Name: fast imaging technique to study drop impact dynamics of non-newtonian fluids
Uploaded: 2014-03-05T16:30:00
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Grazie a Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin e Michelle Driscoll per molte discussioni utili e Qiti Guo assistenza nella preparazione dei campioni sperimentali. Questo lavoro è stato supportato dal programma MRSEC della National Science Foundation sotto Grant No. DMR-0820054.

1. Setup Imaging veloce (vedi figura 1) <ol><li> Inizia creando una guida verticale lungo la quale un contenitore riempito con il fluido da studiare può essere liberamente spostato per regolare la velocità di impatto. Il fluido esce dal fondo del contenitore attraverso un ugello e poi entra caduta libera. Per questo lavoro l&#39;altezza di caduta è stata variata 1-200 cm di dare una velocità d&#39;impatto V 0 = (0,4-6,3) ± 0,15 m / sec. </li><li> Costruire e montare un telaio per tenere il piano d&#39;...

<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>

Diversi passaggi sono fondamentali per la corretta esecuzione della rappresentazione veloce. In primo luogo, fotocamera e l&#39;obiettivo deve essere opportunamente impostato e calibrato. In particolare, al fine di ottenere elevata risoluzione spaziale, il rapporto di riproduzione della lente deve essere tenuto vicino a 1:1. Questo è particolarmente importante per la visualizzazione di sospensioni dense. Inoltre, la dimensione di apertura deve essere scelto con attenzione per l&#39;imaging. Per esempio, l&#39;osservazi...

Cadere impatto su una superficie solida è un processo fondamentale in molte applicazioni che coinvolgono fabbricazione elettronico 1, rivestimento a spruzzo 2, e la produzione additiva mediante la stampa 3,4, dove un controllo preciso della goccia diffusione e spruzzi d&#39;inchiostro è desiderato. Tuttavia, l&#39;osservazione diretta di impatto goccia è tecnicamente difficile per due ragioni. In primo luogo, si tratta di un processo dinamico complesso che si verifica all&#39;interno di un lasso di tempo troppo breve (~ 100 msec), per essere ripreso facilmente con sistemi di imaging convenzionali, quali microscopi ottici e fotocamere DSLR. Flash photography lattina immagine corso molto più veloce, ma non consente la registrazione continua, come richiesto per l&#39;analisi dettagliata dell&#39;evoluzione nel tempo. In secondo luogo, la scala di lunghezza indotta da instabilità impatto può essere piccolo come 10 micron 5. Pertanto, per studiare quantitativamente il processo impatto un sistema che combina l&#39;imaging ultraveloce insieme ragionevolmente alta risoluzione spaziale è spessodesiderato. In assenza di tale sistema, i primi lavori sull&#39;impatto droplet focalizzata principalmente sulla deformazione geometrica globale dopo l&#39;impatto 6-8, ma era in grado di raccogliere informazioni sul tempo in anticipo, i processi di non equilibrio associati con un impatto, come ad esempio l&#39;insorgenza di spruzzi. I recenti progressi nella CMOS ad alta velocità videografia di fluidi 9,12 hanno spinto il frame rate fino a un milione fps e tempi di esposizione giù di sotto di 1 msec. Inoltre, le tecniche di imaging CCD di nuova concezione in grado di spingere il frame rate ben al di sopra di un milione di fps 9-12. Risoluzione spaziale d&#39;altra parte, può essere aumentata a dell&#39;ordine di 1 micron / pixel utilizzando lenti di ingrandimento 12. Di conseguenza, è diventato possibile esplorare in dettaglio senza precedenti l&#39;influenza di una vasta gamma di parametri fisici su diverse fasi di impatto goccia e di confrontare sistematicamente esperimento e teoria 5,13-16. Per esempio, la transizione schizzi in fluidi Newtoniani era found fissato dalla pressione atmosferica 5, mentre la reologia intrinseca decide le dinamiche di diffusione dei fluidi rendimento-stress 17. Ecco ancora un potente tecnica di imaging veloce semplice viene introdotto e applicato per studiare le dinamiche di impatto dei due tipi di fluidi non newtoniani: metalli liquidi e sospensioni densamente. Con l&#39;esposizione all&#39;aria, in sostanza, tutti i metalli liquidi (tranne il mercurio) spontaneamente sviluppare una pellicola di ossido sulla loro superficie. Meccanicamente, la pelle è trovato per modificare la tensione superficiale e la capacità effettiva bagnatura dei metalli 18. In un precedente documento 15, molti degli autori hanno studiato il processo di diffusione quantitativamente e sono stati in grado di spiegare come l&#39;effetto pelle influenza la dinamica di impatto, in particolare il ridimensionamento del raggio massimo diffusione con i parametri di impatto. Dal metallo liquido ha alta riflettività superficiale, attenta adeguamento dell&#39;illuminazione è richiesta nel imaging. Sospensioni unre composta di piccole particelle in un liquido. Anche per semplici liquidi newtoniani, l&#39;aggiunta di particelle di ottenere un comportamento non newtoniano, che diventa particolarmente pronunciato in sospensioni dense, cioè a frazione elevato volume di particelle sospese. In particolare, l&#39;insorgenza di spruzzi quando una gocciolina sospensione colpisce una superficie liscia e dura è stata studiata nel lavoro precedente 16. Entrambi liquido-particelle e delle interazioni inter-particelle in grado di modificare il comportamento spruzzi significativamente da quello che ci si potrebbe aspettare da liquidi semplici. Per monitorare le particelle piccole come 80 micron di questi esperimenti è necessaria un&#39;elevata risoluzione spaziale. Una combinazione di vari requisiti tecnici come l&#39;alta risoluzione temporale e spaziale, nonché la capacità di osservare gli impatti sia dal lato e dal basso, possono tutti essere soddisfatto con la messa a punto di imaging descritto qui. Seguendo un protocollo standard, descritto di seguito, le dinamiche di impatto possono essere adeguatamentetigated in modo controllato, come indicato esplicitamente per la diffusione e schizzi comportamento.

