Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

Riepilogo

Impatto goccia di fluidi non-Newtoniani è un processo complesso da diversi parametri fisici influenzano le dinamiche in un brevissimo tempo (meno di un decimo di millisecondi). Una tecnica di imaging veloce è introdotto al fine di caratterizzare i comportamenti impatto dei diversi liquidi non-Newtoniani.

Abstract

Nel campo della meccanica dei fluidi, molti processi dinamici verificano non solo in un intervallo di tempo molto breve, ma anche richiedono alta risoluzione spaziale per l'osservazione dettagliata, scenari che rendono difficile osservare con sistemi di imaging convenzionali. Uno di questi è l'impatto goccia di liquidi, che avviene di solito entro un decimo di millisecondo. Per affrontare questa sfida, una tecnica di imaging veloce è introdotto che combina una telecamera ad alta velocità (capace di fino a un milione di fotogrammi al secondo) con un obiettivo macro con lunga distanza di lavoro per portare la risoluzione spaziale dell'immagine fino a 10 micron / pixel. La tecnica di imaging consente la misurazione precisa delle rispettive quantità fluidodinamici, come il campo di flusso, la distanza e la velocità di diffusione spruzzi, dall'analisi del video registrato. Per dimostrare le capacità di questo sistema di visualizzazione, le dinamiche di impatto quando le goccioline di fluidi non-newtoniani incidono su una superficie piatta e dura sono carattemente autorizzato. Due situazioni sono considerate: per ossidati gocce di metallo liquido ci concentriamo sul comportamento diffusione, e per le sospensioni densamente si determina l'insorgenza di schizzi. Più in generale, la combinazione di immagini ad alta risoluzione temporale e spaziale introdotto qui offre vantaggi per studiare dinamica veloce in una vasta gamma di fenomeni microscala.

Introduzione

Cadere impatto su una superficie solida è un processo fondamentale in molte applicazioni che coinvolgono fabbricazione elettronico ^1, rivestimento a spruzzo ^2, e la produzione additiva mediante la stampa ^3,4, dove un controllo preciso della goccia diffusione e spruzzi d'inchiostro è desiderato. Tuttavia, l'osservazione diretta di impatto goccia è tecnicamente difficile per due ragioni. In primo luogo, si tratta di un processo dinamico complesso che si verifica all'interno di un lasso di tempo troppo breve (~ 100 msec), per essere ripreso facilmente con sistemi di imaging convenzionali, quali microscopi ottici e fotocamere DSLR. Flash photography lattina immagine corso molto più veloce, ma non consente la registrazione continua, come richiesto per l'analisi dettagliata dell'evoluzione nel tempo. In secondo luogo, la scala di lunghezza indotta da instabilità impatto può essere piccolo come 10 micron ^5. Pertanto, per studiare quantitativamente il processo impatto un sistema che combina l'imaging ultraveloce insieme ragionevolmente alta risoluzione spaziale è spessodesiderato. In assenza di tale sistema, i primi lavori sull'impatto droplet focalizzata principalmente sulla deformazione geometrica globale dopo l'impatto ^6-8, ma era in grado di raccogliere informazioni sul tempo in anticipo, i processi di non equilibrio associati con un impatto, come ad esempio l'insorgenza di spruzzi. I recenti progressi nella CMOS ad alta velocità videografia di fluidi ^9,12 hanno spinto il frame rate fino a un milione fps e tempi di esposizione giù di sotto di 1 msec. Inoltre, le tecniche di imaging CCD di nuova concezione in grado di spingere il frame rate ben al di sopra di un milione di fps ^9-12. Risoluzione spaziale d'altra parte, può essere aumentata a dell'ordine di 1 micron / pixel utilizzando lenti di ingrandimento ^12. Di conseguenza, è diventato possibile esplorare in dettaglio senza precedenti l'influenza di una vasta gamma di parametri fisici su diverse fasi di impatto goccia e di confrontare sistematicamente esperimento e teoria ^5,13-16. Per esempio, la transizione schizzi in fluidi Newtoniani era found fissato dalla pressione atmosferica ^5, mentre la reologia intrinseca decide le dinamiche di diffusione dei fluidi rendimento-stress ^17.

