비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술

요약

다른 물리적 매개 변수를 매우 짧은 시간 (밀리 초 미만의 제 10 호)에 역학에 영향을 미치는 때문에 비 뉴톤 유체의 낙하 충격은 복잡한 과정이다. 빠른 이미징 기술은 다른 비 뉴턴 유체의 영향 행동을 특성화하기 위해 도입된다.

초록

유체 역학의 분야에서, 많은 동적 프로세스는 매우 짧은 시간 간격 동안 발생할뿐만 아니라, 상세한 관찰 높은 공간 해상도, 종래의 촬상 시스템으로 관찰하는 것이 어려운 상황을 만들 필요 아닙니다. 이들 중 하나는 통상의 10 밀리 초 이내에 일어나는 액체의 낙하 충격이다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 고속 이미징 기술은 위 / 아래 10 ㎛으로 화상의 공간 해상도를 가지고 긴 작동 거리를 갖는 매크로 렌즈로 고속 카메라 (초당 백만 프레임 능력)을 결합한 도입된다 픽셀. 이미징 기술은 녹화 된 비디오의 분석으로부터, 같은 유동장, 확산 거리와 튀는 속도와 같은 관련 유체 다이내믹 수량의 정확한 측정을 가능하게한다. 이 시각화 시스템의 기능을 설명하기 위해, 비 뉴톤 유체의 물방울을 평면 딱딱한 표면에 충돌 충격 역학 characte입니다음 공인. 두 가지 상황이 고려되어 산화 된 액체 금속 방울에 우리는 확산 문제에 집중하고, 조밀하게 현탁액을 위해 우리는 튀는의 개시를 결정합니다. 일반적으로, 여기에서 소개 높은 공간적 이미지 해상도의 조합은 마이크로 현상의 넓은 범위에 걸쳐 빠른 역학을 공부 이점을 제공합니다.

서문

고체 표면에 영향을 드롭 드롭의 정밀한 제어가 확산 튀는를 원하는 ^3,4 인쇄 잉크젯을 사용하여 전자 제조 ^1, 스프레이 코팅 ² 및 첨가제 제조와 관련된 많은 응용 프로그램의 핵심 과정이다. 그러나, 낙하 충격의 직접적인 관찰은 두 가지 이유에 대한 기술적 도전이다. 첫째, 시간 척도 내에서 광 현미경 및 DSLR 카메라와 같은 기존의 영상 시스템에 의해 쉽게 이미지화하기에​​ 너무 짧은 (~ 100 마이크로 초)를 발생하는 복잡한 역동적 인 과정이다. 플래시 촬영을 훨씬 더 빨리 물론 이미지의 수 있지만, 시간의 진화에 대한 자세한 분석을 위해 필요에 따라, 연속 촬영을 허용하지 않습니다. 둘째, 충격 불안정성에 의해 유도 된 길이 치수는 10 ㎛ ^5만큼 작을 수있다. 따라서 정량적 영향 프로세스에게 합리적으로 높은 공간 해상도와 함께 초고속 영상을 결합하는 시스템을 연구하는 것은 종종원하는. 이러한 시스템에 미치는 영향 ^6-8 이후 글로벌 기하학적 인 변형에 주로 초점을 맞추고 있지만, 이러한 튀는의 발병 같이 이른 시간에 대한 정보, 영향과 관련된 비평 프로세스를 수집 할 수 없습니다 물방울의 영향에 대한 초기 작업의 부재. 유체 ^9,12의 CMOS 고속 비디오 그래피의 최근 발전은 아래로 1 마이크로 초 이하 만 FPS와 노출 시간에 최대 프레임 속도를 추진해 왔습니다. 또한, 새롭게 개발 된 CCD 촬상 기술은 잘 백만 FPS ^9-12 상기 프레임 속도를 밀 수있다. 반면에, 공간적 해상도는 확대 렌즈 ^(12)를 이용하여 1 μM / 화소의 순서로 증가 될 수있다. 결과적으로, 그것은 전례가없는 세부 사항에서 낙하 충격의 다양한 단계의 물리적 매개 변수의 넓은 범위의 영향을 탐구하고 체계적으로 실험과 이론 ^5,13-16을 비교할 수있게되었다. 예를 들어, 뉴턴 유체에 튀는 전환 fou를했다고유의 레올 로지 수율 스트레스 유체 ^(17)의 확산 역학을 결정하는 동안 차, 분위기 압력 ^5로 설정합니다.

여기에 간단하면서도 강력한 고속 영상 기술 도입과 충격 비 뉴톤 유체의 두 가지 유형의 역학 연구에 적용된다 : 액체 금속 및 밀집 현탁액. 공기에 노출되면, 기본적으로 (수은 제외) 모든 액체 금속은 자발적으로 자신의 표면에 산화물 피부를 개발할 것입니다. 기계적 피부 효과, 표면 장력 및 금속 ^(18)의 젖음성을 변화하는 것으로된다. 이전 글 ^(15), 저자의 몇 가지 정량적으로 확산 과정을 공부하고 피부 효과에 미치는 영향 역학, 충격 매개 변수를 사용하여 최대 확산 반경 특히 스케일링에 영향을 미치는 방법을 설명 할 수 있었다. 액체 금속은 높은 표면 반사율을 갖고 있기 때문에, 조명에주의 조정 촬상 요구된다. 정학의액체의 작은 입자로 구성 다시. 심지어 간단한 뉴턴 액체, 특히 부유 입자의 높은 볼륨의 일부에, 즉 고밀도 현탁액에 발음됩니다 비 뉴톤 행동, 입자의 결과를 추가. 특히, 튀는의 발병 현탁액 방울 부드러운 하드 표면 안타 전작 ^16에서 공부했다. 액체 입자와 입자 간 상호 작용은 모두 간단한 액체에서 예상했던 것과 크게 튀는 동작을 변경할 수 있습니다. 높은 공간 해상도가 필요합니다이 실험에서 80 μm의 한 작은 입자를 추적 할 수 있습니다.

이러한 높은 공간적 해상도를 제공하며 측면에서 아래에서 모두 영향을 관찰하는 기능 등 다양한 기술 요구 사항의 조합은, 모두 여기에 설명 된 이미지 설정에 만족 될 수있다. 표준 프로토콜에 따라, 아래에 설명, 충격 역학 inves에 할 수있다퍼짐 거동 및 스플래쉬에 대해 명시 적으로 도시 된 바와 같이, 제어 된 방식으로 tigated.

프로토콜

1. 빠른 영상 설정 (그림 1 참조)

1. 공부 될 유체로 채워진 용기를 자유롭게 충돌 속도를 조절하도록 이동 될 수있는 따라 수직 트랙을 설정함으로써 시작한다. 유체는 노즐을 통해 용기의 바닥 잎 후 낙차 들어간다. 이 일을 위해 하강 높이 0.15 m / 초 ± 충격 속도 V에게 = (0.4-6.3) _0을주고 ​​1~2백센티미터 변화시켰다.
2. 생성하고 경사 반사 미러가 아래로부터 낙하 충격을 시각화하기 위해 배치되고있는 수평 충격 평면 전형적 유리판을 유지하는 장착 프레임.
3. 홀더에 깨끗하고 매끄러운 유리 접시를 놓습니다. 판을 수평으로 수평되어 있는지 확인합니다.
4. 수직 트랙에 주사기 펌프를 장착합니다.
5. 액체 금속에 미치는 영향에 대해, 사이드 뷰 이미징을위한 노즐 뒤에 투명 용지 확산을 배치합니다. 동시에, 생성하는 주사기 펌프 상기 백색 불투명 종이를 붙이고보기 바닥 (그림 1 참조)에 대한 반사. 그리고, 노즐 뒤에 광원을 찾아.
6. 조밀 한 서스펜션에 미치는 영향의 경우, 확산이 필요하지 않습니다. 대신에, 단지 촬상면의 앞에 광원을 배치.
7. 원하는 배율 광학 작동 거리에 대한 적절한 초점 거리와 매크로 렌즈를 선택합니다. 그런 다음 카메라에 렌즈를 연결합니다.
8. 삼각대에 카메라를 장착하여 영상의 관점 (옆 또는 아래)에 따라 카메라의 높이를 조정합니다.

