טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

Summary

השפעת הירידה של נוזלים שאינם הניוטונית היא תהליך מורכב שכן פרמטרים פיזיים שונים להשפיע על הדינמיקה לאורך זמן קצר מאוד (פחות מעשירית מאלפית שני). טכניקת הדמיה מהר הוא הציג במטרה לאפיין את התנהגויות ההשפעה של נוזלים שאינם הניוטונית שונים.

Abstract

בתחום של מכניקת זורמים, תהליכים רבים דינמיים להתרחש לא רק על מרווח זמן קצר מאוד, אבל גם דורשים ברזולוציה מרחבית גבוהה להסתכלות מפורטת, תרחישים שהופכים אותו המאתגר להתבונן במערכות הדמיה קונבנציונליות. אחד מהם הוא השפעת הירידה של נוזלים, מה שקורה בדרך כלל בתוך עשירית מהאלפית שני. כדי להתמודד עם אתגר זה, טכניקת הדמיה מהר הוא הציג שמשלבת מצלמה במהירות גבוהה (מסוגל עד מיליון פריימים לשניה) עם עדשת מאקרו עם מרחק עבודה ארוך כדי להביא את ברזולוציה מרחבית של התמונה עד 10 מיקרומטר / פיקסל. טכניקת ההדמיה מאפשרת מדידה מדויקת של כמויות רלוונטיות נוזל דינמיים, כגון שדה הזרימה, המרחק מתפשט ומהירות המתיז, מניתוח של הווידאו שהוקלט. כדי להדגים את היכולות של מערכת להדמיה זו, דינמיקת ההשפעה כאשר טיפות של נוזלים שאינם הניוטונית פוגעות במשטח קשה שטוח characterized. שני מצבים נחשבים: לטיפי מתכת נוזלי חמצון אנו מתמקדים בהתנהגות מתפשטת, ולהשעיות צפופות אנו קובעים את תחילתה של התזה. באופן כללי יותר, השילוב של הדמיה ברזולוציה הגבוהה של זמן ומרחב הציגה כאן מציע יתרונות ללימוד דינמיקה מהירה על פני מגוון רחב של תופעות microscale.

Introduction

זרוק את ההשפעה על גבי משטח מוצק הוא תהליך מפתח ביישומים רבים מעורבים בייצור אלקטרוני ^1, תרסיס ציפוי ^2, ותוסף ייצור באמצעות הזרקת דיו מדפיס ^3,4, שבו שליטה מדויקת של ירידה מתפשטת והתזות היא רצויה. עם זאת, התבוננות ישירה של השפעת הירידה היא מאתגרת מבחינה טכנית משתי סיבות. ראשית, הוא תהליך דינמי מורכב המתרחש בתוך לוח זמנים קצר מדי (~ 100 μsec) להיות צילם בקלות על ידי מערכות הדמיה קונבנציונליות, כמו מיקרוסקופים אופטיים ומצלמות DSLR. פחית פלאש צילום של תמונה כמובן הרבה יותר מהר, אבל אינו מאפשר הקלטה רציפה, כפי שנדרש לניתוח מפורט של ההתפתחות עם זמן. שנית, בקנה מידת האורך הנגרם על ידי אי יציבות השפעה יכולה להיות קטנה כמו 10 מיקרומטר ^5. לכן, כדי ללמוד כמותית תהליך השפעת מערכת שמשלבת הדמיה מהירה יחד עם רזולוציה מרחבית גבוהה סביר הוא לעתים קרובותרצוי. בהעדר מערכת כזו, עבודה מוקדמת על השפעת הטיפה התמקדה בעיקר בעיוות הגיאומטרית העולמית לאחר ההשפעה ^6-8, אך לא הצליח לאסוף מידע על הזמן מוקדם, תהליכי nonequilibrium קשורים להשפעה, כגון תחילתה של התזה. ההתקדמות שחלה באחרונה בצילום וידאו במהירות גבוהה CMOS של נוזלים ^9,12 דחפה את מסגרת הדולר עד מיליון תמונות בשניה וזמני חשיפה למטה 1 μsec. יתר על כן, שיטות ההדמיה CCD חדש שפותח יכולות לדחוף את מסגרת הדולר הרבה מעל fps מיליון ^9-12. רזולוציה מרחבית ומצד שני, ניתן להגדיל את הסדר של 1 מיקרומטר / פיקסל שימוש בעדשות מגדלת ^12. כתוצאה מכך, זה הפך להיות אפשרי לחקור בפירוט חסר תקדים את ההשפעה של מגוון רחב של פרמטרים פיזיים בשלבים שונים של השפעת הירידה ולהשוות ניסוי לבין תאורית ^5,13-16 באופן שיטתי. לדוגמא, מעבר התזות נוזלים הניוטונית היה found כדי להיות מוגדר על ידי לחץ אווירה ^5, בעוד rheology הפנימי מחליט דינמיקת ההתפשטות של נוזלי תשואה לחץ ^17.

