;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&#39;imagerie spatiale et temporelle introduite ici offre des avantages pour l&#39;étude de la dynamique rapide dans un large éventail de phénomènes microscopique.

La technique d&#39;imagerie rapide peut être utilisée pour quantifier la diffusion et les éclaboussures de différents scénarios d&#39;impact. Figure 4 (a), par exemple, montre typiques des séquences d&#39;images d&#39;impact pour eGain liquide avec différentes forces de la peau d&#39;oxyde. En éjectant eGain de la même buse, et à la même hauteur chute, les gouttelettes reproductible avec une vitesse d&#39;impact V 0 = 1,02 ± 0,12 m / s et de rayon R 0 = 6,25 ± 0,10 mm ...

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Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

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&#39;un dixième de milliseconde). Une technique d&#39;imagerie rapide est introduit dans le but de caractériser le comportement des différents fluides non-newtoniens impact.

Imagerie rapide technique permettant d&#39;étudier l&#39;impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

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Vidéo: Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic (VES) fluids. The measurements are made for particles settling in unbounded fluids&#160;and fluids between parallel walls. VES fluids over a wide range of rheological properties are prepared and rheologically characterized. The rheological characterization involves steady shear-viscosity and dynamic oscillatory-shear measurements to quantify the viscous and elastic properties respectively. The settling velocities under unbounded conditions are measured in beakers having diameters at least 25x the diameter of particles. For measuring settling velocities between parallel walls, two experimental cells with different wall spacing are constructed. Spherical particles of varying sizes are gently dropped in the fluids and allowed to settle. The process is recorded with a high resolution video camera and the trajectory of the particle is recorded using image analysis software. Terminal settling velocities are calculated from the data.
The impact of elasticity on settling velocity in unbounded fluids is quantified by comparing the experimental settling velocity to the settling velocity calculated by the inelastic drag predictions of Renaud et al.1&#160;Results show that elasticity of fluids can increase or decrease the settling velocity. The magnitude of reduction/increase is a function of the rheological properties of the fluids and properties of particles. Confining walls are observed to cause a retardation effect on settling and the retardation is measured in terms of wall factors.

This paper demonstrates the experimental procedure to measure terminal settling velocities of spherical particles in surfactant-based shear thinning viscoelastic fluids. Fluids over a wide range of rheological properties are prepared and settling velocities are measured for a range of particle sizes in unbounded fluids and fluids between parallel walls.

Mesure expérimentale de la vitesse de décantation des particules sphériques dans des fluides viscoélastiques d’amincissement à base de surfactants non confinés et confinés

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic ...

Recherche

Ingénierie

Time Multiplexing Super Resolving Technique for Imaging from a Moving Platform

We propose a method for increasing the resolution of an object and overcoming the diffraction limit of an optical system installed on top of a moving imaging system, such as an airborne platform or satellite. The resolution improvement is obtained in a two-step process. First, three low resolution differently defocused images are being captured and the optical phase is retrieved using an improved iterative Gerchberg-Saxton based algorithm. The phase retrieval allows to numerically back propagate the field to the aperture plane. Second, the imaging system is shifted and the first step is repeated. The obtained optical fields at the aperture plane are combined and a synthetically increased lens aperture is generated along the direction of movement, yielding higher imaging resolution. The method resembles a well-known approach from the microwave regime called the Synthetic Aperture Radar (SAR) in which the antenna size is synthetically increased along the platform propagation direction. The proposed method is demonstrated through laboratory experiment.

A method for overcoming the optical diffraction limit is presented. The method includes a two-step process: optical phase retrieval using iterative Gerchberg-Saxton algorithm, and imaging system shifting followed by repetition of the first step. A synthetically increased lens aperture is generated along the direction of movement, yielding higher imaging resolution.

Multiplexage temporel de Super Résolution technique d&#39;imagerie à partir d&#39;une plate-forme mobile

We propose a method for increasing the resolution of an object and overcoming the diffraction limit of an optical system installed on top of a moving ...

