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
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이 작품은 석유 기술 개발 기금 (PTDF, 나이지리아)와 공학 및 물리 과학 연구 협의회, 프로그램 그랜트 멤피스 (부여 번호 EP/K003976/1)를 통해 영국에 의해 후 원했다. 저자는 또한 박사 Zhizhao 체와 유익한 토론을 주셔서 감사합니다.

1. 실험 장비 설치
참고: 그림 1을 참조 하십시오.
<ol><li>
떨어지는 영화 단위
	<ol>
<li>깨끗 하 고 부드러운 천으로 기판 (유리) 표면 청소 하 여 시작 합니다. 아무 흙 액체 속성 변경 하는 것이 그것의 표면에 붙어 있는지 확인 합니다.</li>
		<li>원하는 성향 각을 유리 기판의 피벗을 설정 합니다. 경사 각도, β, 15˚의이 작품에 사용 되었습니다.</li>
		<li>전기 펌프에 전환 하 고 더 유리 기판 청소 필름 표면에 정상적인 액체 흐름을 보장 합니다. 이 작품에 대 한 테스트 액체는 이온된 수를 했다.</li>
		<li>기판의 표면 전체 침수가 확인 합니다.</li>
		<li>유량 계를 사용 하 여 영화 흐름 속도 측정 합니다. 이 작품에 대 한 유량 x 10-3 1.667와 해당 영화 다시 ρq =레이놀즈 수와 10 x 10-3 m3/s 사이 다양 했다 /wµ, 55.5와 333 사이 배열. 승 은 떨어지는 영화 폭, 0.30 m 이다.</li>
		<li>점차적으로 유리 기판 위에 원하는 유량을 얻기 위해 흐름 연결에 밸브를 조정 합니다.</li>
		<li>마이크로미터 단계 영화 입구에서 배포 챔버로 영화 입구 또는 공기의 역류에서 유압 점프를 피하기 위해 선택한 흐름 속도 대 한 해당 Nusselt 필름 두께 값 집합을 조정 합니다.</li>
		<li>수동으로 하류 필름 표면에 균일 흐름을 얻기 위해 배포 실에서 모든 공기를 사이 펀.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
영화 제어 장치
	<ol>
<li>함수 발생기는 데이터 수집 카드 (DAC)를 통해 비 래칭 릴레이 통해 솔레노이드 밸브에 연결 되어 있는지 확인 합니다.</li>
		<li>솔레노이드 밸브와 함수 발생기에 전환 합니다.</li>
		<li>함수 발생기 원하는 강제 주파수를 설정 합니다. 이 작품에서는, 2, 3 Hz의 주파수 사용 되었다.</li>
		<li>원하는 웨이브 신호 (사인 파, 톱니 파, 구형 파, 등)을 선택 합니다. 이 작품에서 사인파 신호는 이용 되었다. 그림 2A 와 2B 는 통제 영화와 제어 필름을 보여줍니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
작은 물방울 생성 시스템
	<ol>
<li>물 가득 주사기에 깨끗 한 플라스틱 튜브를 연결 합니다.</li>
		<li>드롭릿 발전기에 주사기를 삽입 합니다.</li>
		<li>플라스틱 튜브의 다른 쪽 끝을 (에 따라 원하는 방울 직경) 선택한 크기의 주사기 바늘을 부착. 공부 하는 작은 물방울 직경 범위 0.0023 0.0044 m 사이 했다.</li>
		<li>필름 표면 위의 드롭의가 높이 조정 합니다. 이 작품에서 드롭의가 높이 0.45 m, 0.30 ± 0.02-2.96 ± 사이 충격 속도 주는 0.005에서 다양 했다 0.06 m/s.</li>
		<li>마찬가지로, 영화 입구에서 드롭의 streamwise 영향 포인트를 설정 합니다. 이이 작품에서 0.3 m 파도 영향 전에 잘 형성 되도록 설정 했다.</li>
		<li>주사기 펌프에 대 한 원하는 유량을 설정 합니다.</li>
		<li>필름 표면에 형성 된 파의 파장 보다 더 큰 작은 물방울 생성 주파수를 달성 하기 위해 유량 조정 드랍 스 제어 영화의 다른 지역에 연속적으로 충돌을 확인 합니다. 그림 2C; 참조 와 각 지역19,20아래 흐름 프로필에는 dissimilarities 표시할 그림 2D 에서 단 수 파형의 확대.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
고속 영상 설치
	<ol>
<li>삼각대 스탠드 (또는 다른 어떤 적당 한 배열)에 카메라를 배치 합니다.</li>