הנה טכניקת הדמיה מהירה פשוט אך רבת עוצמה הוא הציג וליישם כדי ללמוד את דינמיקת ההשפעה של שני סוגים של נוזלים שאינם הניוטונית: מתכות נוזלי והשעיות צפופות. עם חשיפה לאוויר, למעשה את כל המתכות נוזלי (מלבד כספית) באופן ספונטני לפתח עור תחמוצת על פני השטח שלהם. מבחינה מכאנית, העור נמצא לשנות מתח פנים יעיל ויכולת הרטבה של המתכות ^18. במאמר קודם ^15, כמה מהמחברים חקרו את תהליך הפצת כמותית והיו מסוגל להסביר כיצד השפעת העור משפיעה על דינמיקת ההשפעה, במיוחד את קנה המידה של רדיוס הפצה המרבי עם פרמטרים השפעה. מאז מתכת נוזלית יש החזר של פני השטח גבוה, התאמה מדוקדקת של התאורה נדרשת בהדמיה. השעיותמחדש מורכב מחלקיקים קטנים בנוזל. גם לנוזלים ניוטונית פשוטים, התוספת של תוצאות חלקיקים בהתנהגות שאינה הניוטונית, אשר הופכת בולט במיוחד במתלים צפופים, כלומר בכל חלק בנפח גבוה של חלקיקים מרחפים. במיוחד, את התחלתה של התזה, כאשר טיפת השעיה פוגעת משטח חלק, קשה נחקרה בעבודה הקודמת ^16. שני נוזלי חלקיקים ואינטראקציות בין חלקיקים יכולים לשנות את מתיז ההתנהגות באופן משמעותי ממה שניתן היה לצפות מנוזלים פשוטים. כדי לעקוב אחר חלקיקים קטנים כמו 80 מיקרומטר בניסויים אלה יש צורך ברזולוציה מרחבית גבוהה.

שילוב של דרישות טכניות שונות, כגון רזולוציה גבוהה של זמן ומרחב, בתוספת היכולת להתבוננות משפיעה על שניהם מהצד ומלמטה, כולם יכול להיות מרוצה מהתקנת ההדמיה שתוארה כאן. על ידי ביצוע פרוטוקול סטנדרטי, שיתואר להלן, דינמיקת ההשפעה יכולה להיות investigated בצורה מבוקרת, כפי שמוצג באופן מפורש להפצת ומתיז התנהגות.

Protocol

1. התקנת הדמיה מהירה (ראה איור 1)

1. התחל על ידי הקמת מסלול אנכי שלאורכו מיכל מלא בנוזל כדי להיחקר ניתן להעביר באופן חופשי כדי להתאים את מהירות ההשפעה. הנוזל עוזב את תחתית המכל דרך נחיר ואז נכנס נפילה חופשית. עבור עבודה זו את גובה הנפילה היה מגוון 1-200 סנטימטר לתת V מהירות השפעה ₀ = (0.4-6.3) ± 0.15 מ '/ שנייה.
2. לבנות והר מסגרת להחזיק המישור האופקי השפעה, בדרך כלל על צלחת זכוכית, שתחתיו מראה מהורהר נוטה ממוקם לדמיין את השפעת הטיפה מהתחתית.
3. מניחים צלחת זכוכית נקייה וחלקה על גבי המחזיק. ודא הצלחת מפולסת אופקית.
4. הר משאבת מזרק על המסלול האנכי.
5. להשפעת מתכת נוזלית, הנח את מפזר נייר שקוף מאחורי נחיר הדמיה צד וצפה. באותו הזמן, לצרף נייר אטום לבן מעל משאבת המזרק כדי ליצורהשתקפות לצפייה תחתונה (ראה איור 1). לאחר מכן, לאתר את מקור האור מאחורי הנחיר.
6. להשפעת השעיה צפופה, אין צורך במפזר. במקום זאת, פשוט למקם את מקור האור בקדמת מטוס ההדמיה.
7. בחר את עדשת מאקרו עם אורך מוקד מתאים להגדלה רצויה ומרחק עבודה אופטי. ואז, לחבר את העדשה למצלמה.
8. הר את המצלמה על חצובה ולהתאים את הגובה של מצלמה על פי נקודת מבט הדמיה (צד או בתחתית).