<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

Nel campo della meccanica dei fluidi, molti processi dinamici verificano non solo in un intervallo di tempo molto breve, ma anche richiedono alta risoluzione spaziale per l&#39;osservazione dettagliata, scenari che rendono difficile osservare con sistemi di imaging convenzionali. Uno di questi è l&#39;impatto goccia di liquidi, che avviene di solito entro un decimo di millisecondo. Per affrontare questa sfida, una tecnica di imaging veloce è introdotto che combina una telecamera ad alta velocità (capace di fino a un milione di fotogrammi al secondo) con un obiettivo macro con lunga distanza di lavoro per portare la risoluzione spaziale dell&#39;immagine fino a 10 micron / pixel. La tecnica di imaging consente la misurazione precisa delle rispettive quantità fluidodinamici, come il campo di flusso, la distanza e la velocità di diffusione spruzzi, dall&#39;analisi del video registrato. Per dimostrare le capacità di questo sistema di visualizzazione, le dinamiche di impatto quando le goccioline di fluidi non-newtoniani incidono su una superficie piatta e dura sono carattemente autorizzato. Due situazioni sono considerate: per ossidati gocce di metallo liquido ci concentriamo sul comportamento diffusione, e per le sospensioni densamente si determina l&#39;insorgenza di schizzi. Più in generale, la combinazione di immagini ad alta risoluzione temporale e spaziale introdotto qui offre vantaggi per studiare dinamica veloce in una vasta gamma di fenomeni microscala.

La tecnica di imaging veloce può essere utilizzato per quantificare la diffusione e schizzi per diversi scenari di impatto. Figura 4 (a), per esempio, mostra tipiche sequenze di immagini d&#39;impatto per liquidi eGain con forza la pelle ossido di diverso. Espellendo eGain dallo stesso ugello e alla stessa altezza goccioline precipitando con riproducibile velocità di impatto V 0 = 1,02 ± 0,12 m / sec e raggio R 0 = 6,25 ± 0,10 millimetri sono stati generati. La colonna di sinis...

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

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

Impatto goccia di fluidi non-Newtoniani è un processo complesso da diversi parametri fisici influenzano le dinamiche in un brevissimo tempo (meno di un decimo di millisecondi). Una tecnica di imaging veloce è introdotto al fine di caratterizzare i comportamenti impatto dei diversi liquidi non-Newtoniani.

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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