Grazie a Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin e Michelle Driscoll per molte discussioni utili e Qiti Guo assistenza nella preparazione dei campioni sperimentali. Questo lavoro è stato supportato dal programma MRSEC della National Science Foundation sotto Grant No. DMR-0820054.

1. Setup Imaging veloce (vedi figura 1) <ol><li> 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&#39;altezza di caduta è stata variata 1-200 cm di dare una velocità d&#39;impatto V 0 = (0,4-6,3) ± 0,15 m / sec. </li><li> Costruire e montare un telaio per tenere il piano d&#39;urto orizzontale, tipicamente una lastra di vetro, in cui uno specchio riflettente inclinata è posizionato per visualizzare l&#39;impatto goccia dal fondo. </li><li> Mettere una lastra di vetro pulita e liscia sul supporto. Assicurarsi che la piastra è livellato orizzontalmente. </li><li> Montare una pompa a siringa sulla guida verticale. </li><li> Per impatto metallo liquido, posizionare un diffusore carta trasparente dietro l&#39;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&#39;ugello. </li><li> Per impatto sospensione densa, non è necessario alcun diffusore. Invece, è sufficiente posizionare la sorgente di luce di fronte al piano di imaging. </li><li> Selezionare la lente macro con una lunghezza focale adeguata per l&#39;ingrandimento desiderato e ottica distanza di lavoro. Quindi, collegare la lente alla fotocamera. </li><li> Montate la fotocamera su un treppiede e regolare l&#39;altezza della fotocamera in base alla prospettiva di imaging (laterale o inferiore). </li></ol> 2. Preparazione del campione <ol><li> Preparazione del ossidato metallo liquido <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Usare acido cloridrico (HCl; &quot;ATTENZIONE&quot;) di diverse concentrazioni di prelavaggio campione eGain e controllare l&#39;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&#39;equilibrio, fissato dalla concentrazione 15,18 HCl. </li><li> Dopo questo prelavaggio, usare una siringa di plastica con una punta di ugello in acciaio per estrarre eGain dal bagno. </li><li> Montare la siringa sulla pompa siringa e pronto per l&#39;esperimento. </li></ol></li><li> Preparazione di sospensioni dense <ol><li> Tagliare l&#39;estremità di una siringa commerciale (4.5 mm o 2,3 millimetri in raggi) e usarlo come tubo cilindrico per erogare la sospensione densa. </li><li> 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&#39;aria intrappolata. </li><li> Mettere sferiche ZrO 2 o perline di vetro nella siringa. Con la sedimentazione delle particelle, acqua fuoriuscire dall&#39;ugello. Riempire la siringa con particelle fino all&#39;estremità aperta. La sospensione marmellata gravità. </li><li> Utilizzare una lama di rasoio per rimuovere le particelle bagnate supplementari dalla parte superiore per mantenere quel fine piatta. </li><li> Capovolgere l&#39;ugello e montarlo sulla pompa siringa. Tensione superficiale impedirà le particelle cadano 16. </li></ol></li></ol> 3. Taratura Prima di raccogliere video, i parametri del dispositivo di imaging devono essere impostate e l&#39;allineamento di illuminazione deve essere completato. Inoltre, la risoluzione spaziale deve essere calibrato. <ol><li> Avviare la pompa a siringa ad una velocità di 20 ml / h per spingere fuori il liquido (liquido metallo o sospensione) dall&#39;ugello. </li><li> 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. </li><li> Regolare la posizione della telecamera, compresa la sua posizione verticale e l&#39;orientamento di imaging, per trovare il splat nel monitor del computer che si collega alla videocamera. Modificare la distanza di lavoro di organizzare l&#39;immagine sia nel piano focale quando il rapporto di riproduzione della lente è fissato a 1:1. </li><li> Variare la dimensione di apertura, tempo di esposizione e l&#39;angolo di illuminazione per ottenere la migliore qualità dell&#39;immagine quando il frame rate è sufficientemente elevata (&gt; 6000 fps). Figura 2 (a) mostra immagini tipiche riprese dalla telecamera sia liquido eGain e una sospensione densa. </li><li> 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. </li><li> Seguire un processo in 3 step per misurare la frazione di imballaggio denso goccia di sospensione: <ol><li> Misurare la massa del entire splat destra dopo l&#39;impatto (ad esempio lasciando cadere goccia in una tazza di misurazione che può essere pesato con precisione). </li><li> Poi, far evaporare tutto il solvente con un riscaldatore e pesare il simbolo di nuovo per avere la massa delle particelle. </li><li> Calcolare il volume di particelle e liquido per ottenere la frazione di imballaggio. In genere, questa frazione del volume dovrebbe essere intorno al 60%. </li></ol></li><li> 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&#39;imaging fondo. </li></ol> 4. Video Recording and Data Acquisition <ol><li> Dopo la calibrazione di imaging, riavviare la pompa a siringa. Allo stesso tempo, aprire il software telecamera controllo per monitorare il processo impatto. </li><li> 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&#39;ugello. Eseguire alcune prove pratiche prima della registrazione dati. </li><li> Dopo che i dati vengono registrati, rintuzzare il video alla porzione contenente l&#39;impatto e salvare i video come sequenze di immagini per l&#39;analisi. </li></ol> 5. Immagine di post-elaborazione e analisi <ol><li> 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).) </li><li> Dalle immagini sia inferiore e laterale, determinare l&#39;insorgenza schizzi di sospensione densa. </li><li> 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)). </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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Diversi passaggi sono fondamentali per la corretta esecuzione della rappresentazione veloce. In primo luogo, fotocamera e l&#39;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&#39;imaging. Per esempio, l&#39;osservazi...

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&#39;inchiostro è desiderato. Tuttavia, l&#39;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&#39;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&#39;analisi dettagliata dell&#39;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&#39;imaging ultraveloce insieme ragionevolmente alta risoluzione spaziale è spessodesiderato. In assenza di tale sistema, i primi lavori sull&#39;impatto droplet focalizzata principalmente sulla deformazione geometrica globale dopo l&#39;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&#39;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&#39;altra parte, può essere aumentata a dell&#39;ordine di 1 micron / pixel utilizzando lenti di ingrandimento 12. Di conseguenza, è diventato possibile esplorare in dettaglio senza precedenti l&#39;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&#39;esposizione all&#39;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&#39;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&#39;illuminazione è richiesta nel imaging. Sospensioni unre composta di piccole particelle in un liquido. Anche per semplici liquidi newtoniani, l&#39;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&#39;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&#39;elevata risoluzione spaziale. Una combinazione di vari requisiti tecnici come l&#39;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.

<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

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&#39;osservazione dettagliata, scenari che rendono difficile osservare con sistemi di imaging convenzionali. Uno di questi è l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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.

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&#39;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...

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

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.

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

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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12.2K Views.  The University of Chicago.  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. 

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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.

Misurazione sperimentale della velocità di sedimentazione delle particelle sferiche in fluidi viscoelastici a base di tensioattivi non raffinati e confinati

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

Ricerca

Ingegneria

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.

Tempo Multiplexing Super Risoluzione Tecnica di imaging da una piattaforma 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.

Fabbricazione di cavità uniformi su nanoscala tramite 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 ...

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.

Laboratorio di goccia Torri per la simulazione sperimentale di collisioni Dust-aggregati nel sistema solare

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 preparazione di Electrohydrodynamic Ponti da Polar dielettrici liquidi

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.

Emissione spettroscopica Boundary Investigation strato durante ablativo 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 ...

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.

Dinamico Pore scala Reservoir-condizione Imaging di Reazione a Carbonati Utilizzando sincrotrone tomografia veloce

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 dielettrici - Interrogatorio simultanea di impedenza, reologia e Small Angle Neutron Scattering di fluidi complessi

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.

Misure del carbonio nel suolo di neutroni-Gamma analisi statica e modalità di scansione

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.

Controllo del film di studiare i contributi delle onde a goccia impatto Dynamics su pellicole liquide sottile che scorre

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