著者らは、財政支援とテキサス大学オースティン校の油圧破砕と砂の制御に関するJIPを後援する企業(エアリキード、エアプロダクツ、アナダルコ、アパッチ、ベイカーヒューズ、BHPビリトン、BPアメリカ、シェブロン、コノコフィリップス、エクソンモービル、フェルス、ハリバートン、ヘス、リンデグループ、プレンツ、パイオニア、ミデグループ、ミトン、ミトン、パイオニア、アンタチュアル・リニューアルに感謝しています。、プラクセア、サウジアラムコ、シュルンベルガー、シェル、サウスウェスタンエナジー、スタトイル、ウェザーフォード、YPF)。

1. 流体の調製
この実験研究には、ポリマーフリー、粘弾性、2成分、界面活性剤ベースの流体システムが使用されています。この流体システムは、油圧破砕処理44,45のための多くの生産分野で石油およびガスの井戸で使用されています。この流体システムは、光学的に透明であり、2つの成分の濃度と割合を体系的に変化させることによって制御することができるため、この研究に使用されます。この流体系は、A成分としてアニオン性界面活性剤(キシレンスルホン酸ナトリウムなど)とカチオン界面活性剤(N、N、N-トリメチル-1-オクタデカモニウムクロリド)を成分Bとして構成する。
<ol><li>蒸留水に成分Aの所定の濃度を追加し、適切な混合を確実にするためにオーバーヘッドミキサーを使用して高回転で混合します。2〜3分間混ぜます。</li>
	<li>この混合物に特定の濃度のB成分を加え、さらに2〜3分間混合させます。</li>
	<li>気泡を排出するために2-6時間の混合物を休ませてください。注: 最終的な流体混合物は光学的に透明です。この研究のために異なる濃度の7つの流体混合物が使用される。濃度は、粘度の広い範囲にわたって流体混合物を得るために選択されます。</li>
</ol>2. 無限流体における沈降速度の測定
直径のガラス球は1~5mmまでです。
<ol><li>高解像度の顕微鏡を使用して、ガラス球の直径を測定します。球体が滑らかなサーフェスを持ち、ほぼ完全な球であることを確認します。</li>
	<li>粒子の直径が25倍以上のガラス容器に液体を保管して、閉じ込め壁が粒子の沈降速度に影響を及ぼさないようにします。</li>
	<li>実験室の温度計を使用して室温と流体温度を記録します。沈降実験を行う温度で液体のレオロジー測定を行う必要があるため、温度の測定は重要です。</li>
	<li>メータースティックを容器の横に置きます。</li>
	<li>ガラス粒子を静かに液体に浸し、沈静化させる。高解像度ビデオカメラでセトリングプロセスを記録します。</li>
	<li>画像解析アプリケーションを使用して、記録されたビデオとは異なる時間ステップでのパーティクルの位置を追跡します。注: この作業では、"トラッカー" というソフトウェア アプリケーションが使用されています (<a href="http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/" target="_blank">http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/</a>)。</li>
	<li>パーティクルの垂直位置と時間をプロットし、線の傾きから端子のセトリング速度を計算します。</li>
	<li>再現性を確保するために、少なくとも3倍の条件のユニークなセットの下で実験を繰り返します。異なる測定の画像解析を実行し、誤差範囲を使用して特定の流体の特定の粒子径の沈降速度を報告します。</li>
	<li>直径の異なるパーティクルに対して上記の手順を繰り返し、沈降速度を記録します。沈降速度と粒子径をプロットします。注: 図 1 は、1 つの流体に含まれる 5 つの異なるサイズのパーティクルの沈降速度を示しています。
</li>
</ol>平行壁間の流体の沈降速度の測定
平行壁の存在下での沈降速度を測定するために、プレキシグラスから成る2つの実験細胞が使用される。
<ol><li>セルの設計と構築を行う際には、壁が滑らかで完全に平行であることを確認します。平行な壁に直交する壁の効果がないように、セルの縦横比を低く保ちます。注: この研究では、2 つのセルの壁間のギャップは、それぞれ 3.6 mm と 8 mm です。 図2 は、1つの実験細胞の概略を示す。</li>
	<li>液体でセルを充填し、入口/出口ポートを通して細胞内の粒子を穏やかに放出します。入口/出口ポートをゴム栓で密封し、粒子が細胞の中央に到達するまで沈着するようにします。</li>
	<li>この時点で、細胞を垂直方向に慎重に配置し、パーティクルを落ち着かせる。</li>
	<li>メータースティックをセルの横に置き、高解像度ビデオカメラを使用してセトリングを記録します。</li>
	<li>実験室の温度計を使用して室温と流体温度を記録します。これは、流体のレオロジー測定がこの温度で行われるべきであるため、重要です。</li>
