Name: fast imaging technique to study drop impact dynamics of non-newtonian fluids
Uploaded: 2014-03-05T16:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids at JoVE.com

Tak til Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin og Michelle Driscoll til mange nyttige diskussioner og Qiti Guo for hjælp med at forberede eksperimentelle prøver. Dette arbejde blev støttet af National Science Foundations MRSEC program under Grant No DMR-0.820.054.

1.. Hurtig Imaging Setup (se figur 1) <ol><li> Start med at oprette en lodret bane langs hvilken en container fyldt med den væske, der skal undersøges, kan frit flyttes til justere effekten hastighed. Væsken forlader bunden af ​​beholderen gennem en dyse og derefter ind i frit fald. For dette arbejde blev faldhøjde varierede 1-200 cm at give en anslagshastighed V 0 = (0,4-6,3) ± 0,15 m / sek. </li><li> Konstruere og montere en ramme til at holde vandret virkning flyet, typisk en glasplade, hvorefte...

<ol>
	<li>Chiechi, R. C., Weiss, E. A., Dickey, M. D., Whitsides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eutectic+Gallium-Indium+(EGaIn):+A+moldable+Liquid+Metal+for+Electrical+Characterization+of+Self-Assembled+Monolayers.">Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of Self-Assembled Monolayers.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 47, 142 (2008).</li><li>Fukumoto, M., Huang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flattening+Mechanism+in+Thermal+Sprayed+Ni+Particles+Impinging+on+Flat+Substrate+Surface.">Flattening Mechanism in Thermal Sprayed Ni Particles Impinging on Flat Substrate Surface.</a> J. Thermal Spray Tech. 8, (1999).</li><li>Seerden, K. A., Reis, N., Evans, J. R., Grant, P. S., Halloran, J. W., Derby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ink-Jet+Printing+of+Wax-Based+Alumina+Suspensions.">Ink-Jet Printing of Wax-Based Alumina Suspensions.</a> J. Am. Ceram. Soc. 84, 2514 (2004).</li><li>Derby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inkjet+printing+ceramics:+From+drops+to+solid.">Inkjet printing ceramics: From drops to solid.</a> J. Eur. Ceram. Soc. 31, 2543 (2011).</li><li>Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+Splashing+on+a+Dry+Smooth+Surface.">Drop Splashing on a Dry Smooth Surface.</a> Phys. Rev. Lett. 94, (2005).</li><li>Clanet, C., Beguin, C., Richard, D., Quere, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maximal+deformation+of+an+impacting+drop.">Maximal deformation of an impacting drop.</a> J. Fluid. Mech. 517, 199 (2004).</li><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.">Drop Impact Dynamics: Splashing Spreading, Receding, Bouncing.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 38, 159 (2006).</li><li>Chandra, S., Avedisian, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+collision+of+a+droplet+with+a+solid+surface.">On the collision of a droplet with a solid surface.</a> Proc. R. Soc. Lond. A. 432, 13-41 (1991).</li><li>Versluis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+imaging+in+fluids.">High-speed imaging in fluids.</a> Exp. Fluids. 54, 1458 (2013).</li><li>Thoraval, M. -. J., Takehara, K., Etoh, T. G., Thoroddsen, S. T. <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+entrapment+of+bubble+rings.">Drop impact entrapment of bubble rings.</a> J. Fluid Mech. 724, 234-258 (2013).</li><li>Thoroddsen, S. T., Takehara, K., Etoh, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-splashing+by+drop+impacts.">Micro-splashing by drop impacts.</a> J. Fluid Mech. 706, 560-570 (2012).</li><li>Thoroddsen, S. T., Etoh, T. G., Takehara, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+imaging+of+drops+and+bubble.">High-speed imaging of drops and bubble.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 40, 257-285 (2008).</li><li>Driscoll, M., Stevens, C. S., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thin+film+formation+during+splashing+of+viscous+liquids.">Thin film formation during splashing of viscous liquids.</a> Phys. Rev. E. 82, (2010).</li><li>Pregent, S., Adams, S., Butler, M. F., Waigh, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+impact+and+deformation+of+a+viscoelastic+drop+at+the+air-liquid+interface.">The impact and deformation of a viscoelastic drop at the air-liquid interface.</a> J. Non-Newtonian Fluid Mech. 166, 831 (2011).</li><li>Xu, Q., Brown, E., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+dynamics+of+oxidized+liquid+metal+drops.">Impact dynamics of oxidized liquid metal drops.</a> Phys. Rev. E. 87, (2013).</li><li>Peters, I. R., Xu, Q., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Splashing+onset+in+dense+suspension+droplets.">Splashing onset in dense suspension droplets.</a> Phys. Rev. Lett. 111, (2013).</li><li>Luu, L., Forterre, Y. <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+of+yield-stress+fluids.">Drop impact of yield-stress fluids.</a> J. Fluid Mech. 632, 301 (2009).</li><li>Xu, Q., Oudalov, N., Guo, Q., Jaeger, H., Brown, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+oxidation+on+the+mechanical+properties+of+liquid+gallium+and+eutectic+gallium-indium.">Effect of oxidation on the mechanical properties of liquid gallium and eutectic gallium-indium.</a> Phys. Fluids. 24, (2012).</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> Phys. Rev. Lett. 103, (2009).</li><li>Miskin, M. Z., Jaeger, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+Formation+and+Scaling+in+Dense+Suspensions.">Droplet Formation and Scaling in Dense Suspensions.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 4389-4394 (2012).</li><li>Royer, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Birth+and+growth+of+a+granular+jet.">Birth and growth of a granular jet.</a> Phys. Rev. E. 78, (2008).</li><li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence.">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Phys. Rev. Lett. 106, (2011).</li></ol>