2. 샘플 준비

1. 산화 된 액체 금속의 제조
   1. 밀폐 된 용기에 보관 갈륨 - 인듐 공융 (에서 eGain). 그 용융 온도가 약 15 °의 C이므로에서 eGain는 상온에서 액체 상태로 유지.
   2. 컨테이너에서 3 ㎖에서 eGain를 추출하고 아크릴 판에 그것을 돌출 피펫을 사용합니다. 샘플이 완전히 공기에 산화 될 때까지 30 분을 기다립니다. conseque로NCE 주름 산화 피부의 얇은 층이 완전히 샘플 표면을 덮는다.
   3. 에서 eGain 샘플을 예비 세탁하고 표면의 산화를 제어하기 위해 서로 다른 농도의, 염산 ( "주의"염산)를 사용합니다. 이 산성 욕에있는 동안 특히, 레오 미터 60 초 ^-1의 전단 속도에서, 샘플 전단. 전단의 10 분 후, 샘플의 표면 산화의 수준은 염산 농도 ^15,18 의해 설정, 평형에 도달한다.
   4. 이 예비 세탁 후, 화장실에서에서 eGain를 추출하는 스틸 노즐 팁과 플라스틱 주사기를 사용합니다.
   5. 주사기 펌프에 주사기를 장착하고 실험을위한 준비.
2. 조밀 한 현탁액의 준비
   1. 상업 주사기 (4.5 mm 또는 반경 2.3 mm)의 끝을 잘라 밀도 현탁액을 분배를위한 원통형 튜브로 사용합니다.
   2. 피스톤을 당겨 물을 주사기에게 개방 끝까지 채우기의 제작우레 동반 된 공기 거품이 없습니다.
   3. 주사기에 구형 _ZrO2를 또는 유리 구슬을 넣어. 입자의 침강으로, 물은 노즐에서 흘러 나올 것입니다. 입자가 열린 끝에 모든 방법을 주사기를 채우십시오. 현탁액을 중력 하에서 걸림 것이다.
   4. 평면이를 유지하기 위해 정상에서 여분의 습윤 입자를 제거하기 위해 면도날을 사용합니다.
   5. 노즐 뒤집어 주사기 펌프에 마운트. 표면 장력은 ¹⁶ 밖으로 떨어지는 입자를 방지 할 수 있습니다.

3. 구경 측정

영상을 수집하기 전에, 촬상 장치의 매개 변수를 설정하고 조명 배향이 완료되어야되어야한다. 또한, 공간 분해능이 보정 될 필요가있다.

1. 노즐로부터의 유체 (액체 금속 또는 현탁액)을 밀어 20 ㎖ / hr의 속도로 시린지 펌프를 켜고.
2. 주사기에서 분리하기 위해 유체 기다린 드롭과 가을을 형성유리 기판 상에 테스트 영향을 미칠 수 있도록 F.
3. 카메라에 연결하는 컴퓨터 모니터에서 플랫을 찾기 위해, 수직 위치 및 촬영 방향 등의 카메라 위치를 조정합니다. 렌즈의 복사 비율 1:1로 고정 될 때 초점면에있을 이미지를 정렬하는 작동 거리를 수정한다.
4. 프레임 레이트 (> 6000 FPS) 충분히 높을 때 최고의 화질을 얻기 위해 개구 크기, 노출 시간 및 조명 각도를 변화한다.도 2 (a) 액상에서 eGain 및 조밀 현탁액 모두에 대해 카메라에 의해 촬영 전형적인 이미지를 보여준다.
5. (그림 2의 (b) 참조)과 1cm에 걸쳐 맞게 픽셀 수를 계산하여 공간 해상도를 계산 시야에서 통치자를 놓습니다. 수평 및 수직 방향 사이의 해상도에 차이가없는 것을 확인합니다.
6. 조밀 현탁액 방울의 패킹 분율을 측정하는 3 단계 과정을 수행
   1. 엔트의 질량을 측정충격 후 분노 표시와 오른쪽 (정확하게 무게를 측정 할 수있는 측정 컵에 드롭의 낙하시키는 것으로, 예를 들면).
   2. 그리고, 히터 모든 용매를 증발 입자 질량을 구하는 또 플랫 무게.
   3. 패킹 분획을 얻기 위해 입자와 액체의 양을 계산한다. 일반적으로이 체적 분율은 60 %이어야한다.
7. 관찰 방향 (아래 또는 측면)에 따라 적절하게 카메라를 위치. 특히, 옆에 사이드 뷰 또는 하단 이미징을위한 반사 거울 같은 수준의 기판에 카메라를 넣어.