	<li>無制限のセトリング速度測定と同様に、ソフトウェアアプリケーション「トラッカー」の沈降速度を測定します。測定を少なくとも3回繰り返して再現性を確保し、各測定で誤差範囲を取得します。</li>
</ol>4. 流体のレオロジー特性
<ol><li>安定したせん断粘度測定を行い、せん断速度の関数として流体の粘度を測定します。注: この作品では、二重壁同心円筒フィクスチャ(内側のカップ径:27.95 mm、内側ボブ直径:29.50mm、外径:32.00mm、外カップ径:34.00mm、ボブ長さ:32.00mm)を備えたTA機器によるARESレオメータを使用しています。
</li>
	<li>せん断速度を0.1~800秒-1 に変更し、10ポイント/10年で測定します。カップの温度が、同じ流体で沈降実験を行った時と同じであることを確認します。 図 3 は 、対数対数のプロット上の 1 つの流体サンプルの粘度対せん断率を示しています。</li>
	<li>同じ流体について、粒子が沈降実験で遭遇したせん断速度の範囲を計算します。2V/d p20,23で定義された表面平均粒子せん断速度を使用し、ここでVは粒子の沈降速度であり、dpは粒子径である。</li>
	<li>粘度対せん断速度プロット上のこの範囲のせん断速度で、パワーロー曲線 μ=Kγn-1を適合させる。対数のプロットでは、この適合は直線になります。パラメータ K (フロー整合性インデックス) と n (フロー動作インデックス) を決定します。 K および n は、流体の粘度を定量化する。 図 3 は、同じプロットに適合するパワー則を示しています。</li>
	<li>0.1~100 rad/secの周波数範囲で動的振動せん断測定を行い、弾性率 、G'および粘性 係数G''を測定します。10ポイント/10年で測定を取ります。 図 4 は、流体サンプルの G' と G' を示しています。</li>
	<li>このデータから 2 つのモジュライG''/G' の比率を計算します。回帰分析を使用して、Maxwell モデルに対するモジュライの比率を適合させ、流体の緩和時間(λ)を計算します。Maxwell モデルの 2 つのモジュライの比率の式は46,47 です。</li>
</ol><img alt="Equation 12" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq12highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq12.jpg"> 流体の緩和時間は、流体の弾力性を定量化します。緩和時間が長いほど、より弾性が流体である。図 5は、流体サンプルのG''/G' と Maxwell 適合を示しています。フィッティングは、周波数範囲での分散測定の合計を最小化することによって実行されます。 <img alt="Equation 13" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq13highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq13.jpg">
5. 無限の沈降速度に対する弾性の影響の決定
<ol><li>「∞VE」が非閉じ込め粘弾性流体を指すV∞VE」による、無限流体中の粒子の実験的沈降速度を示す。この実験の沈降速度を、パワー則パラメータに基づいて算出された明らかな粘度データに基づいて計算された沈降速度(V∞INEL)と比較します。ルノーらによって開発された表現を使用してください。V∞INELを計算する場合は1。式については、「はじめに」セクションで説明します。'∞INEL' は、閉じ込められていない非弾性流体を指します。</li>
	<li>V ∞EL/V∞INEL )を計算し、その比率を速度比と呼びます。 速度比の値は、沈降速度に対する弾性の影響を示しています。速度比が1より大きい場合は、流体の弾性による速度の増加/ドラッグ低減が示唆されます。速度比が1未満の場合、流体の弾性による速度の低減/ドラッグの向上が示唆されます。</li>
	<li>異なる流体の粒子径の関数として速度比をプロットし、異なる流動体の流体における異なる直径粒子の沈降速度に対する弾性の影響を観察します。 図6 は、流体の一方における粒子径の関数としての速度比を示す。</li>
</ol>6. 平行壁の減衰効果を沈降速度に定量化する
<ol><li>壁率を計算し、平行な壁の存在下で定音速度を分割して所定の直径の粒子に対するFw、V∞VEを、無限の流体における沈降速度に分割すると、V∞VE。 </li>
	<li>所定の流体について、壁の係数を、粒子径対壁間隔 比の関数としてプロットします。 図7 は、いずれかの流体に沈降する粒子の壁因子を示す。プロットは、閉じ込める壁の減衰効果を沈降速度に定量化するのに役立ちます。壁係数を下げ、壁面の遅滞効果を高くします。</li>
</ol>