2. לדוגמא הכנה

1. הכנת חמצון המתכת נוזלית
   1. חנות גליום אינדיום eutectic (eGaIn) במכל אטום. מאז טמפרטורת ההתכה שלה היא כ 15 C °, eGaIn נשאר במצב נוזלי בטמפרטורת חדר.
   2. השתמש פיפטה כדי לחלץ 3 מיליליטר eGaIn מיכל וextrude אותו על צלחת אקרילי. חכה 30 דקות למדגם להיות מחומצן באופן מלא באוויר. כconsequence, שכבה דקה של עור מקומט חמצון מכסה לחלוטין את פני השטח המדגם.
   3. השתמש בחומצה הידרוכלורית (HCl; "זהירות") של ריכוזים שונים לכביסה מוקדמת מדגם eGaIn ולשלוט חמצון פני השטח. באופן ספציפי, גזירה המדגם, בזמן שהוא באמבטיה החומצה, בשיעור שניות ^-1 גזירה 60 עם rheometer. לאחר 10 דקות של גזירה, רמת חמצון פני השטח במדגם מגיעה לשיווי משקל, שנקבע על ידי ^15,18 ריכוז HCl.
   4. לאחר כביסה מוקדמת זו, להשתמש במזרק פלסטיק עם קצה נחיר פלדה כדי לחלץ eGaIn מהאמבטיה.
   5. הר את המזרק על משאבת המזרק ולהיות מוכן לניסוי.
2. הכנת תרחיפים צפופים
   1. חותכים את הקצה של מזרק מסחרי (4.5 מ"מ או 2.3 מ"מ ברדיוס) ולהשתמש בו כצינור גלילי מחלק ההשעיה הצפופה.
   2. למשוך בחזרה את הבוכנה ולמלא את המזרק עם מים כל הדרך עד לסוף הפתוח, מה שהופך את יםיור אין בועת אוויר לרכבת.
   3. שים ZrO ₂ או זכוכית חרוזים כדוריים לתוך המזרק. עם שקיעה של חלקיקים, מים יישפכו החוצה מהנחיר. מלא את המזרק עם חלקיקים כל הדרך עד לסוף הפתוח. ההשעיה תהיה פקק תחת כובד.
   4. השתמש בסכין גילוח כדי להסיר חלקיקים רטוב נוספים מלמעלה כדי לשמור על סופו של דבר שדירה.
   5. פליפ מעל הנחיר ולעלות אותו על משאבת המזרק. מתח פנים ימנע את החלקיקים מהנפילה מתוך ^16.

3. כיול

לפני איסוף קטעי וידאו, את הפרמטרים של מכשיר ההדמיה צריכים להיות מוגדרים ויישור תאורה צריך להסתיים. כמו כן, ברזולוציה מרחבית צריכה להיות מכוילת.