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned and bonded silicon wafers. Unlike confinements in porous materials often used for these types of experiments3, bonded wafers provide predesigned uniform spaces for confinement. The geometry of each cell is well known, which removes a large source of ambiguity in the interpretation of data.
Exceptionally flat, 5 cm diameter, 375 &#181;m thick Si wafers with about 1 &#181;m variation over the entire wafer can be obtained commercially (from Semiconductor Processing Company, for example). Thermal oxide is grown on the wafers to define the confinement dimension in the z-direction. A pattern is then etched in the oxide using lithographic techniques so as to create a desired enclosure upon bonding. A hole is drilled in one of the wafers (the top) to allow for the introduction of the liquid to be measured. The wafers are cleaned2 in RCA solutions and then put in a microclean chamber where they are rinsed with deionized water4. The wafers are bonded at RT and then annealed at ~1,100 &#176;C. This forms a strong and permanent bond. This process can be used to make uniform enclosures for measuring thermal and hydrodynamic properties of confined liquids from the nanometer to the micrometer scale.

A method for permanently bonding two silicon wafers so as to realize a uniform enclosure is described. This includes wafer preparation, cleaning, RT bonding, and annealing processes. The resulting bonded wafers (cells) have uniformity of enclosure ~1%1,2. The resulting geometry allows for measurements of confined liquids and gasses.

Fabrication de cavités uniformes à l’échelle nanométrique via la liaison directe de plaquettes de silicium

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust aggregates with sizes up to ~10 cm and porosities up to 70% can be collided. One of the drop towers is primarily used for very low impact speeds down to below 0.01 m/sec and makes use of a double release mechanism. Collisions are recorded in stereo-view by two high-speed cameras, which fall along the glass vacuum tube in the center-of-mass frame of the two dust aggregates. The other free-fall tower makes use of an electromagnetic accelerator that is capable of gently accelerating dust aggregates to up to 5 m/sec. In combination with the release of another dust aggregate to free fall, collision speeds up to ~10 m/sec can be achieved. Here, two fixed high-speed cameras record the collision events. In both drop towers, the dust aggregates are in free fall during the collision so that they are weightless and match the conditions in the early Solar System.

We present a technique to achieve low-velocity to intermediate-velocity collisions between fragile dust aggregates in the laboratory. For this purpose, two vacuum drop-tower setups have been developed that allow collision velocities between &#60;0.01 and ~10 m/sec. The collision events are recorded by high-speed imaging.

Laboratoire baisse Towers pour la simulation expérimentale de collisions poussière globales dans le système solaire précoce

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

La préparation de ElectroHydroDynamique Ponts de polaires liquides diélectriques

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

Investigation de la couche d&#39;émission spectroscopique Boundary au cours d&#39;essai des matériaux ablatif dans Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve geologic seals and allow CO2 to escape. However, the dissolution processes at reservoir conditions are poorly understood. Thus, time-resolved experiments are needed to observe and predict the nature and rate of dissolution at the pore scale. Synchrotron fast tomography is a method of taking high-resolution time-resolved images of complex pore structures much more quickly than traditional &#181;-CT. The Diamond Lightsource Pink Beam was used to dynamically image dissolution of limestone in the presence of CO2-saturated brine at reservoir conditions. 100 scans were taken at a 6.1 &#181;m resolution over a period of 2 hours. The images were segmented and the porosity and permeability were measured using image analysis and network extraction. Porosity increased uniformly along the length of the sample; however, the rate of increase of both porosity and permeability slowed at later times.

Synchrotron fast tomography was used to dynamically image dissolution of limestone in the presence of CO2-saturated brine at reservoir conditions. 100 scans were taken at a 6.1 &#181;m resolution over a period of 2 h.