<ol>
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Y., Wall Feng, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=effects+on+the+flow+of+viscoelastic+fluids+around+a+circular+cylinder.">effects on the flow of viscoelastic fluids around a circular cylinder.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 60, 179-198 (1995).</li><li>Sugeng, F., Tanner, R. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+drag+on+spheres+in+viscoelastic+fluids+with+significant+wall+effects.">The drag on spheres in viscoelastic fluids with significant wall effects.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 20, 281-292 (1986).</li><li>Malhotra, S., Sharma, M. 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T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surfactant+gel+foam/emulsions:+History+and+field+application+in+the+western+Canadian+sedimentary+basin.">Surfactant gel foam/emulsions: History and field application in the western Canadian sedimentary basin.</a> , (2005).</li><li>Ferry, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Viscoelastic Properties of Polymers. , (1970).</li><li>Yesilata, B., Clasen, C., McKinley, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+shear+and+extensional+Flow+dynamics+of+wormlike+surfactant+solutions.">Nonlinear shear and extensional Flow dynamics of wormlike surfactant solutions.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 133, 73-90 (2006).</li></ol>

著者らは、この論文の目的は、粒子の沈降を測定するための実験的手順の視覚的なデモンストレーションであることを指摘したいと考えています。詳細な結果と分析については、読者は前の出版物43を参照してください。

実験研究は、閉じ込められていない限り閉じ込められた条件下での剪断間粘弾性流体における球状粒子の沈降速度の測定に焦点を当てています。沈降速度の反復可能な測定値を得るための詳細な実験手順が提示される。流体の弾性が沈降速度を増減できることを示す結果が示されます。壁は沈降に対して遅滞効果を発揮し、この効果は壁の係数の観点から測定されます。
<p class="jove_content"...

医薬品製造、廃水処理、宇宙推進剤再注入、半導体処理、液体洗剤製造などの用途で液体中の粒子の懸濁液が発生します。石油業界では、粘弾性破砕液は、油圧破断でプロパント(典型的には砂)を輸送するために使用されます。プロパンツのポンピングの停止時に、骨折を開いたままにして、炭化水素が戻って流れる導電経路を提供します。
粒子の沈降は、流体の流動学と密度、粒子の大きさ、形状および密度、および閉じ壁の効果によって支配される。クリーピング流動の中でニュートン流体に沈降する球形粒子の場合、沈降速度はストークス方程式によって与えられ、1851年にストークスによって導出される。より高いレイノルズ数での抗力を計算する式は、その後の研究者2-6によって提示されている。壁を閉じると、パーティクルに対して遅滞効果が出ることで、沈降速度が低下します。壁率 Fwは、境界のない条件下での閉じ壁の存在下での端子のセトリング速度の比率として定義されます。壁係数は、閉じ壁の遅位効果を定量化します。レイノルズ数の広い範囲にわたって異なる断面管内の異なる断面管内のニュートン流体に沈降する球体の壁因子を決定するための多くの理論的および実験的研究は、文献7-13で利用可能である。全体として、ニュートン流体の球体のドラッグを決定するために利用可能な情報の広範なボディがあります。
非ニュートン流体、特に粘弾性流体における粒子の沈降速度の決定に関する過去の研究は、あまり完全ではありません。様々な数値予測14-18 および実験研究19-24 は、非弾性力則流体における球体上の抗力を決定するために文献で利用可能である。トリパチらの理論予測 を用いて15 とトリパティとチャブラ17、ルノー ら1 は、非弾性力則流体における抗力係数(CD)を計算するために、次の式を開発した。
RePL<0.1(クリーピングフローレジーム)
<img alt="Equation 1" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq1.jpg"> ここで、X(n) は、ドラッグ補正係数13です。RePLは、次のように定義された電力法則液体に含まれる球体のレイノルズ数です。
<img alt="Equation 2" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq2.jpg"> ここで ρfは液体の密度です。ドラッグ補正係数は、次の式1で合いました。
<img alt="Equation 3" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq3.jpg"> ドラッグ係数の定義を使用して、セトリング速度は次のように計算されます。
<img alt="Equation 4" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq4.jpg"> 0.1<REPL<100の場合
<img alt="Equation 5" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq5.jpg"> ここで Xは、パーティクルの投影された領域に対する表面積の比率で、球の場合は 4 に等しくなります。CD0は、ストークス領域の抵抗係数(RePL < 0.1)で、方程式 1、 CD∞はニュートン領域のドラッグ係数の値です (RePL > 5 x 102)は 0.44 です。β、b、kのパラメータは次のように表されます。
<img alt="Equations 6-8" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq6-8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq6-8.jpg"> αo = 3 と α は 、X(n) に関連する平均せん断速度の補正です。
<img alt="Equation 9" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq9.jpg"> セトリング速度を計算するには、寸法なしグループNd 25が使用されます。
<img alt="Equation 10" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq10.jpg"> Nd は、セトリング速度とは無関係であり、明示的に計算できます。この値と 、方程式5のドラッグ係数式を使用して、RePL を反復的に解くことができます。次に、次の方法で定後速度を計算できます。
<img alt="Equation 11" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq11highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq11.jpg"> 数式 1 ~ 9の式は、0.4 ≥ nの値に対して得られた理論上の予測≥基づいていました。Chhabra13は、上記の式からの予測をシャー26-27(nは0.281-0.762から変化した)およびFordらの実験結果と比較した。 28 (n は0.06 から 0.29 まで変化した)。この式は、ドラッグ係数を正確に予測するために示された。これらの解析に基づいて、上記の配合は、1≥n 0.06の非弾性パワーロー流体中の球状粒子の沈降速度≥計算するために使用することができる。この非弾性力則流体におけるこの予測された沈降速度は、パワーロー粘弾性流体の実験速度と比較され、沈降速度に対する流体弾性の影響を決定する。詳細な手順については、次のセクションで説明します。
粘弾性流体中の粒子の沈降速度の決定は、異なる研究者による様々な観測を用いた研究のトピックとなっています。(i)クリーピングフローレジームでは、せん断薄化効果が粘弾性効果に完全に影を落とし、沈降速度は純粋に粘性理論29-32と良好に一致しており、(ii)粒子は忍び寄る流れ体制の内外での抗力減少を経験し、弾力性のために沈降速度が増加する30,33,34、(iii)沈降速度は流弾性に起因する流動性を低下させる35.ウォルターズとタナー36 は、ボガー流体(一定粘性弾性流体)の弾性のために、低いヴァイセンバーグ数でのドラッグ低減を引き起こし、その後、より高いヴァイゼンベルグ数でドラッグエンハンスメントすることを要約した。マッキンリー37 は、球の後の延長効果がワイゼンベルクの数でより高い抗力増加を引き起こすことを強調した。Chhabra13 は、無限で閉じ込められた粘弾性流体中の粒子の沈降に関する以前の作業を包括的に見直した後、理論的な開発における流体弾性と共にせん断速度依存粘度の現実的な記述を取り入れるという課題を強調した。球状粒子の沈降に及ぼす壁の影響の研究は、過去数年間で研究の分野ともなっています38-42.しかし、すべての作業は、円筒形のチューブ内の球状粒子の沈降に行われています。平行壁間の粘弾性流体に沈降する球状の粒子にはデータがありません。
この研究は、剪断間粘弾性流体における球体の沈降を実験的に研究することを試みる。この実験研究の目的は、流体の弾力性、剪断間薄化および閉じ込め壁が、剪断薄化粘弾性流体における球状粒子の沈降速度に及ぼす影響を理解することである。本論文では、この研究に用いられる実験方法といくつかの代表的な結果に焦点を当てた。分析と共に詳細な結果は、以前の出版物43で見つけることができます。

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Name of the reagent / equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalogue number</td>
			<td>Comments </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Microspheres</td>
			<td>Whitehouse Scientific</td>
			<td>#GP1750</td>
			<td>Available in different sieve fractions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rheometer</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>ARES</td>
			<td>Any standard rheometer capable of taking dynamic and static measurements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anionic Surfactant (Component A)</td>
			<td></td>
			<td>Proprietary fluid</td>
			<td>Used in oil field services for hydraulic fracturing. Sodium Xylene Sulfonate can be used as a substitute.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cationic Surfactant (Component B)</td>
			<td></td>
			<td>Proprietary fluid</td>
			<td>Used in oil field services for hydraulic fractuing. N,N,N-Trimethyl-1-Octadecamonium Chloride can be used as a substitute.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental measurement of settling velocity of spherical particles in unconfined and confined surfactant-based shear thinning viscoelastic fluids

実験研究は、界面活性剤ベースのせん断薄化粘弾性(VES)流体における球形粒子の末端沈降速度を測定するために行われる。測定は、境界のない流体に沈降するパーティクルと、平行な壁の間の流体に対して行われます。広範囲のレオロジー特性にわたるVES液は調製され、レオロジー的に特徴づけられる。レオロジー特性は、安定したせん断粘度と動的振動せん断測定を含み、粘性および弾性特性をそれぞれ定量化します。無制限の条件下での沈降速度は、粒子の直径の少なくとも25倍の直径を有するビーカーで測定される。平行壁間の沈降速度を測定するために、異なる壁間隔を持つ2つの実験細胞が構成される。様々なサイズの球状粒子は、静かに流体中にドロップされ、沈着させる。このプロセスは高解像度のビデオカメラで記録され、粒子の軌跡は画像解析ソフトウェアを使用して記録されます。端子のセトリング速度はデータから計算されます。
無限の流体における沈降速度に対する弾性の影響は、実験沈降速度を、ルノーらの非弾性抗力予測によって計算された沈降速度と比較することによって定量化される 。1結果は、流体の弾性が沈降速度を増加または減少させることができることを示しています。減少/増加の大きさは、流体のレオロジー特性と粒子の特性の関数です。閉じ込められた壁は沈降に対して遅滞効果を引き起こすのが観察され、遅滞は壁因子の観点から測定される。

実験は、ユニークなK、nおよびλ値を持つ7つの異なる流体混合物の5つの異なる直径粒子に対して行われる。図1は、1流体における粒子径の関数としての沈降速度を示す。誤差範囲は、3 つの測定値の変動を示します。実験中に測定した室温は23°Cである。粒子径とともに沈降速度が増加すること?...

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

本論文では、界面活性剤ベースの剪断間粘弾性流体中の球状粒子の末端沈降速度を測定する実験手順を示す。多様なレオロジー特性を超える流体が準備され、平行な壁の間の無限の流体および流体の粒径の範囲に対して、沈降速度が測定されます。

閉じ込められていない狭間性界面活性剤ベースの剪断間粘弾性流体における球状粒子の沈降速度の実験的測定

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

experimental-measurement-settling-velocity-spherical-particles

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Fluid Statics

Application of Newton's Laws of Motion

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12.7K ビュー.  The University of Texas at Austin. 本論文では、界面活性剤ベースの剪断間粘弾性流体中の球状粒子の末端沈降速度を測定する実験手順を示す。多様なレオロジー特性を超える流体が準備され、平行な壁の間の無限の流体および流体の粒径の範囲に対して、沈降速度が測定されます。

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

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

空間的に閉じ込められた複合酸化物の作製

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

工学

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

液体金属電極中の超音波速度計測

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their behavior for single stages of a process or even an entire process. For the simulation with occurring particle-particle and particle-wall contacts, the value of the coefficient of restitution is required. It can be determined experimentally. The coefficient of restitution depends on several parameters like the impact velocity. Especially for fine particles the impact velocity depends on the air pressure and under atmospheric pressure high impact velocities cannot be reached. For this, a new experimental setup for free-fall tests under vacuum conditions is developed. The coefficient of restitution is determined with the impact and rebound velocity which are detected by a high-speed camera. To not hinder the view, the vacuum chamber is made of glass. Also a new release mechanism to drop one single particle under vacuum conditions is constructed. Due to that, all properties of the particle can be characterized beforehand.

The coefficient of restitution is a parameter that describes the loss of kinetic energy during collision. Here, a free-fall setup under vacuum conditions is developed to be able to determine the coefficient of restitution parameter for particles in micrometer range with high impact velocities.

真空条件下で反発係数の測定のための実験のセットアップの開発

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film synthesis) for the purpose of exploratory materials research. Certain materials pose a challenge wherein the traditional bulk Hall bar device fabrication method is insufficient to produce a measureable device for sample transport measurement, principally because the single crystal size is too small to attach wire leads to the sample in a Hall bar configuration. This can be, for example, because the first batch of a new material synthesized yields very small single crystals or because flakes of samples of one to very few monolayers are desired. In order to enable rapid characterization of materials that may be carried out in parallel with improvements to their growth methodology, a method of device fabrication for very small samples has been devised to permit the characterization of novel materials as soon as a preliminary batch has been produced. A slight variation of this methodology is applicable to producing devices using exfoliated samples of two-dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and transition metal dichalcogenides (TMDs), as well as multilayer heterostructures of such materials. Here we present detailed protocols for the experimental device fabrication of fragments and flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate and subsequent measurement in a commercial superconducting magnet, dry helium close-cycle cryostat magnetotransport system at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

We describe the methodology of mechanical exfoliation and deposition of flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate, fabrication of experimental device structures for transport experimentation, and the magnetotransport measurement in a dry helium close-cycle cryostat at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

新規材料の低温磁気伝導測定のための高度な実験方法

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor compression based cooling process. Nickel-Titanium (Ni-Ti) based alloy systems, especially, show large elastocaloric effects. Furthermore, exhibit large latent heats which is a necessary material property for the development of an efficient solid-state based cooling process. A scientific test rig has been designed to investigate these processes and the elastocaloric effects in SMAs. The realized test rig enables independent control of an SMA&#39;s mechanical loading and unloading cycles, as well as conductive heat transfer between SMA cooling elements and a heat source/sink. The test rig is equipped with a comprehensive monitoring system capable of synchronized measurements of mechanical and thermal parameters. In addition to determining the process-dependent mechanical work, the system also enables measurement of thermal caloric aspects of the elastocaloric cooling effect through use of a high-performance infrared camera. This combination is of particular interest, because it allows illustrations of localization and rate effects &#8212; both important for efficient heat transfer from the medium to be cooled.
The work presented describes an experimental method to identify elastocaloric material properties in different materials and sample geometries. Furthermore, the test rig is used to investigate different cooling process variations. The introduced analysis methods enable a differentiated consideration of material, process and related boundary condition influences on the process efficiency. The comparison of the experimental data with the simulation results (of a thermomechanically coupled finite element model) allows for better understanding of the underlying physics of the elastocaloric effect. In addition, the experimental results, as well as the findings based on the simulation results, are used to improve the material properties.

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

形状記憶基づきElastocaloric冷却プロセスの調査とモデル検証のための実験方法

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of first injecting fluorescent dye directly into a pipe filled with distilled water and allowing it to diffuse across the cross-section of the pipe to obtain a uniformly distributed initial condition. Following this period, the laminar flow is activated with a programmable syringe pump to observe the competition of advection and diffusion of the tracer through the pipe. Asymmetries in the tracer distribution are studied and correlations between the pipe cross-section and the shape of the distribution is shown: thin channels (aspect ratio &#60;&#60; 1) produce tracers arriving with sharp fronts and tapering tails (front-loaded distributions), while thick channels (aspect ratio ~1) present the opposite behavior (back-loaded distributions). The experimental procedure is applied to capillary tubes of various geometries and is particularly relevant to microfluidic applications by dynamical similarity.

A protocol for the study of the diffusion of passive tracers in laminar pressure-driven flow is presented. The procedure is applicable to various capillary pipe geometries.

層間せん断流中のトレーサーの拡散

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic glasses (MGs). Despite their amorphous nature, the identification of hyperfine interactions unveils faint structural modifications. For this purpose, we have employed two techniques that utilize nuclear resonance among nuclear levels of a stable 57Fe isotope, namely M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering (NFS) of synchrotron radiation. The effects of heat treatment upon (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG are discussed using the results of ex situ and in situ experiments, respectively. As both methods are sensitive to hyperfine interactions, information on structural arrangement as well as on magnetic microstructure is readily available. M&#246;ssbauer spectrometry performed ex situ describes how the structural arrangement and magnetic microstructure appears at room temperature after the annealing under certain conditions (temperature, time), and thus this technique inspects steady states. On the other hand, NFS data are recorded in situ during dynamically changing temperature and NFS examines transient states. The use of both techniques provides complementary information. In general, they can be applied to any suitable system in which it is important to know its steady state but also transient states.

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Here, we present a protocol to describe ex situ and in situ investigations of structural transformations in metallic glasses. We employed nuclear-based analytical methods which inspect hyperfine interactions. We demonstrate the applicability of M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering of synchrotron radiation during temperature-driven experiments.

Ex その場その場で調査構造変換の方法: 金属ガラスの結晶化の事例

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of data that can be obtained from an individual sample and renders it difficult to produce statistically relevant data for unique and rare materials. Resonant cavity dielectric spectroscopy is a non-destructive, contactless technique which can simultaneously interrogate both sides of a sheeted material and provide measurements which are suitable for statistical interpretations. This offers analysts the ability to quickly discriminate between sheeted materials based on composition and storage history. In this methodology article, we demonstrate how contactless resonant cavity dielectric spectroscopy may be used to differentiate between paper analytes of varying fiber species compositions, to determine the relative age of the paper, and to detect and quantify the amount of post-consumer waste (PCW) recycled fiber content in manufactured office paper.

A protocol for the non-destructive analysis of the fiber content and relative age of paper.

セルロース系紙の非接触共振キャビティ誘電分光研究の方法開発

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...

Measurement of Chladni Mode Shapes with an Optical Lever Method

Quantitatively determining the Chladni pattern of an elastic plate is of great interest in both physical science and engineering applications. In this paper, a method of measuring mode shapes of a vibrating plate based on an optical lever method is proposed. Three circular acrylic plates were employed in the measurement under different center harmonic excitations. Different from a traditional method, only an ordinary laser pen and a light screen made of ground glass are employed in this novel approach. The approach is as follows: the laser pen projects a beam to the vibrating plate perpendicularly, and then the beam is reflected to the light screen in the distance, on which a line segment made of the reflected spot is formed. Due to the principle of vision persistence, the light spot could be read as a bright straight line. The relationship between the slope of the mode shape, length of the light spot and the distance of the vibrating plate and the light screen can be obtained with algebraic operations. Then the mode shape can be determined by integrating the slope distribution with suitable boundary conditions. The full-field mode shapes of Chladni plate could also be determined further in such a simple way.

A simple method of measuring the Chladni mode shape on an elastic plate by the principle of an optical lever is proposed.

光レバー法によるクラドニモード形状の測定

Quantitatively determining the Chladni pattern of an elastic plate is of great interest in both physical science and engineering applications. In this ...