Ecco ancora un potente tecnica di imaging veloce semplice viene introdotto e applicato per studiare le dinamiche di impatto dei due tipi di fluidi non newtoniani: metalli liquidi e sospensioni densamente. Con l'esposizione all'aria, in sostanza, tutti i metalli liquidi (tranne il mercurio) spontaneamente sviluppare una pellicola di ossido sulla loro superficie. Meccanicamente, la pelle è trovato per modificare la tensione superficiale e la capacità effettiva bagnatura dei metalli ^18. In un precedente documento ^15, molti degli autori hanno studiato il processo di diffusione quantitativamente e sono stati in grado di spiegare come l'effetto pelle influenza la dinamica di impatto, in particolare il ridimensionamento del raggio massimo diffusione con i parametri di impatto. Dal metallo liquido ha alta riflettività superficiale, attenta adeguamento dell'illuminazione è richiesta nel imaging. Sospensioni unre composta di piccole particelle in un liquido. Anche per semplici liquidi newtoniani, l'aggiunta di particelle di ottenere un comportamento non newtoniano, che diventa particolarmente pronunciato in sospensioni dense, cioè a frazione elevato volume di particelle sospese. In particolare, l'insorgenza di spruzzi quando una gocciolina sospensione colpisce una superficie liscia e dura è stata studiata nel lavoro precedente ^16. Entrambi liquido-particelle e delle interazioni inter-particelle in grado di modificare il comportamento spruzzi significativamente da quello che ci si potrebbe aspettare da liquidi semplici. Per monitorare le particelle piccole come 80 micron di questi esperimenti è necessaria un'elevata risoluzione spaziale.

Una combinazione di vari requisiti tecnici come l'alta risoluzione temporale e spaziale, nonché la capacità di osservare gli impatti sia dal lato e dal basso, possono tutti essere soddisfatto con la messa a punto di imaging descritto qui. Seguendo un protocollo standard, descritto di seguito, le dinamiche di impatto possono essere adeguatamentetigated in modo controllato, come indicato esplicitamente per la diffusione e schizzi comportamento.

Protocollo

1. Setup Imaging veloce (vedi figura 1)

1. Inizia creando una guida verticale lungo la quale un contenitore riempito con il fluido da studiare può essere liberamente spostato per regolare la velocità di impatto. Il fluido esce dal fondo del contenitore attraverso un ugello e poi entra caduta libera. Per questo lavoro l'altezza di caduta è stata variata 1-200 cm di dare una velocità d'impatto V ₀ = (0,4-6,3) ± 0,15 m / sec.
2. Costruire e montare un telaio per tenere il piano d'urto orizzontale, tipicamente una lastra di vetro, in cui uno specchio riflettente inclinata è posizionato per visualizzare l'impatto goccia dal fondo.
3. Mettere una lastra di vetro pulita e liscia sul supporto. Assicurarsi che la piastra è livellato orizzontalmente.
4. Montare una pompa a siringa sulla guida verticale.
5. Per impatto metallo liquido, posizionare un diffusore carta trasparente dietro l'ugello per la vista laterale imaging. Allo stesso tempo, allegare una carta opaca bianca sopra la pompa a siringa per generareriflessione per la parte inferiore di visualizzazione (vedere Figura 1). Quindi, individuare la sorgente luminosa dietro l'ugello.
6. Per impatto sospensione densa, non è necessario alcun diffusore. Invece, è sufficiente posizionare la sorgente di luce di fronte al piano di imaging.
7. Selezionare la lente macro con una lunghezza focale adeguata per l'ingrandimento desiderato e ottica distanza di lavoro. Quindi, collegare la lente alla fotocamera.
8. Montate la fotocamera su un treppiede e regolare l'altezza della fotocamera in base alla prospettiva di imaging (laterale o inferiore).

2. Preparazione del campione

1. Preparazione del ossidato metallo liquido
   1. Il negozio di gallio-indio eutettica (eGain) in un contenitore sigillato. Dalla sua temperatura di fusione è di circa 15 ° C, eGain rimane allo stato liquido a temperatura ambiente.
   2. Utilizzare una pipetta per estrarre 3 ml eGain dal contenitore e estruderlo su una piastra in acrilico. Attendere 30 minuti per il campione di essere completamente ossidato in aria. Come consequence, un sottile strato di pelle rugosa ossidato copre completamente la superficie del campione.
   3. Usare acido cloridrico (HCl; "ATTENZIONE") di diverse concentrazioni di prelavaggio campione eGain e controllare l'ossidazione superficiale. In particolare, tranciare il campione, mentre è in bagno acido, a 60 sec ^-1 shear rate con un reometro. Dopo 10 min di taglio, il livello di ossidazione della superficie del campione raggiunge l'equilibrio, fissato dalla concentrazione ^15,18 HCl.
   4. Dopo questo prelavaggio, usare una siringa di plastica con una punta di ugello in acciaio per estrarre eGain dal bagno.
   5. Montare la siringa sulla pompa siringa e pronto per l'esperimento.
2. Preparazione di sospensioni dense
   1. Tagliare l'estremità di una siringa commerciale (4.5 mm o 2,3 millimetri in raggi) e usarlo come tubo cilindrico per erogare la sospensione densa.
   2. Tirare indietro il pistone e riempire la siringa con acqua tutta la strada fino alla fine aperta, facendo sure non vi è alcuna bolla d'aria intrappolata.
   3. Mettere sferiche ZrO ₂ o perline di vetro nella siringa. Con la sedimentazione delle particelle, acqua fuoriuscire dall'ugello. Riempire la siringa con particelle fino all'estremità aperta. La sospensione marmellata gravità.
   4. Utilizzare una lama di rasoio per rimuovere le particelle bagnate supplementari dalla parte superiore per mantenere quel fine piatta.
   5. Capovolgere l'ugello e montarlo sulla pompa siringa. Tensione superficiale impedirà le particelle cadano ^16.

