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

Takk til Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin og Michelle Driscoll for mange nyttige diskusjoner og Qiti Guo for hjelp med å forberede eksperimentelle prøver. Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation MRSEC program under Grant No DMR-0820054.

En. Oppsett Rask Imaging (Se figur 1) <ol><li> Begynn med å sette opp en vertikal skinne langs hvilken en beholder som er fylt med fluidet som skal undersøkes kan fritt beveges for å justere støthastigheten. Væsken som forlater bunnen av beholderen gjennom en dyse, og går deretter inn i fritt fall. For dette arbeidet fallhøyde ble variert 1 til 200 cm for å gi en støthastigheten V 0 = (0,4 til 6,3) ± 0,15 m / sek. </li><li> Konstruere og montere en ramme for å holde den horisontale slagplanet, va...

<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 trinn er avgjørende for forsvarlig gjennomføring av rask bildebehandling. Først, kamera og objektiv må være riktig satt opp og kalibrert. Spesielt, for å oppnå høy romlig oppløsning, reproduksjonsforhold på linsen må holdes i nærheten av 1:1. Dette er spesielt viktig for visualisering av tette suspensjoner. Dessuten må åpningsstørrelse velges nøye for avbildning. For eksempel observasjon fra siden generelt krever en lengre dybdeskarphet, derfor mindre åpningsstørrelse. For å opprettholde lysstyr...

Slipp innvirkning på en fast overflate er en viktig prosess i mange anvendelser som omfatter elektroniske fabrikasjon 1, spraybelegg 2, og tilsetningsstoff produksjon ved hjelp av en blekkteknikker 3,4, der en nøyaktig kontroll av drop spredning og spruting er ønsket. Men, er direkte observasjon av drop innvirkning teknisk utfordrende for to grunner. Først er det en innviklet dynamisk prosess som skjer i løpet av en tidsskala for kort (~ 100 usekunder) som skal avbildes lett ved konvensjonelle avbildningssystemer, som for eksempel optiske mikroskoper og DSLR. Blitsfotografering kan selvsagt bilde mye raskere, men ikke tillater for kontinuerlig opptak, slik det kreves for detaljert analyse av utviklingen over tid. For det andre, kan lengden skala indusert ved innvirkning ustabiliteter være så liten som 10 um 5. Derfor, for å kvantitativt undersøke virkningen prosessen et system som kombinerer ultra avbildning sammen med rimelig høy romlig oppløsning er ofteønsket. I fravær av et slikt system, tidlige arbeid på dråpe innvirkning fokusert mest på den globale geometrisk deformasjon etter anslag 6-8, men var ute av stand til å samle informasjon om den tidlige tiden, nonequilibrium prosesser knyttet til påvirkning, som for eksempel utbruddet av sprut. Nylige fremskritt innen CMOS høyhastighets videoopptak av væsker 9,12 har presset bildefrekvensen opp til en million fps og eksponeringstider ned under en usekunder. Videre kan nyutviklede CCD bildeteknikker skyve bildefrekvens godt over en million fps 9-12. Romlig oppløsning på den annen side, kan økes til størrelsesorden 1 mikrometer / pixel bruker forstørrelsesglass 12. Som en konsekvens av dette er det blitt mulig å utforske i enestående detalj påvirkning av en rekke fysiske parametre på forskjellige stadier av slipp-virkning, og for å sammenligner systematisk eksperiment og teori 5,13-16. For eksempel, sprut overgang i newtonsk væske var found å bli satt av atmosfæren press 5, mens den iboende reologi bestemmer spre dynamikken i utbytte-stress væsker 17. Her et enkelt men kraftig rask avbildningsteknikk blir introdusert og anvendt for å studere virkningen dynamikken i to typer ikke-newtonsk væske: flytende metaller og tettpakkede suspensjoner. Med eksponering for luft, i det vesentlige alle flytende metaller (unntatt kvikksølv) vil spontant utvikle et oksyd hud på deres overflate. Mekanisk, huden syntes å endre effektive overflatespenning og fukte evne av metallene 18. I en tidligere artikkel 15, flere av forfatterne studert spredningsprosessen kvantitativt og var i stand til å forklare hvordan huden effekten påvirker konsekvens dynamikk, spesielt for skalering av maksimal spredning radius med konsekvensparametere. Siden flytende metall har høy overflate reflektivitet, blir omhyggelig regulering av belysning som kreves i imaging. Suspensjoner enre sammensatt av små partikler i en væske. Selv om enkle Newtonske væsker, tilsetning av partikler resulterer i ikke-Newtonsk oppførsel, noe som blir særlig markant i tette suspensjoner, det vil si ved høy volumfraksjon av suspenderte partikler. Spesielt ble den begynnende sprut når en suspensjon dråpe treffer en glatt, hard overflate studert i tidligere arbeid 16.. Både væske-partikkel og inter-partikkel interaksjoner kan endre sprut atferd vesentlig fra hva som kan forventes fra enkle væsker. For å spore partikler så små som 80 pm i disse eksperimentene en høy romlig oppløsning er nødvendig. En kombinasjon av forskjellige tekniske krav som høy temporal og spatial oppløsning, pluss muligheten for å observere virkningene både fra siden og nedenfra, kan alle være fornøyd med bildeoppsettet som er beskrevet her. Ved å følge en standard protokoll, som er beskrevet nedenfor, kan påvirkningsdynamikken være investigated på en kontrollert måte, slik det er vist eksplisitt for spredning og spruting oppførsel.