Flere trin er afgørende for korrekt udførelse af den hurtige billeddannelse. Først kameraet og linsen skal være passende indstillet og kalibreret. Især med henblik på at få høj rumlig opløsning, gengivelsesforholdet af linsen skal holdes tæt til 1:1. Dette er især vigtigt for visualisering af tætte suspensioner. Desuden skal størrelsen blænden omhyggeligt udvalgt til billeddannelse. For eksempel, observation fra siden i almindelighed kræver længere dybdeskarphed derfor mindre maskestørrelse. For at opre...

Drop indvirkning på en fast overflade er en vigtig proces i mange anvendelser, der involverer elektronisk fabrikation 1, spray coating 2, og tilsætningsstof fremstillingsindustrien hjælp inkjet printning 3,4, hvor en præcis styring af drop breder og sprøjt er ønsket. , Direkte observation af drop virkning er imidlertid teknisk udfordrende af to grunde. For det første er en indviklet dynamisk proces, der forekommer inden for en tidsramme for korte (~ 100 mikrosekunder), der skal afbildes let ved konventionelle billeddannende systemer, såsom optiske mikroskoper og DSLR kameraer. Flash fotografering kan naturligvis billedet meget hurtigere, men giver ikke mulighed for kontinuerlig optagelse, som kræves til detaljeret analyse af udviklingen med tiden. For det andet kan længdeskala induceret af konsekvenserne ustabilitet være så små som 10 um 5. Derfor er kvantitativt undersøge konsekvenserne proces et system, der kombinerer ultrahurtig billeddannelse sammen med rimelig høj rumlig opløsning er ofteønskes. I mangel af et sådant system, tidlige arbejde på dråbe indvirkning mest fokuseret på den globale geometriske deformation efter sammenstødet 6-8, men var ude af stand til at indsamle oplysninger om den tidlige tid, uligevægtsfænomener processer i forbindelse med konsekvenser såsom udbrud af sprøjt. Nylige fremskridt i CMOS høj hastighed videography af væsker 9,12 har skubbet frame rate på op til en million fps og eksponeringstider ned under 1 usek. Desuden kan nyudviklede CCD imaging teknikker skubbe frame rate godt over en million fps 9-12. Rumlig opløsning på den anden side, kan øges til i størrelsesordenen 1 um / pixel ved hjælp af forstørrelsesglas 12. Som følge heraf er det blevet muligt at udforske i hidtil usete detaljer indflydelse af en bred vifte af fysiske parametre på forskellige stadier af drop virkning og systematisk sammenligne eksperiment og teori 5,13-16. For eksempel sprøjt overgang i newtonske væsker var found skal fastsættes af atmosfære tryk 5, mens den indre rheologi beslutter spreading dynamik udbytte-stress væsker 17. Her er en simpel endnu kraftfulde hurtig billedbehandling teknik introduceres og anvendes til at undersøge konsekvenserne dynamikken i to typer af ikke-newtonske væsker: flydende metaller og tætpakkede suspensioner. Med eksponering for luft, hovedsageligt alle flydende metaller (undtagen kviksølv), vil spontant udvikle en oxid hud på deres overflade. Mekanisk, huden anset for at ændre effektiv overfladespænding og befugtningsevne af metallerne 18. I en tidligere papir 15, flere af forfatterne studeret sprede processen kvantitativt og var i stand til at forklare, hvordan huden effekt påvirker virkningen dynamik, især skalering af den maksimale sprede radius med impact parametre. Da flydende metal har en høj overflade refleksivitet, kræves omhyggelig justering af belysning i billeddannelse. Karantæner enre sammensat af små partikler i en væske. Selv for simple newtonske væsker, tilsætning af partikler medfører ikke-newtonsk adfærd, som bliver særligt udtalt i tætte suspensioner, dvs ved høj lydstyrke brøkdel af suspenderede partikler. Især blev indtræden af sprøjt, når en suspension dråbe rammer en glat, hård overflade undersøgt i tidligere arbejde 16. Både væske-partikel og inter-partikel vekselvirkninger kan ændre sprøjt adfærd væsentligt fra, hvad der kan forventes fra simple væsker. Hvis du vil spore partikler så små som 80 um i disse eksperimenter er behov for en høj rumlig opløsning. En kombination af forskellige tekniske krav, såsom høj tidslig og rumlig opløsning, plus evnen til at observere påvirkninger både fra siden og fra neden, kan alle være tilfredse med imaging setup beskrevet her. Ved at følge en standard-protokol, der er beskrevet nedenfor, kan virkningen dynamik være undersøtigated på en kontrolleret måde, som vist udtrykkeligt til at sprede og sprøjt adfærd.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:604px;" width="605">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:103px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Gallium-Indium Eutectic</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>495425-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hydrochloric Acid&#160;</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>320331-2.5L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Zirconium oxide</td>
			<td>Glen Mills Inc.</td>
			<td>7200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phantom V12 &#38; V7 Fast Ccamera</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">105mm Micro-Nikon</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">12V/200W light Source</td>
			<td>Dedolight</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe Pump</td>
			<td>RAZEL</td>
			<td>MODEL R9-9E</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fast imaging technique to study drop impact dynamics of non-newtonian fluids