Dynamic Pore échelle Reservoir condition d&#39;imagerie de Réaction en Carbonates utilisant Synchrotron Tomographie rapide

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

Dielectric RheoSANS &#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and microstructural properties of complex fluids is presented. The instrument consists of a Couette geometry contained within a modified forced convection oven mounted on a commercial rheometer. This instrument is available for use on the small angle neutron scattering (SANS) beamlines at the National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research (NCNR). The Couette geometry is machined to be transparent to neutrons and provides for measurement of the electrical properties and microstructural properties of a sample confined between titanium cylinders while the sample undergoes arbitrary deformation. Synchronization of these measurements is enabled through the use of a customizable program that monitors and controls the execution of predetermined experimental protocols. Described here is a protocol to perform a flow sweep experiment where the shear rate is logarithmically stepped from a maximum value to a minimum value holding at each step for a specified period of time while frequency dependent dielectric measurements are made. Representative results are shown from a sample consisting of a gel composed of carbon black aggregates dispersed in propylene carbonate. As the gel undergoes steady shear, the carbon black network is mechanically deformed, which causes an initial decrease in conductivity associated with the breaking of bonds comprising the carbon black network. However, at higher shear rates, the conductivity recovers associated with the onset of shear thickening. Overall, these results demonstrate the utility of the simultaneous measurement of the rheo-electro-microstructural properties of these suspensions using the dielectric RheoSANS geometry.

Dielectric RheoSANS &amp;#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

Here, we present a procedure for the measurement of simultaneous impedance, rheology and neutron scattering from soft matter materials under shear flow.

RheoSANS - Interrogation simultanée Dielectric d&#39;impédance, Rhéologie et petit angle de diffusion neutronique des fluides complexes

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and ...

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of gamma rays created when neutrons interact with soil elements. The main parts of the INS system are a pulsed neutron generator, NaI(Tl) gamma detectors, split electronics to separate gamma spectra due to INS and thermo-neutron capture (TNC) processes, and software for gamma spectra acquisition and data processing. This method has several advantages over other methods in that it is a non-destructive in situ method that measures the average carbon content in large soil volumes, is negligibly impacted by local sharp changes in soil carbon, and can be used in stationary or scanning modes. The result of the INS method is the carbon content from a site with a footprint of ~2.5 - 3 m2 in the stationary regime, or the average carbon content of the traversed area in the scanning regime. The measurement range of the current INS system is &#62;1.5 carbon weight % (standard deviation &#177; 0.3 w%) in the upper 10 cm soil layer for a 1 hmeasurement.

Here, we present the protocol for in situ measurement of soil carbon using the neutron-gamma technique for single point measurements (static mode) or field averages (scanning mode). We also describe system construction and elaborate data treatment procedures.

Mesures du carbone du sol par Neutron-Gamma analyse statique et Modes de numérisation

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous studies on flowing liquid films have neglected the contributions of spatial structures of waves to the impact outcome, while this has recently been shown to have a significant influence on the drop impact dynamics. In this report, we outline a step-by-step procedure to investigate the effect of periodic inlet forcing of a flowing liquid film leading to the production of spatiotemporally regular wave structures on drop impact dynamics. A function generator in connection with a solenoid valve is used to excite these spatiotemporally regular wave structures on the film surface while the impact dynamics of uniform-sized droplets are captured using a high-speed camera. Three distinct regions are then studied; viz. the capillary wave region preceding the large wave peak, the flat film region, and the wave hump region. The effects of important dimensionless quantities such as film Reynolds, drop Weber and Ohnesorge numbers parameterized by the film flow rate, drop speed, and drop size are also examined. Our results show interesting, hitherto undiscovered dynamics brought about by this application of film inlet forcing of the flowing film for both low and high inertia drops.

A protocol to study the contributions of waves to droplet impact dynamics on flowing liquid films is presented.

Commande de film pour étudier les Contributions des ondes à gouttelettes Impact dynamique sur mince qui coule liquide Films

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous ...