Name: film control to study contributions of waves to droplet impact dynamics on thin flowing liquid films
Uploaded: 2018-08-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 8 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films at JoVE.com

Questo lavoro è stato sponsorizzato dal petrolio Technology Development Fund (PTDF, Nigeria) e ingegneria e Physical Sciences Research Council, Regno Unito, attraverso il programma Grant MEMPHIS (concessione numero EP/K003976/1). Gli autori apprezzano anche discussioni fruttuose con Dr. Zhizhao Che.

1. sperimentale Rig installazione
Nota: Vedere la Figura 1.
<ol><li>
Unità della pellicola di caduta
	<ol>
<li>Iniziare a pulire la superficie del substrato (vetro) con un panno pulito e morbido. Garantire che nessuna sporcizia si aderisce alla sua superficie, che potrebbe alterare le proprietà del liquido.</li>
		<li>Impostare il perno del substrato vetro sull'angolo di inclinazione desiderata. Un angolo di inclinazione, β, di 15 ˚ è stato utilizzato in questo lavoro.</li>
		<li>Accendere la pompa elettrica e garantire un normale flusso di liquido sulla superficie della pellicola per pulire ulteriormente il substrato di vetro. Per questo lavoro, il liquido di prova era acqua deionizzata.</li>
		<li>Garantire che l'intera superficie del substrato è bagnata.</li>
		<li>Misurare la portata di film utilizzando il misuratore di portata. Per questo lavoro, il tasso di flusso era varia tra 1,667 x 10-3 e 10 x 10-3 m3/s con il film corrispondente numero di Reynolds, Re = ρq/wµ, che spaziano tra 55,5 e 333. w è la larghezza del film cadente, 0,30 m.</li>
		<li>Regolare gradualmente le valvole di collegamento di mandata per ottenere la portata desiderata sul substrato di vetro.</li>
		<li>Regolare il set di passo micrometro all'ingresso della pellicola per il valore di spessore di pellicola Nusselt corrispondente per la portata selezionate, per evitare un salto idraulico presso l'ingresso di pellicola o un riflusso di aria nella camera di distribuzione.</li>
		<li>Manualmente sifone tutta l'aria nella camera di distribuzione per ottenere un flusso uniforme a valle sulla superficie del film.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Unità di controllo pellicola
	<ol>
<li>Assicurarsi che il generatore di funzione è collegato all'elettrovalvola attraverso un relè senza ritenuta tramite una scheda di acquisizione dati (DAC).</li>
		<li>Accendere il generatore di funzione e l'elettrovalvola.</li>
		<li>Impostare il generatore di funzioni per la frequenza di forzatura desiderata. In questo lavoro, frequenze Hz 2 e 3 sono state usate.</li>
		<li>Scegliere il segnale desiderato onda (onda sinusoidale, onde a dente di sega, onda quadra, ecc.). In questo lavoro, è stato utilizzato un segnale sinusoidale. Figura 2A e 2B mostrano il contrasto tra un film incontrollato e una controllata.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Sistema di generazione di goccia
	<ol>
<li>Collegare un tubo plastico pulito una siringa piena d'acqua.</li>
		<li>Inserire la siringa il generatore della gocciolina.</li>
		<li>Apporre una siringa di dimensioni selezionate (a seconda del diametro desiderato gocciolina) l'altra estremità del tubo di plastica. La gamma di diametro gocciolina studiata era tra 0,0023 a 0,0044 m.</li>
		<li>Regolare l'altezza di caduta della goccia sopra la superficie della pellicola. In questo lavoro, altezza di caduta della goccia è stato variato da 0,005 a 0,45 m, dando la velocità di impatto tra 0,30 ± 0.02 - 2.96 ± 0.06 m/s.</li>
		<li>Allo stesso modo, è possibile impostare il punto di impatto longitudinale della goccia dall'ingresso di pellicola. Questa è stata impostata su 0,3 m in quest'opera affinché che le onde sono ben formate prima dell'impatto.</li>
		<li>Impostare una portata desiderata per la pompa a siringa.</li>
		<li>Regolare il flusso per ottenere una frequenza di generazione di gocciolina maggiore della lunghezza d'onda delle onde formate sulla superficie del film; affinché le gocce successivamente incidono sulle diverse regioni del film controllato. Vedere Figura 2; con un ingrandimento di una singolare forma d'onda in Figura 2D per mostrare le differenze nel profilo di flusso sotto ogni regione19,20.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Installazione di imaging ad alta velocità
	<ol>
<li>Posizionare la fotocamera su un treppiede (o qualsiasi altro accordo adatto).</li>
		<li>Selezionare l'obiettivo macro con lunghezza focale desiderata e collegare questo alla fotocamera.</li>
		<li>Accendere la fotocamera ad alta velocità e garantire la messa a fuoco diretto sulla superficie del film. Allineare la telecamera alle deviazioni orizzontali e verticali, 7˚ e 12˚, rispettivamente per la superficie della pellicola. Questo dà un'ottima immagine di lato-vista del processo di impatto, risultante in una risoluzione di 67,5 µm/pixel e 46,6 µm/pixel in direzione longitudinale e spanwise, rispettivamente.</li>
		<li>Regolare il fuoco dell'obiettivo della fotocamera (presso la più grande apertura) utilizzando un elemento di taratura posizionato esattamente sull'impatto delle gocce spot.</li>
		<li>Una volta ottenuta una messa a fuoco nitida, ridurre l'apertura per garantire solo una piccola quantità di luce che entra nella fotocamera.</li>
		<li>Impostare la frequenza di aggiornamento desiderata, la risoluzione e la velocità dell'otturatore della macchina fotografica ad alta velocità. Un frame rate di 5000 fps, risoluzione 800x600, aperture size 1/16, e una velocità di scatto di 1 µs sono stati utilizzati in questo lavoro.</li>
		<li>Posizionare il diffusore di luce davanti alla fonte di luce, come mostrato nella Figura 1, per garantire che la luce viene diffusa uniformemente in tutta la regione di imaging.</li>
		<li>Accendere la fonte di luce per confermare la diffusione uniforme della luce sopra l'area di imaging.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. taratura
Nota: Vedere la Figura 3.
<ol><li>Mettere un righello nella direzione del flusso di pellicola (esattamente sul luogo dell'impatto) e ottenere istantanee di punti misurati sulla superficie del film.</li>
	<li>Ripetere a 2,1 ma con il righello in direzione spanwise.</li>
	<li>Utilizzare quanto sopra per ottenere le risoluzioni spaziali sulla superficie del film.</li>
</ol>3. registrazione video e acquisizione dati
<ol><li>Una volta stabilita la portata di pellicola su rig, avviare la pompa a siringa e osservare l'impatto delle gocce gocciolare sulla superficie del film.</li>
	<li>Avviare il generatore di funzione e osservare la produzione di onde spatiotemporally regolari sulla superficie del film.</li>
	<li>Garantire abbassamenti incidono le diverse regioni della superficie del film controllato.</li>
	<li>Osservare post-l'intervento numero di telaio e impostare questo approssimativamente alla metà della lunghezza dei video per catturare adeguatamente l'impatto.</li>
	<li>Accendere la sorgente luminosa e il grilletto la cattura delle immagini una volta che si verifica un impatto.</li>
	<li>Spegnere la fonte di luce una volta completata per evitare il surriscaldamento del liquido film cattura delle immagini.</li>
	<li>Analizzare visivamente l'istantanea ottenuta sullo schermo del computer. Controllare per vedere se si è verificato l'impatto su uno della pellicola piana, onda capillare, o Gobba regioni delle onde.</li>
	<li>Rintuzzare il video alla parte mostrando il processo di impatto e salvare l'intervallo di fotogrammi in un formato di video e immagini.</li>
	<li>Ripetere 3.5-3.8 e record individuo impatto su tutte le regioni sulla superficie del film, vale a dire. solitario gobba, onde capillari e pellicola piana.</li>
</ol>4. analisi e post-elaborazione delle immagini
<ol><li>Posizionare un righello nel campo visivo e calcolare la risoluzione spaziale contando quanti pixel misura attraverso 1 cm. utilizzando l'immagine di calibrazione, ottenere un fattore di scala per la misurazione delle dimensioni immagine.</li>
	<li>Confrontare i risultati del processo di impatto sulle regioni impatto diverso dalle immagini ad alta velocità. Verificare notevoli differenze.</li>
	<li>Utilizzando una routine di elaborazione MATLAB adatta, misurare le caratteristiche caratteristiche del prodotto del processo di impatto: cioè nella modalità di spruzzatura, misurare l'altezza della corona, diametro, spessore della parete, angolo, direzione rivolto a corona, numero e dimensione di inclinazione distribuzione di goccioline secondarie espulse.</li>
	<li>Svolgere analisi quantitative simili come 4.3 sopra per gli impatti di basso-Weber. Conteggio tempo il pizzico del satellite scende dalle immagini incorniciate da tempo e misura la lunghezza di apex e la larghezza della colonna formata in coalescenza parziale prima del pizzico di gocce secondari. Misurare le dimensioni delle gocce secondari espulsi. Contare il numero di cascata in un processo ripetuto pinch-off.</li>
	<li>Osservare tutte le differenze qualitative in ogni regione.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+impact+dynamics:+Splashing,+spreading,+receding,+bouncing&#8230;.">Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing&#8230;.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).</li><li>Rein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phenomena+of+liquid+drop+impact+on+solid+and+liquid+surfaces.">Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces.</a> Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).</li><li>Liang, G., Mudawar, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+mass+and+momentum+interactions+during+drop+impact+on+a+liquid+film.">Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).</li><li>Dam, D. 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K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Doubly+excited+pulse+waves+on+thin+liquid+films+flowing+down+an+inclined+plane:+An+experimental+and+numerical+study.">Doubly excited pulse waves on thin liquid films flowing down an inclined plane: An experimental and numerical study.</a> Physical Review E. 96 (1), 013118 (2017).</li><li>Turitsyn, K. S., Lai, L., Zhang, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Asymmetric+Disconnection+of+an+Underwater+Air+Bubble:+Persistent+Neck+Vibrations+Evolve+into+a+smooth+Contact.">Asymmetric Disconnection of an Underwater Air Bubble: Persistent Neck Vibrations Evolve into a smooth Contact.</a> Physical Review Letters. 103, 124501 (2009).</li><li>Miskin, M. Z., Jaeger, H. 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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> Physical Review E. 78, 011305 (2008).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da dichiarare.

In questa sezione forniamo alcuni consigli necessari per garantire risultati qualitativi sono ottenuti dal protocollo. In primo luogo, il substrato di vetro su cui i flussi di film liquido devono essere tenuti assolutamente prive di impurità per garantire le proprietà del film liquido sono tenute senza compromessi. Ciò è ottenibile da una pulizia regolare (probabilmente utilizzando un detergente adatto e pulito fuori sopra un vassoio per evitare la dissoluzione nel sistema). Allo stesso modo, ci dovrebbe essere una sostituzione regolare del liquido di prova intera dopo alcuni turni sperimentali, per garantire risultati accurati.
In secondo luogo, la camera di fluido-distribuzione deve essere ben ingranata e anche tenuto a tenuta d'aria per garantire il film liquido outflowing uniforme. Questo può essere fatto di sifonamento manualmente aria fuori dalla scatola di distribuzione prima di ogni esperimento. L'uso di micrometro-passi all'ingresso della pellicola è anche consigliato di impostare l'altezza del traferro all'ingresso della pellicola per lo spessore del film esatto preveduto dalla Nusselt stima del flusso del film presso il corrispondente numero di Reynolds. Ciò impedirà un salto idraulico o riflusso all'ingresso.
Il funzionamento dell'elettrovalvola deve anche sempre essere controllato e accertato correttamente. Questo è perché una pulsazione appropriata del flusso è necessaria per garantire la produzione delle onde forzate. Ciò può essere verificato dal ticchettio regolare l'elettrovalvola, nonché una pulsazione percepita lungo i tubi di collegamento. La portata di liquido nella pompa a siringa deve essere impostata anche con attenzione per garantire che le goccioline vengono espulsi in maniera gocciolante, evitando qualsiasi pre-accelerazione prima di cadere.
Calibrazione della telecamera ad alta velocità deve essere garantito per ottenere risultati molto accurati. Le dimensioni dell'apertura devono anche essere scelti attentamente considerando parametri come la profondità di campo, tempo di esposizione e luminosità complessiva dell'immagine. Per la macchina fotografica innescando durante la registrazione video, gli utenti devono anche stimare quanti fotogrammi devono essere registrate prima di far scattare. Questo può variare con gli individui, a seconda del momento di impatto di goccia, quindi, diversi test di prova per la pratica sono raccomandati prima di misurazioni effettive. Analogamente, la sorgente luminosa deve essere adeguatamente organizzato e ben diffusa per ridurre al minimo le ombre nell'immagine.
È importante notare e ricordare che l'obiettivo principale dello studio è i contributi delle onde per le dinamiche di impatto delle gocce che cade, quindi la formazione di strutture onda regolare è essenziale per un accurato studio della fisica sottostante. Negli scenari dove si osservano le strutture onda rapidamente la transizione strutture tridimensionali, è consigliabile che l'angolo di inclinazione del substrato sia ridotta14,19 per facilitare una transizione più lenta delle strutture onda .
Una limitazione della tecnica è osservata in assenza di un dispositivo di misurazione specifica lo spessore di pellicola istantanea reale in ogni regione dell'impatto. Questo avrebbe fornito ulteriori dettagli sui fenomeni osservati nel complesso.
In sintesi, la procedura descritta in questo rapporto utilizzabile anche per studiare la dinamica evolutiva dell'onda semplice, mentre il sistema di imaging ad alta velocità descritto può essere applicato a molti campi di ricerca con dinamiche veloci come goccia di liquido scioglimento21, 22/coalescence23, getti granulari24, ecc. , dove si osservano fenomeni importanti in un lasso di tempo micro.

Impatto della gocciolina è un fenomeno molto comune in natura e attira l'attenzione da qualsiasi osservatore curioso1. Essa costituisce un'area di ricerca attiva a causa di sue numerose applicazioni tra cui spray di raffreddamento, antincendio, stampa inkjet, rivestimento di spruzzo, deposizione di dossi di saldatura su circuiti stampati, la progettazione di motori a combustione interna, pulizia di superfici e la cella-stampa2. Sua applicazione si estende anche all'agricoltura, per esempio, aspersione irrigazione ed irrorazione3,4. Pionieristico lavoro risale al 19° secolo, con il lavoro di Worthington5, mentre solo sono stati fatti recentemente grandi progressi a causa della comparsa di imaging ad alta velocità6. Da allora, sono stati condotti studi diversi; utilizzando diversi tipi di superfici di impatto che vanno da solidi7,8, poco profonde,9 e pozze di liquido profondo10,11 a film sottili12,13.
Tuttavia, nonostante il grande volume di ricerca sull'impatto della gocciolina su superfici liquide (cioè, superficiali e profonde piscine e quiescenti films), impatto sulle pellicole liquide sottile che scorre non ha ricevuto tanta attenzione. Inoltre, finora, gli studi hanno trascurato i contributi delle strutture spaziali delle onde alle dinamiche di impatto delle gocce.
In questo rapporto, presentiamo una dettagliata procedura sperimentale per studiare il processo di impatto gocciolina su film che scorre cui dinamica è influenzati con la forzatura dell'ingresso della portata liquida; di seguito, ci riferiamo a loro come film «controllata». Troviamo che questi hanno numerose applicazioni nelle industrie multifase (ad es., nel raffreddamento torri, in colonne di distillazione e anche in regime di flusso anulare osservata in flussi bifase), soprattutto come controllo del film è diventato un importante passo nella intensificazione di calore e di trasferimento di massa in molte industrie di processo14. Si rimanda il lettore interessato al nostro lavoro precedente15 per maggiori dettagli sui risultati dei nostri sforzi di ricerca su questo.
Questa applicazione di oscillazioni di frequenza della portata aspirazione provoca la formazione di onde regolari sulla superficie del film. Ci concentriamo sulla famiglia onda solitaria, che è essenzialmente caratterizzata da cime strette ampiamente separate ed è preceduta da una serie di front running onde capillari16,17,18. Studiamo l'esito degli impatti connessi con le tre parti principali della struttura onda solitaria: il 'pellicola piana' e la 'gobba onda' regioni 'capillare onda' front running. Contrapponiamo anche questi risultati con quelli connessi con le pellicole che scorre incontrollati. I nostri risultati indicano che la natura stocastica di aspetto di onda sulla pellicola incontrollata influenza marcatamente il risultato della goccia impatto, con le regioni distinte del film controllato anche mostrando nuovi meccanismi, che abbiamo dettagliato sia qualitativamente e quantitativamente.
Nella precedente carta15, utilizzando la stessa procedura, abbiamo studiato l'effetto del film controllo sulle dinamiche di impatto gocciolina in regime di spruzzi. I risultati ottenuti hanno evidenziato differenze sia quantitative che qualitative nella morfologia corona (altezza, diametro, spessore della parete, angolo di inclinazione e direzione) così come la distribuzione di numeri e dimensione delle goccioline secondarie espulse.
In questo rapporto, descriviamo il set-up progettato per comprendere il ruolo fondamentale svolto da queste strutture spaziali nelle dinamiche di impatto della gocciolina e anche dettagli presenti succinte dei nostri risultati non solo in regime di spruzzi, ma anche per altri esiti di goccia impatto (cioè bouncing, scorrevole, coalescenza parziale/totale). Seguendo il protocollo standard descritto di seguito, l'effetto di controllo di film sulle dinamiche di impatto delle gocce possa essere studiato in modo riproducibile.

<table><tbody><tr><td>Function generator</td><td>GW INSTEK</td><td>AFG 2005 Series, Digital. Geo0852266</td><td>Produces a varied type of wave signals, ranging from sine, square to saw-tooth wave at different frequencies (0.1 Hz - 5 MHz).</td></tr><tr><td>Syringe pump</td><td>Braintree Scientific Inc.</td><td>Bs-8000 /225540</td><td></td></tr><tr><td>Solenoid valve</td><td>SMC-VXD</td><td>2142A.&lt;br/&gt; 0AE-5001</td><td>Series-pilot-operated-two-port</td></tr><tr><td>Relay</td><td>Takamisara</td><td>A5W-K.&lt;br/&gt; 154424C-03L</td><td></td></tr><tr><td>Electric pump</td><td>Clarke SP</td><td>SPE1200SS 1</td><td></td></tr><tr><td>Flow meter</td><td>RS Component</td><td>CYNERGY3 UF25B 14011600040110</td><td>Measurement range: 0.2-25 L/min</td></tr><tr><td>Micrometer step</td><td>RS Component</td><td>Micrometer Head</td><td>0.01 mm/0 -13 mm</td></tr><tr><td>High-speed camera</td><td>Olympus</td><td>I-SPEED 3.</td><td>Capable of recording at up to 100, 000 frames per second.</td></tr><tr><td>Light source</td><td>TLC Electrical supplies</td><td>IP54 -black</td><td>Double enclosed halogen floodlight. Rating 500 W.</td></tr><tr><td>Light diffusor</td><td>OptiGraphix</td><td>DFPMET</td><td>250 &amp;mu;m thickness</td></tr><tr><td>Glass substrate</td><td>Instrument Glasses Ltd</td><td>Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm</td><td>Flatness tolerance 0.02/0.04.</td></tr><tr><td>Macro-lenses</td><td>(a) Nikon&lt;br/&gt; (b) Sigma</td><td>(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D&lt;br/&gt; (b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex</td><td></td></tr><tr><td>Test-liquid</td><td>De-ionized water from the Imperial College Analytical Lab.</td><td>Standard solution&lt;br/&gt; (AnalaR)</td><td></td></tr></tbody></table>

film control to study contributions of waves to droplet impact dynamics on thin flowing liquid films

Impatto della gocciolina è un fenomeno molto comune in natura e attira l'attenzione grazie al suo fascino estetico e applicazioni ad ampio raggio. Gli studi precedenti sulle pellicole di liquidi che scorre hanno trascurato i contributi delle strutture spaziali delle onde per il risultato di impatto, mentre questo recentemente è stato indicato per avere un'influenza significativa sulle dinamiche di impatto di goccia. In questo rapporto, descriviamo una procedura dettagliata per studiare l'effetto di entrata periodica forzatura di una pellicola liquida che scorre, che portano alla produzione di strutture spatiotemporally regolare onda sulle dinamiche di impatto di goccia. Un generatore di funzioni in relazione a una valvola a solenoide è utilizzato per eccitare queste strutture spatiotemporally regolare onda sulla superficie del film, mentre la dinamica di impatto di taglia uniforme goccioline vengono acquisita utilizzando una telecamera ad alta velocità. Tre distinte regioni vengono poi studiate; cioè la regione di onda capillare che precede il picco dell'onda grande, la regione di pellicola piana e la regione di gobba di onda. Gli effetti delle quantità adimensionale importanti quale il film di Reynolds, goccia Weber e numeri di Ohnesorge parametrizzati dalla portata di pellicola, velocità di discesa e dimensione goccia inoltre sono esaminati. I nostri risultati mostrano interessanti, fino ad allora sconosciute dinamiche causata da questa applicazione di pellicola ingresso forzatura del film che scorre per due gocce di alta e bassa inerzia.

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

Un protocollo per studiare i contributi delle onde alle dinamiche di impatto gocciolina su pellicole liquide che scorre è presentato.

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 ...

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Research

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Engineering

7.4K Views.  Imperial College London. Un protocollo per studiare i contributi delle onde alle dinamiche di impatto gocciolina su pellicole liquide che scorre è presentato.

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

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 detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

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 ...

Ricerca

Ingegneria

Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; platforms. Often, droplet motion relies on the wetting of a surface, directly associated with the application of an electric field; surface interactions, however, make motion dependent on droplet contents, limiting the breadth of applications of the technique.
Some alternatives have been presented to minimize this dependence. However, they rely on the addition of extra chemical species to the droplet or its surroundings, which could potentially interact with droplet moieties. Addressing this challenge, our group recently developed Field-DW devices to allow the transport of cells and proteins in DMF, without extra additives.
Here, the protocol for device fabrication and operation is provided, including the electronic interface for motion control. We also continue the studies with the devices, showing that multicellular, relatively large, model organisms can also be transported, arguably unaffected by the electric fields required for device operation.

The protocol for fabrication and operation of field dewetting devices (Field-DW) is described, as well as the preliminary studies of the effects of electric fields on droplet contents.

Approfittando di ridotta interazione Droplet-superficie per ottimizzare il trasporto di Bioanalytes in microfluidica digitale

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; ...

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds between 0 and 25 m/sec) and a spinning disk device (for examining surface speeds between 15 and 100 m/sec). The air cannon linear traverse is a pneumatic energy-powered system that is designed to accelerate a metal rail surface mounted on top of a wooden projectile. A pressurized cylinder fitted with a solenoid valve rapidly releases pressurized air into the barrel, forcing the projectile down the cannon barrel. The projectile travels beneath a spray nozzle, which impinges a liquid jet onto its metal upper surface, and the projectile then hits a stopping mechanism. A camera records the jet impingement, and a pressure transducer records the spray nozzle backpressure. The spinning disk set-up consists of a steel disk that reaches speeds of 500 to 3,000 rpm via a variable frequency drive (VFD) motor. A spray system similar to that of the air cannon generates a liquid jet that impinges onto the spinning disc, and cameras placed at several optical access points record the jet impingement. Video recordings of jet impingement processes are recorded and examined to determine whether the outcome of impingement is splash, splatter, or deposition. The apparatuses are the first that involve the high speed impingement of low-Reynolds-number liquid jets on high speed moving surfaces. In addition to its rail industry applications, the described technique may be used for technical and industrial purposes such as steelmaking and may be relevant to high-speed 3D printing.

Two experimental devices for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device and a spinning disk device. The apparatuses are used to determine optimal approaches to the application of liquid friction modifier (LFM) onto rail tracks for top-of-rail friction control.