		<li>원하는 초점 매크로 렌즈를 선택 하 고이 카메라에 연결.</li>
		<li>고속 카메라에 전환 하 고 필름 표면에 직접 초점을 보장 합니다. 필름 표면에 각각 7˚와 12˚ 수평 및 수직 편차에서 카메라를 맞춥니다. 이 각각 67.5 µ m/픽셀 및 streamwise와 spanwise 방향에서 46.6 µ m/픽셀의 해상도에 따른 영향 과정의 우수한 사이드 뷰 이미지를 제공 합니다.</li>
		<li>보정 항목을 정확 하 게 방울 영향에 자리 배치를 사용 하 여 (최대 조리개)에서 카메라 렌즈의 초점을 조정 합니다.</li>
		<li>날카로운 초점을 얻은 일단 적은 양의 빛만 카메라 입력 되도록 조리개를 줄일 수 있습니다.</li>
		<li>원하는 프레임 속도, 해상도 및 고속 카메라의 셔터 속도 설정 합니다. 5000 fps, 800 x 600 해상도, 프레임 속도 조리개 크기 1/16 그리고 셔터 속도 1 µs의이 작품에서 사용 되었다.</li>
		<li>빛은 이미징 지역에 걸쳐 확산 균일 하 게 되도록 그림 1C와 같이 광원, 앞 가벼운 기관총을 배치 합니다.</li>
		<li>이미징 영역 빛의 균일 한 확산을 확인 하는 광원에 전원.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2입니다. 보정
주: 그림 3을 참조 하십시오.
<ol><li>통치자 영화 흐름 방향에서 (정확 하 게 영향의 자리)에 넣고 필름 표면에 측정 된 포인트의 스냅샷을 얻을.</li>
	<li>Spanwise 방향에서 눈금자 함께 반복 2.1만.</li>
	<li>위의 필름 표면에 공간 해상도를 사용 합니다.</li>
</ol>3. 비디오 녹화 및 데이터 수집
<ol><li>영화 흐름 장비에 설정 되 면 주사기 펌프를 시작 하 고 필름 표면에 떨어지는 방울의 영향을 관찰 합니다.</li>
	<li>함수 발생기를 시작 하 고 필름 표면에 spatiotemporally 일반 파도의 생산 합니다.</li>
	<li>연속 방울 미치는 제어 필름 표면에의 다른 영역을 확인 합니다.</li>
	<li>프레임 번호와 이것을 설정 후 발생 관찰 영향을 적절 하 게 잡으려고 비디오 길이의 약 절반.</li>
	<li>광원 및 영향 발생 하면 이미지 캡처 트리거 전원.</li>
	<li>이미지 캡처 완료 되는 액체의 과열 방지를 위해 광원 끕니다.</li>
	<li>시각적으로 컴퓨터 화면에 획득된 스냅숏 분석. 영향 플랫 영화, 모 세관 파, 중 하나에서 발생 한 확인 또는 파도 고비 지역.</li>
	<li>영향 과정을 보여주는 부분에 비디오를 트리밍합니다 고 비디오/이미지 형태로 프레임 범위를 저장 합니다.</li>
	<li>즉. 독방 고비, 모 세관 파 및 평면 영화 필름 표면에 모든 지역에 개별 영향 3.5-3.8와 레코드를 반복 합니다.</li>
</ol>4. 이미지 후 처리 및 분석
<ol><li>통치자의 시야에 고 얼마나 많은 픽셀에 맞게 걸쳐 1 cm. 보정 이미지를 사용 하 여 계산 하 여 공간 해상도 계산, 이미지 차원 측정에 대 한 배율 인수를 얻을.</li>
	<li>고속 이미지에서 다른 영향 지역에 미치는 영향 과정의 결과 비교 합니다. 주목할 만한 차이 보고 확인 합니다.</li>
	<li>적당 한 MATLAB 이미지 처리 루틴을 사용 하 여 측정 영향 과정의 제품의 특성 기능: splashing 모드에서 즉 크라운 높이, 직경, 벽 두께 측정, 크기, 수, 크라운 지향 방향, 각도 기울기 분출된 보조 방울의 분포입니다.</li>
	<li>4.3 위 저 웨버 영향으로 비슷한 정량 분석을 실시 합니다. 수 위성의 핀치 오프 시간 시간을 프레임 이미지에서 삭제 하 고 팩스 길이 및 보조 상품의 핀치 오프 앞 부분 접착에 열 너비를 측정. 분출된 보조 상품의 크기를 측정 합니다. 반복된 핀치 오프 과정에서 캐스케이드의 수를 계산 합니다.</li>
	<li>각 지역에서 모든 질적 차이 관찰 합니다.</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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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>