4. 비디오 녹화 및 데이터 수집

1. 영상 보정 한 후, 주사기 펌프를 다시 시작합니다. 동시에, 충돌 프로세스를 감시하는 카메라 제어 소프트웨어를 연다.
2. 비디오 길이의 절반 정도의 사후 트리거 프레임 번호를 설정합니다. 드롭이 형성 수동 삼각 시작할 때 조심해GER 순간에 카메라가 강하는 노즐에서 분리 할 때. 데이터 기록하기 전에 몇 실전 테스트를 수행합니다.
3. 데이터가 기록 된 후에, 영향을 함유하는 부분에 화상을 트리밍 및 분석을위한 이미지 시퀀스와 같은 동영상을 저장한다.

5. 이미지 후 처리 및 분석

1. 그것은 () 그림 3 (AB 참조)의 평균 화소 값의 급격한 변화에 대응하는 확산으로 액체에서 eGain의 이동 앞의 위치를 경계 검출 방법을 사용합니다.
2. 바닥과 측면 두 이미지에서 밀도가 정지 튀는 개시를 결정합니다.
3. () 그림 3 (C 참조) 플랫에서 탈출 개별 입자의 흔적을 얻기 위해 입자 추적 알고리즘을 수행합니다. 그런 다음, 같은 궤도에서 배출 속도 (그림 3 (d))를 계산한다.

결과

고속 이미징 기법.도 확산 및 다양한 충격 시나리오 스플래쉬를 정량화하는데 사용될 수있다 4 (a), 예를 들어, 다른 산화물 피부 강도 액체에서 eGain 전형적인 충격 이미지 시퀀스를 나타낸다. 같은 노즐에서 동일한 떨어지는 높이에서 eGain를 배출함으로써, 재현 충격 속도 V _0와 물방울 = ± 0.12 m / 초 및 반경 R ₀ = 6.25 ± 0.10 mm는 1.02 생성되었습니다. 왼쪽 열?...

토론

몇 가지 단계가 빠른 영상의 적절한 실행을 위해 중요하다. 우선, 카메라와 렌즈를 적절하게 설정하고 교정해야합니다. 특히, 높은 공간 해상도를 얻기 위하여, 렌즈의 재생 비율은 1:1 내지 부근에 유지되어야한다. 이 조밀 한 현탁액의 시각화를 위해 특히 중요합니다. 또한, 개구의 크기가주의 깊게 촬상을 위해 선택 될 필요가있다. 예를 들어, 일반적으로 측면에서 관찰 필드의 더 깊이, 따라서 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gallium-Indium Eutectic	Sigma Aldrich	495425-25G
Hydrochloric Acid	Sigma Aldrich	320331-2.5L
Zirconium oxide	Glen Mills Inc.	7200
Phantom V12 and V7 Fast Ccamera	Vision Research	N/A
105 mm Micro-Nikon	Nikon	N/A
12 V / 200 W light Source	Dedolight	N/A
Syringe Pump	Razel	MODEL R9-9E