Inden for fluidmekanik, mange dynamiske processer, som ikke kun ske over en meget kort tidsinterval, men også kræver høj rumlig opløsning til detaljeret observation, scenarier, der gør det udfordrende at observere med konventionelle billeddannende systemer. En af disse er den dråbe indvirkning af væsker, hvilket normalt sker inden for en tiendedel af millisekund. For at tackle denne udfordring, er en hurtig billedbehandling teknik introduceret, der kombinerer en høj hastighed kamera (i stand til op mod en million billeder per sekund) med et makroobjektiv med lang arbejdsafstand at bringe den rumlige opløsning af billedet ned til 10 mM / pixel. De billeddannende teknik muliggør præcis måling af relevante fluid dynamiske mængder, såsom flow feltet spredning afstand og sprøjt hastighed, fra analyse af den optagede video. For at demonstrere mulighederne i denne visualisering system, indvirkning dynamik når dråber af ikke-newtonske væsker kolliderer med en flad hård overflade er karakrized. To situationer betragtes: for oxiderede flydende metal dråber fokuserer vi på at udbrede adfærd, og for tætpakkede suspensioner vi bestemme debut af sprøjt. Mere generelt kombinationen af ​​høj tidslig og rumlig billeddannelse opløsning introduceret her giver fordele for at studere hurtige dynamik på tværs af en bred vifte af mikroskala fænomener.

Den hurtige imaging teknik kan bruges til at kvantificere sprede og sprøjt forskellige virkningsscenarier Figur. 4 (a), for eksempel, viser typiske billede virkning sekvenser for flydende eGain med forskellige oxid huden styrke. Ved at skubbe eGain fra samme dyse og på samme faldhøjde, dråber med reproducerbar anslagshastighed V 0 = 1,02 ± 0,12 m / sek og radius R 0 = 6,25 ± 0,10 mm blev dannet. Den venstre kolonne viser effekten af ​​en luft-oxideret eGain drop ikke forv...

Watch this Scientific Journal Video about Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids at JoVE.com

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

Hurtig Imaging teknik til at undersøge Drop Impact Dynamics af ikke-newtonske væsker

Drop virkningen af ​​ikke-newtonske væsker er en kompleks proces, da forskellige fysiske parametre påvirke dynamikken i en meget kort tid (mindre end en tiendedel af et millisekund). En hurtig billeddannelse teknik er indført for at karakterisere den indvirkning adfærd af forskellige ikke-newtonske væsker.

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 ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Fluid Mechanics

SCIENTISTS IN ACTION

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

Eksperimentel måling af afregningshastigheden af sfæriske partikler i udefinerede og begrænsede overfladeaktive-baserede Shear Thinning Vicoelastic Fluids

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

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fremstilling af ensartede nanoskala hulrum via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

Laboratorium Drop Towers for Eksperimentel Simulering af Dust-aggregerede kollisioner i tidlige solsystem

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Fremstillingen af ​​elektrohydrodynamisk Bridges fra Polar Dielektriske Væsker

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Anvendelse af en Multi-rum Dynamic Single Enzyme Phantom for Studier af Hyperpolariserede Magnetic Resonance Agenter

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Dynamisk Pore-skala Reservoir-tilstand Imaging af reaktion i Karbonater Brug Synchrotron Fast Tomography

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

Dielectric RheoSANS &#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

Dielectric RheoSANS ÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã‚Â Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

Dielektriske RheoSANS - Samtidig Forespørgsel, Impedans, Rheology og Small Angle Neutron Scattering af væsker

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and ...

Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

Målinger af kulstof i jorden af Neutron-Gamma analyse i statisk og Scanning tilstande

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

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

Film kontrol til at undersøge bidrag af bølger til Droplet indvirkning Dynamics på tyndt flydende flydende film

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

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

Styring af strømningshastigheder for 3D-aktive væsker med mikrotubulus ved hjælp af temperatur

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...