저자는 선언할 수 없다.

이 섹션에서 우리는 질적 결과 프로토콜에서 가져온 확인 하는 데 필요한 몇 가지 팁을 제공 합니다. 첫째, 유리 기판에 액체 영화 흐름 유지 되어야 완전히 먼지-무료 액체 필름의 속성을 확인 하는 탁월한 보관 됩니다. 이것은 달성 일반 청소 (아마 적합 한 세제를 사용 하 여 시스템에 해체를 방지 하는 트레이 위에 닦아)입니다. 마찬가지로, 일부 실험 라운드 후, 정확한 결과 보장 하기 위해 전체 테스트 액체의 정기적으로 교체 해야 합니다.
둘째, 유체 분포 챔버 잘 meshed 이어야 하며 또한 outflowing 액체 영화는 통일 되도록 밀폐 유지. 이것은 수동으로 각 실험 전에 분배기에서 공기를 몰래 여 행 해질 수 있다. 마이크로미터-영화 입구에서 단계를 사용 하 여도 해당 레이놀즈 수에서 영화 흐름의 Nusselt 견적에 의해 예측 하는 정확한 필름 두께를 영화 입구에서 갭 높이 설정 하려면 좋습니다. 이 유압 점프 또는 입구에 역류 되지 것입니다.
솔레노이드 밸브의 동작 또한 항상 확인 하 고 제대로 확인 해야 합니다. 흐름의 적절 한 맥 강제 파의 생산을 보장 하는 데 필요한 때문입니다. 이 솔레노이드 밸브 연결 파이프를 따라 인식된 맥의 일반 클릭 사운드에서 체크 수 있습니다. 주사기 펌프에 액체 유량도 방울 떨어지기 전에 어떤 사전 가속을 피하고 떨어지는 방식 배출은 되도록 신중 하 게 설정 해야 합니다.
고속 카메라의 적절 한 교정은 매우 정확한 결과 얻을 수 보장 되어야 합니다. 조리개 크기 해야 합니다 또한 신중 하 게 선택 필드, 노출 시간 및 전반적인 이미지 밝기의 깊이 같은 매개 변수를 고려. 카메라 비디오 녹화 중 트리거링, 사용자는 또한 트리거링 하기 전에 얼마나 많은 프레임을 기록 한다 추정 해야 합니다. 이 드롭 영향에 따라 개인과 다를 수 있습니다, 그리고 따라서, 연습에 대 한 몇 가지 시험 테스트는 실제 측정 하기 전에 권장 합니다. 마찬가지로, 광원 제대로 배열 하 고 이미지에 그림자를 최소화 하기 위해 잘 확산 되어야 합니다.
참고 하 고 연구의 주요 초점입니다 기억 떨어지는 방울의 영향 역학 파의 기여 따라서 일반 웨이브 구조의 형성은 기본 물리학의 정확한 연구에 필수적인 중요 하다. 시나리오 파도 구조 3 차원 구조를 신속 하 게 전환 관찰 된다, 그것은 좋습니다 기판 경사 각도 감소14,19 웨이브 구조의 느린 전환을 촉진 하기 위하여 수 .
기술에의 한 제한 영향의 각 지역에 실제 즉석 필름 두께 지정 하는 측정 장치가 없을 경우에 관찰 된다. 이 전반적인 관찰된 현상에 추가 정보를 제공 것입니다.
요약 하자면,이 보고서에 명시 된 절차 또한 사용할 수 있습니다 설명 된 고속 이미징 시스템 빠른 역학 액체 방울 헤어21, 등 많은 연구 분야에 적용할 수 있는 하는 동안 간단한 웨이브 진화 역학을 공부 하 22/coalescence23, 세분화 된 제트24, 등 중요 한 현상을 마이크로 날짜 표시줄에서 관찰 된다.

