Name: fast imaging technique to study drop impact dynamics of non-newtonian fluids
Uploaded: 2014-03-05T16:30:00
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Merci à Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin et Michelle Driscoll pour de nombreuses discussions utiles et Qiti Guo pour l&#39;aide à la préparation des échantillons expérimentaux. Ce travail a été soutenu par MRSEC le programme de la National Science Foundation Grant No. DMR-0820054.

Une. Configuration d&#39;imagerie rapide (voir la figure 1) <ol><li> Commencer par mettre en place une glissière verticale le long de laquelle un récipient rempli avec le fluide destiné à être étudié peut être déplacée librement pour ajuster la vitesse d&#39;impact. Le liquide quitte le fond du récipient à travers une buse, puis pénètre dans la chute libre. Pour ce travail, la hauteur de chute a fait varier de 1 à 200 cm pour donner une vitesse d&#39;impact V 0 = (0,4 à 6,3) ± 0,15 m / sec....

<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>

Plusieurs étapes sont essentielles pour la bonne exécution de l&#39;imagerie rapide. Tout d&#39;abord, l&#39;appareil photo et l&#39;objectif doivent être réglés de manière appropriée et calibré. En particulier, afin d&#39;obtenir une résolution spatiale élevée, le taux de reproduction de la lentille doit être maintenue proche de 1:1. Ceci est particulièrement important pour la visualisation des suspensions denses. De plus, la taille de l&#39;ouverture doit être soigneusement choisie pour l&#39;imagerie. P...

Déposez l&#39;impact sur ​​une surface solide est un processus clé dans de nombreuses applications impliquant la fabrication électronique 1, revêtement par pulvérisation 2, et la fabrication additive utilisant impression jet d&#39;encre 3,4, où un contrôle précis de la chute d&#39;étalement et les éclaboussures est souhaitée. Cependant, l&#39;observation directe de l&#39;impact de baisse est techniquement difficile pour deux raisons. Tout d&#39;abord, il s&#39;agit d&#39;un processus dynamique complexe qui se produit dans un délai trop court (~ 100 ps) à imager facilement par les systèmes d&#39;imagerie conventionnelles, comme des microscopes optiques et appareils photo reflex numériques. La photographie au flash peut image cours de beaucoup plus rapide, mais ne permet pas pour l&#39;enregistrement continu, tel que requis pour une analyse détaillée de l&#39;évolution dans le temps. Deuxièmement, l&#39;échelle de longueur induite par l&#39;instabilité de l&#39;impact peut être aussi petite que 10 um 5. Par conséquent, pour étudier quantitativement le processus de l&#39;impact d&#39;un système qui combine l&#39;imagerie ultra-rapide avec une résolution spatiale relativement élevée est souventsouhaitée. En l&#39;absence d&#39;un tel système, les premiers travaux sur l&#39;impact des gouttelettes essentiellement porté sur la déformation géométrique mondial après l&#39;impact 6-8, mais a été incapable de recueillir des informations sur les premiers temps, les processus hors équilibre associés à l&#39;impact, tels que l&#39;apparition d&#39;éclaboussures. Les progrès récents dans le CMOS haute vitesse vidéographie de fluides 9,12 ont poussé le taux de trame jusqu&#39;à un million de fps et temps d&#39;exposition bas en dessous de 1 ps. En outre, les techniques d&#39;imagerie CCD nouvellement développés peuvent pousser le taux de trame bien au-dessus d&#39;un million d&#39;images par seconde 9-12. La résolution spatiale d&#39;un autre côté, peut être augmentée à l&#39;ordre de 1 um / pixel en utilisant des loupes 12. En conséquence, il est devenu possible d&#39;explorer en détail sans précédent de l&#39;influence d&#39;un grand nombre de paramètres physiques sur divers stades de l&#39;impact de chute et de comparer systématiquement expérience et la théorie 5,13-16. Par exemple, la transition de projections dans les fluides newtoniens était foue à fixer par la pression atmosphérique 5, tandis que la rhéologie intrinsèque décide la dynamique de propagation de fluides rendement-stress 17. Ici encore puissante technique d&#39;imagerie rapide simple est proposée et appliquée pour étudier la dynamique de l&#39;impact des deux types de fluides non-newtoniens: métaux liquides et suspensions denses. Avec l&#39;exposition à l&#39;air, essentiellement tous les métaux liquides (sauf le mercure) spontanément développer une pellicule d&#39;oxyde sur leur surface. Mécaniquement, la peau se trouve à modifier la tension superficielle effective et la capacité de mouillage des métaux 18. Dans un précédent article 15, plusieurs auteurs ont étudié le processus d&#39;étalement quantitativement et étaient en mesure d&#39;expliquer comment l&#39;effet de peau influe sur la dynamique de l&#39;impact, en particulier la mise à l&#39;échelle du rayon d&#39;étalement maximal avec des paramètres d&#39;impact. Depuis métal liquide a haute réflectivité de la surface, un réglage précis de l&#39;éclairage est nécessaire dans l&#39;imagerie. Suspensions unere composée de petites particules dans un liquide. Même pour les liquides newtoniens simples, l&#39;ajout de particules résulte en un comportement non-newtonien, qui devient particulièrement prononcé dans les suspensions denses, c&#39;est à dire à haute fraction volumique des particules en suspension. En particulier, l&#39;apparition d&#39;éclaboussures quand une goutte de suspension frappe une surface lisse, dure a été étudiée dans les travaux antérieurs 16. Les deux liquides particules et les interactions entre les particules peuvent modifier le comportement des éclaboussures de manière significative de ce qu&#39;on pourrait attendre de liquides simples. Pour suivre les particules aussi petites que 80 um dans ces expériences une résolution spatiale élevée est nécessaire. Une combinaison de diverses exigences techniques telles que la résolution spatiale et temporelle, ainsi que la capacité d&#39;observation des impacts à la fois du côté de et ci-dessous, peuvent tous être satisfaits de la configuration d&#39;imagerie décrit ici. En suivant un protocole standard, décrit ci-dessous, la dynamique d&#39;impact peuvent être investisnomènes étudiés d&#39;une manière contrôlée, comme le montre explicitement pour la diffusion et les éclaboussures comportement.