Visualizzazione di Liquid High Speed ​​Jet Occlusione su una superficie mobile

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

Capillary-based Centrifugal Microfluidic Device for Size-controllable Formation of Monodisperse Microdroplets

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. W/O microdroplets have recently been used in powerful methods that enable miniaturized chemical experiments. Therefore, developing a versatile method to yield monodisperse W/O microdroplets is needed. We have developed a method for generating monodisperse W/O microdroplets based on a capillary-based centrifugal axisymmetric co-flowing microfluidic device. We succeeded in controlling the size of microdroplets by adjusting the capillary orifice. Our method requires equipment that is easier-to-use than with other microfluidic techniques, requires only a small volume (0.1-1 &#181;l) of sample solution for encapsulation, and enables the production of hundreds of thousands number of W/O microdroplets per second. We expect this method will assist biological studies that require precious biological samples by conserving the volume of the samples for rapid quantitative analysis biochemical and biological studies.

Here, we demonstrate a simple production method for size-controllable, monodisperse, water-in-oil (W/O) microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. This method requires only a small sample volume and enables high-yield production. We expect this method will be useful for rapid biochemical and cellular analyses.

Centrifuga dispositivo a microfluidi capillare a base per la Formazione Size-controllabile di Monodisperse microgocce

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal ...

Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion co-flow device to generate uniform high-viscosity droplets in a low-viscosity fluid. The microfluidic capillary device has a common co-flow structure with its exit connecting to a wider tube. Elongated droplets of the low-viscosity fluid are first encapsulated by the high-viscosity fluid in the co-flow structure. As the elongated low-viscosity droplets flow through the exit, which is treated to be wetted by the low-viscosity fluid, phase inversion is then induced by the adhesion of the low viscosity droplets to the tip of the exit, which results in the subsequent inverse encapsulation of the high-viscosity fluid. The size of the resultant high-viscosity droplets can be adjusted by changing the flow rate ratio of the low-viscosity fluid to the high-viscosity fluid. We demonstrate several typical examples of the generation of high-viscosity droplets with a viscosity up to 11.9 Pas, such as glycerol, honey, starch, and polymer solution. The method provides a simple and straightforward approach to generate monodisperse high-viscosity droplets, which may be used in a variety of droplet-based applications, such as materials synthesis, drug delivery, cell assay, bioengineering, and food engineering.

A phase-inversion co-flow device is demonstrated to generate monodisperse high-viscosity droplets above 1 Pas, which is difficult to realize in droplet microfluidics.

Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

Chimica

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. This paper proposes a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation. The polydimethylsiloxane (PDMS) chip was fabricated using the multi-layer soft lithography method. Hexadecane containing surfactant was used as the continuous phase, and PEGDA with the ultraviolet (UV) photo-initiator was the dispersed phase. Surfactants allowed the local surface tension to drop and formed a more cusped tip which promoted breaking into tiny micro-droplets. As the pressure of dispersed phase was constant, the size of droplets became smaller with increasing continuous phase pressure before dispersed phase flow was broken off. As a result, droplets with size variation from 1 &#181;m to 80 &#181;m in diameter could be selectively achieved by changing the pressure ratio in two inlet channels, and the average coefficient of variation was estimated to be below 7%. Furthermore, droplets could turn into micro-beads by UV exposure for photo-polymerization. Conjugating biomolecules on such micro-beads surface have many potential applications in the fields of biology and chemistry.

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Here, we present a protocol to illustrate the fabrication processes and verifying experiments of a semi-three-dimensional (semi-3D) flow-focusing microfluidic chip for droplet formation.

Generazione di dimensione controllata poli (glicol etilenico) diacrilato goccioline tramite dispositivi microfluidici concentrandosi flusso Semi-3-dimensionale

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Impacts of Free-falling Spheres on a Deep Liquid Pool with Altered Fluid and Impactor Surface Conditions

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ascension and Worthington jet stability. Here, we establish experimental protocols for examining splash dynamics when smooth free-falling spheres of varying wettability, mass, and diameter impact the free surface of a deep liquid pool modified by thin penetrable fabrics and liquid surfactants. Water entry investigations provide accessible, easily assembled and executed experiments for studying complex fluid mechanics. We present herein a tunable protocol for characterizing splash height, flow separation metrics, and impactor kinematics, and representative results which might be acquired if reproducing our approach. The methods are applicable when characteristic splash dimensions remain below approximately 0.5 m. However, this protocol may be adapted for greater impactor release heights and impact velocities, which augurs well for translating results to naval and industry applications.