드롭릿 영향 자연에서 매우 일반적인 현상이 고 어떤 호기심 관찰자1에서 주목. 그것은 스프레이 냉각, 화재 진압, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 증 착 인쇄 회로 보드에 솔더 범프의 내부 연소 엔진의 디자인을 포함 하 여 그것의 수많은 응용 프로그램으로 인해 활성 연구 영역 구성 표면 청소 및 셀 인쇄2. 응용 프로그램 확장도 농업, 예를 들어, 관개 및3,4살포 작물 뿌리. 선구적인 작업 날짜 다시워싱턴5, 동안 주요 발전만 최근 만들어진 고속 이미징6의 출현 때문에의 작품으로 19 세기 . 그 이후로, 여러 가지 연구는 실시 되었습니다; 영향 표면에서에서 범위의 솔리드7,8, 얕은,9 박막12,13깊은 액체 풀10,11 의 다른 종류를 사용 하 여.
그러나, 많은 양의 (즉, 얕은 및 깊은 풀 및 무부하 영화) 액체 표면에 작은 물방울 영향에 대 한 연구에도 불구 하 고 흐르는 액체 박막에 영향 받지 많은 관심. 또한, 지금까지, 연구 방울 영향 역학 파의 공간 구조에의 공헌을 무시 있다.
이 보고서에서는 흐르는 영화 그 역학 입구-액체 유량;의 강요에 의해 영향을 받습니다에 물방울 영향 과정을 조사 하는 상세한 실험 절차 소개 아래, 우리는 '제어' 영화로 그들을 참조 하십시오. 우리 찾을 것이 다 산 산업 (예를 들어, 냉각 타워, 증 류 법 란에서 그리고 또한 환상 흐름 정권에서 2 단계 흐름에서 관찰)에 있는 수많은 응용 프로그램 특히 영화 컨트롤은 되었다 중요 한 단계는 열 및 많은 프로세스 산업14대량 전송의 강화. 관심이 있는 독자는이 연구의 결과 대 한 자세한 내용은 우리의 이전 작품15 불린다.
유입 유량의 주파수 진동의이 응용이 필름 표면에 일반 파도의 형성 결과. 우리는 본질적으로 널리 분리 된 좁은 봉우리에 의해 특징입니다 앞 모 세관 파16,,1718의 시리즈 앞 독방 웨이브 가족에 초점. 우리 공부 독방 웨이브 구조의 세 가지 주요 부품과 관련 된 영향의 결과: ' 플랫 ', '웨이브 고비', 필름과 앞 '모 세관 파' 지역. 우리는 또한 그 통제 흐르는 영화와 관련 된 이러한 결과 대조. 우리의 결과 통제 필름에 물결 모양의 확률적 특성 제어 영화 또한 우리는 새로운 메커니즘을 보여주는 별도 영역으로 드롭 영향의 결과 현저 하 게 영향을 질적으로 모두 선발 및 양적.
이전 종이15에서 동일한 절차를 사용 하 여 우리 splashing 정권에서 물방울 영향 역학에 영화 제어의 효과 공부 했습니다. 얻은 결과 꺼낸된 보조 방울의 숫자와 크기 분포 뿐만 아니라 크라운 형태 (높이, 지름, 벽 두께, 기울기 각도 및 방향)에서 양적 및 질적 차이 보였다.
이 보고서에서 우리이 공간 구조 방울 영향 역학과 또한 현재 간결 내용의 splashing 정권 뿐만 아니라 물방울의 다른 결과 대 한 우리의 연구 결과에 의해 재생 중요 한 역할을 이해 하려면 설계 된 설정 설명 영향 (즉 수신 거부, 슬라이딩, 부분/전체 접착). 아래에서 설명 하는 표준 프로토콜에 따라, 드롭릿 영향 역학에 영화 제어의 효과 재현 방식에서 공부 될 수 있다.

<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

드롭릿 영향 자연에서 매우 일반적인 현상이 고 주목 미적 매력 및 광범위 한 응용 프로그램. 이 최근 하락 영향 역학에 중요 한 영향력을가지고 표시 되었습니다 동안 흐르는 액체 영화에 대 한 이전 연구 영향 결과에 파도의 공간 구조에의 기여를 무시 있다. 이 보고서에서 우리 spatiotemporally 일반 웨이브 구조의 생산 하락 영향 역학에 이어지는 흐르는 액체 필름의 주기적인 입구의 효과 조사 하는 단계별 절차를 설명 합니다. 솔레노이드 밸브 관련 함수 발생기는 균일 한 크기의 작은 물방울의 영향 역학 고속 카메라를 사용 하 여 캡처 동안 이러한 spatiotemporally 일반 파도 구조 필름 표면에 흥분 하는 데 사용 됩니다. 다음 세 가지 고유한 영역 공부; 즉 앞에 큰 파도 피크, 플랫 영화 지역과 웨이브 고비 지역 모 세관 파 지역. 레이놀즈, 영화 같은 중요 한 크기가 없는 양의 효과 웨버 드롭하고 영화 흐름 율, 드롭 속도 및 드롭 크기에 의해 매개 변수화 Ohnesorge 숫자는 또한 시험. 우리의 결과 보여준다 흥미, 지금까지 알려지지 않은 역학의 영화 입구의 흐르는 영화 모두 낮은 높은 관성 삭제에 대 한이 응용 프로그램에 대해 가져온.

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

흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 연구 프로토콜 제공 됩니다.

얇은 흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 공부 영화 컨트롤

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

JoVE Journal

Engineering

7.4K 조회수.  Imperial College London. 흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 연구 프로토콜 제공 됩니다.

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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.

비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술

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 ...

연구

공학

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.

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.

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.

단 분산 미세 방울의 크기가 제어 형성을위한 모세관 기반 원심 미세 유체 장치

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.

위상 반전 공동 흐름 구조와 미세 모 세관 장치를 사용 하 여 조작 높은 점도 방울

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

화학

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.

크기 제어 폴 리 (에틸렌 글리콜) 빛 방울 장치를 통해 세미 3 차원 흐름 초점 미세의 세대

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.

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.

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.

광학 레버 방법으로 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력 측정

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.

액체 액적 영향의 높은 처리량 분석

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