<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

Dans le domaine de la mécanique des fluides, de nombreux processus dynamiques se produisent pas seulement sur un intervalle de temps très court, mais aussi exigent une haute résolution spatiale pour l&#39;observation détaillée des scénarios qui font qu&#39;il est difficile d&#39;observer avec les systèmes d&#39;imagerie conventionnelles. L&#39;une d&#39;elles est l&#39;impact de la goutte de liquide, qui se produit généralement à moins d&#39;un dixième de milliseconde. Pour relever ce défi, une technique d&#39;imagerie rapide est introduit qui combine une caméra haute vitesse (capables d&#39;aller jusqu&#39;à un million d&#39;images par seconde) avec un objectif macro à longue distance de travail de porter la résolution spatiale de l&#39;image vers le bas à 10 um / pixel. La technique d&#39;imagerie permet la mesure précise de la quantité de dynamique des fluides concernés, tels que le champ d&#39;écoulement, la distance et la vitesse d&#39;étalement d&#39;éclaboussures, de l&#39;analyse de la vidéo enregistrée. Pour démontrer les capacités de ce système de visualisation, la dynamique d&#39;impact lorsque des gouttelettes de fluides non-newtoniens empiètent sur une surface plane et dure sont caracrisée. Deux situations sont envisagées: pour oxydés gouttelettes de métal liquide, nous nous concentrons sur le comportement de diffusion, et de suspensions denses nous déterminons le début de projections. Plus généralement, la combinaison de la résolution de l&#39;imagerie spatiale et temporelle introduite ici offre des avantages pour l&#39;étude de la dynamique rapide dans un large éventail de phénomènes microscopique.

La technique d&#39;imagerie rapide peut être utilisée pour quantifier la diffusion et les éclaboussures de différents scénarios d&#39;impact. Figure 4 (a), par exemple, montre typiques des séquences d&#39;images d&#39;impact pour eGain liquide avec différentes forces de la peau d&#39;oxyde. En éjectant eGain de la même buse, et à la même hauteur chute, les gouttelettes reproductible avec une vitesse d&#39;impact V 0 = 1,02 ± 0,12 m / s et de rayon R 0 = 6,25 ± 0,10 mm ...

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

Imagerie rapide technique permettant d&#39;étudier l&#39;impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

impact de gouttes de fluides non-newtoniens est un processus complexe, étant donné que différents paramètres physiques influencent la dynamique sur un temps très court (moins d&#39;un dixième de milliseconde). Une technique d&#39;imagerie rapide est introduit dans le but de caractériser le comportement des différents fluides non-newtoniens impact.

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 ...

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