3. Taratura

Prima di raccogliere video, i parametri del dispositivo di imaging devono essere impostate e l'allineamento di illuminazione deve essere completato. Inoltre, la risoluzione spaziale deve essere calibrato.

1. Avviare la pompa a siringa ad una velocità di 20 ml / h per spingere fuori il liquido (liquido metallo o sospensione) dall'ugello.
2. Attendere per il fluido di staccarsi dalla siringa, formare una goccia e la caduta dif per effettuare un test di impatto sul substrato di vetro.
3. Regolare la posizione della telecamera, compresa la sua posizione verticale e l'orientamento di imaging, per trovare il splat nel monitor del computer che si collega alla videocamera. Modificare la distanza di lavoro di organizzare l'immagine sia nel piano focale quando il rapporto di riproduzione della lente è fissato a 1:1.
4. Variare la dimensione di apertura, tempo di esposizione e l'angolo di illuminazione per ottenere la migliore qualità dell'immagine quando il frame rate è sufficientemente elevata (> 6000 fps). Figura 2 (a) mostra immagini tipiche riprese dalla telecamera sia liquido eGain e una sospensione densa.
5. Posizionare un righello nel campo visivo (vedi Figura 2 (b)) e calcolare la risoluzione spaziale contando quanti pixel adattare attraverso 1 cm. Assicurarsi che non vi è alcuna differenza di risoluzione tra direzioni orizzontale e verticale.
6. Seguire un processo in 3 step per misurare la frazione di imballaggio denso goccia di sospensione:
   1. Misurare la massa del entire splat destra dopo l'impatto (ad esempio lasciando cadere goccia in una tazza di misurazione che può essere pesato con precisione).
   2. Poi, far evaporare tutto il solvente con un riscaldatore e pesare il simbolo di nuovo per avere la massa delle particelle.
   3. Calcolare il volume di particelle e liquido per ottenere la frazione di imballaggio. In genere, questa frazione del volume dovrebbe essere intorno al 60%.
7. Secondo la direzione di osservazione (inferiore o laterale), posizionare la videocamera in modo appropriato. In particolare, mettere la telecamera accanto al substrato per la vista laterale o sullo stesso livello dello specchio riflettente per l'imaging fondo.

4. Video Recording and Data Acquisition

1. Dopo la calibrazione di imaging, riavviare la pompa a siringa. Allo stesso tempo, aprire il software telecamera controllo per monitorare il processo impatto.
2. Impostare i numeri di post attivazione del telaio a circa la metà della lunghezza del video. Guardate con attenzione quando la goccia inizia a formarsi e manualmente trigger la fotocamera nel momento in cui goccia stacca dall'ugello. Eseguire alcune prove pratiche prima della registrazione dati.
3. Dopo che i dati vengono registrati, rintuzzare il video alla porzione contenente l'impatto e salvare i video come sequenze di immagini per l'analisi.

5. Immagine di post-elaborazione e analisi

1. Utilizzare un metodo di rilevazione confine per individuare il fronte movimento di liquido eGain come si diffonde, che corrisponde ad una transizione netta nel valore medio dei pixel (vedi figure 3 (AB).)
2. Dalle immagini sia inferiore e laterale, determinare l'insorgenza schizzi di sospensione densa.
3. Eseguire algoritmi particella-tracking per ottenere le tracce di particelle individuali che sfuggivano dal simbolo (vedi figura 3 (c)). Quindi, calcolare la velocità di eiezione da tali traiettorie (Figura 3 (d)).

Risultati

La tecnica di imaging veloce può essere utilizzato per quantificare la diffusione e schizzi per diversi scenari di impatto. Figura 4 (a), per esempio, mostra tipiche sequenze di immagini d'impatto per liquidi eGain con forza la pelle ossido di diverso. Espellendo eGain dallo stesso ugello e alla stessa altezza goccioline precipitando con riproducibile velocità di impatto V ₀ = 1,02 ± 0,12 m / sec e raggio R ₀ = 6,25 ± 0,10 millimetri sono stati generati. La colonna di sinis...

Discussione

Diversi passaggi sono fondamentali per la corretta esecuzione della rappresentazione veloce. In primo luogo, fotocamera e l'obiettivo deve essere opportunamente impostato e calibrato. In particolare, al fine di ottenere elevata risoluzione spaziale, il rapporto di riproduzione della lente deve essere tenuto vicino a 1:1. Questo è particolarmente importante per la visualizzazione di sospensioni dense. Inoltre, la dimensione di apertura deve essere scelto con attenzione per l'imaging. Per esempio, l'osservazi...

Materiali

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