This protocol demonstrates the basic experimental configuration for water entry experiments with free-falling spheres. Methods for the alteration of liquid surface with penetrable fabrics, the preparation of chemically non-wetting spheres, and steps for splash visualization and data extraction are discussed.

Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ...

Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on an optical lever method is designed. A millimetric cantilever is used as a force sensitive component in the measurement system. Firstly, the force sensitivity of the optical lever is calibrated using electrostatic force, which is the critical step in measuring interaction force. Secondly, three super-hydrophobic substrates with different grid fractions are prepared with nanoparticles and copper grids. Finally, the interaction forces between droplets and super-hydrophobic substrates with different grid fractions are measured by the system. This method can be used to measure the force on the scale of sub-micronewton with a resolution on the scale of nanonewton. The in-depth study of the contact process of droplets and super-hydrophobic structures can help to improve the production efficiency in coating, film and printing. The force measurement system designed in this paper can also be used in other fields of microforce measurement.

The protocol aims to investigate the interaction between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. This includes calibrating the measurement system and measuring the interaction force at super-hydrophobic substrates with different grid fractions.

Misurazione della forza di interazione tra una goccia e un substrato super-idrofobico con il metodo della leva ottica

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on ...

High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters such as material properties, impact conditions, and experimental configurations. Compounding this, drop impacts are often studied using data-rich high-speed photography, so that it is difficult to analyze many experiments in a detailed and timely manner. The purpose of this method is to enable efficient study of droplet impacts with high-speed photography by using a systematic approach. Equipment is aligned and calibrated to produce videos that can be accurately processed by a custom image processing code. Moreover, the file structure setup and workflow described here ensure efficiency and clear organization of data processing, which is carried out while the researcher is still in the lab. The image processing method extracts the digitized outline of the impacting droplet in each frame of the video, and processed data are stored for further analysis as required. The protocol assumes that a droplet is released vertically under gravity, and impact is recorded by a camera viewing from side-on with the drop illuminated using shadowgraphy. Many similar experiments involving image analysis of high-speed events could be addressed with minor adjustment to the protocol and equipment used.

This protocol enables efficient collection of experimental high-speed images of liquid drop impacts, and speedy analysis of those data in batches. To streamline these processes, the method describes how to calibrate and set up apparatus, generate an appropriate data structure, and deploy an image analysis script.

Analisi ad alta velocità effettiva degli impatti delle gocciole liquide

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters ...

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

Riepilogo

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Capitoli in questo video

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

Approfittando di ridotta interazione Droplet-superficie per ottimizzare il trasporto di Bioanalytes in microfluidica digitale

Visualizzazione di Liquid High Speed Jet Occlusione su una superficie mobile

Centrifuga dispositivo a microfluidi capillare a base per la Formazione Size-controllabile di Monodisperse microgocce

Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase

Generazione di dimensione controllata poli (glicol etilenico) diacrilato goccioline tramite dispositivi microfluidici concentrandosi flusso Semi-3-dimensionale

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

Misurazione della forza di interazione tra una goccia e un substrato super-idrofobico con il metodo della leva ottica

Analisi ad alta velocità effettiva degli impatti delle gocciole liquide

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

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Centrifuga dispositivo a microfluidi capillare a base per la Formazione Size-controllabile di Monodisperse microgocce

Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase

Generazione di dimensione controllata poli (glicol etilenico) diacrilato goccioline tramite dispositivi microfluidici concentrandosi flusso Semi-3-dimensionale

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

Misurazione della forza di interazione tra una goccia e un substrato super-idrofobico con il metodo della leva ottica

Analisi ad alta velocità effettiva degli impatti delle gocciole liquide

Visualizzazione di Liquid High Speed Jet Occlusione su una superficie mobile