1. הפעל את משאבת המזרק במהירות של 20 מיליליטר / שעה כדי לדחוף את הנוזלים (מתכת נוזלית או השעיה) מהנחיר.
2. חכה לנוזל להתנתק מהמזרק, בצורת טיפה ונפילתו שלf כדי לעשות השפעה מבחן על גבי מצע הזכוכית.
3. התאם את מיקום המצלמה, כולל המצב האנכי שלה ונטייה הדמיה, כדי למצוא את מעיכה בצג המחשב המתחבר למצלמה. שנה את מרחק העבודה כדי לסדר את התמונה להיות במישור המוקד כאשר יחס הרבייה של העדשה קבוע ב1:1.
4. לשנות את גודל הצמצם, זמן חשיפה וזווית תאורה כדי להשיג את איכות התמונה הטובה ביותר כאשר במסגרת השיעור הוא גבוהה מספיק (> 6,000 תמונות בשנייה). איור 2 (א) מציג תמונות טיפוסיות שצולמו על ידי המצלמה עבור שני eGaIn הנוזלי והשעיה צפופה.
5. הנח שליט בשדה הראייה (ראה איור 2 (ב)) ולחשב את הרזולוציה מרחבית על ידי לספור כמה פיקסלים שיתאימו לרוחב 1 סנטימטר. ודא שאין הבדל ברזולוציה בין כיוונים אופקיים ואנכיים.
6. עקוב תהליך 3 שלבים כדי למדוד את שבר האריזה של טיפת השעיה צפופה:
   1. למדוד את המסה של entתקין זעם מעיכה לאחר ההשפעה (למשל על ידי ומאפשרות ירידת הנפילה לתוך כוס מדידה שיכולה להישקל באופן מדויק).
   2. לאחר מכן, תתאדה כל הממס עם דוד ולשקול את מעיכה שוב כדי להשיג את המסה של החלקיקים.
   3. חישוב הנפח של חלקיקים ונוזל כדי לקבל את החלק יחסי האריזה. בדרך כלל, בר נפח זה צריך להיות סביב 60%.
7. בהתאם לכיוון תצפית (בחלק תחתון או בצד), מקם את המצלמה כראוי. בפרט, לשים את המצלמה לצד המצע של המבט מהצד או באותה הרמה של המראה רעיוני להדמית תחתית.

4. הקלטת וידאו ונתונים רכישה

1. לאחר כיול הדמיה, להפעיל מחדש את משאבת המזרק. במקביל, פתח את תוכנת המצלמה שליטה לפקח על תהליך ההשפעה.
2. הגדר את מספרי המסגרת מפעילה-הודעה כבמחצית אורך וידאו. צפה בזהירות בעת הירידה מתחילה להיווצר וידני trigגר במצלמה ברגע שבו טיפה מתנתקת מהנחיר. לבצע כמה בדיקות בפועל לפני הקלטת נתונים.
3. לאחר שהנתונים שנרשמו, לקצץ את הווידאו לחלק המכיל את ההשפעה ולשמור את קטעי הווידאו כרצפי תמונה לניתוח.

5. לאחר עיבוד תמונה וניתוח

1. השתמש בשיטת זיהוי גבול כדי לאתר את החזית מרגשת של eGaIn הנוזלי כפי שהוא מתפשט, אשר תואם את מעבר חד בערך פיקסל הממוצע (ראה איורים 3 (AB).)
2. מתמונות הן תחתונה וצד, לקבוע את תחילת ההתזות של השעיה צפופה.
3. לבצע אלגוריתמי חלקיקי מעקב להשיג עקבות של חלקיקים בודדים שנמלטו מהמעיכה (ראה איור 3 (ג)). לאחר מכן, לחשב את המהירות ולהוציא ממסלולים כאלה (איור 3 (ד)).

תוצאות

טכניקת ההדמיה מהירה ניתן להשתמש כדי לכמת מתפשט ומתיז לתרחישי השפעה שונים. איור 4 (א), למשל, מציג רצפי תמונת השפעה אופייניים לeGaIn נוזל עם חוזק עור תחמוצת שונה. על ידי ולהוציא eGaIn מאותו הנחיר באותו הגובה נופל, טיפין עם V מהירות השפעה לשעתק ₀ = 1.02 ± R 0.12 מ '/ השנ...

Discussion

כמה צעדים הם קריטיים לביצוע נכון של ההדמיה מהר. ראשית, מצלמה ועדשה צריכה להיות מוגדרות כראוי ומכוילות. בפרט, על מנת לקבל רזולוציה מרחבית גבוהה, יחס הגדלה של העדשה חייבת להיות כל הזמן קרוב ל1:1. זה חשוב במיוחד להדמיה של השעיות צפופות. כמו כן, גודל הצמצם צריכה להיות שנבחר ב...

Materials

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