<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

I feltet av fluidmekanikk, mange dynamiske prosesser ikke bare skje over et svært kort tidsintervall, men også krever høy romlig oppløsning for detaljert observasjon, scenarier som gjør det utfordrende å observere med konvensjonelle bildesystemer. En av disse er den dråpe virkningen av væsker, noe som vanligvis skjer i løpet av ett tiendedels millisekund. For å takle denne utfordringen, er en rask avbildningsteknikk introdusert som kombinerer et høyhastighetskamera (kan opptil én million bilder per sekund) med et makroobjektiv med lang arbeidsavstand for å bringe den romlige oppløsningen i bildet ned til 10 mikrometer / pixel. Det avbildningsteknikk muliggjør nøyaktig måling av relevante fluddynamiske mengder, slik som strømningsfeltet, spredningsavstand, og spruting hastighet, fra analyse av den innspilte video. For å demonstrere mulighetene denne visualiseringssystem, påvirkningsdynamikken når dråper av ikke-newtonsk væske har betydning for en flat hard overflate er pregete d. To situasjoner anses: for oksiderte flytende metalldråper vi fokusere på å spre atferd, og for tettpakkede suspensjoner vi avgjøre utbruddet av sprut. Mer generelt, kan kombinasjonen av høy temporal og spatial avbildningsoppløsning innføres her gir fordeler for å studere raske dynamikken over et bredt spekter av mikro fenomener.

Den raske avbildningsteknikk kan brukes for å kvantifisere spredning og spruting av ulike virkningsscenarier. Figur 4 (a), for eksempel, viser typiske innvirkning bildesekvenser for flytende eGain med forskjellig oksyd skin styrke. Ved utkasting eGain fra samme dyse og på samme fallhøyde, dråper med reproduserbar støthastigheten V 0 = 1,02 ± 0,12 m / sek, og en radius R = 0 6,25 ± 0,10 mm ble samlet. Den venstre kolonnen viser virkningen av en luft-oksidert egain fall ikke f...

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

Rask Imaging teknikken til å studere Drop Impact Dynamics of Non-Newtonske væsker

Drop virkningen av ikke-Newtonske væsker er en kompleks prosess, siden forskjellige fysiske parametere påvirker dynamikken over en meget kort tid (mindre enn en tiendedels millisekund). Et fast avbildningsteknikk er innført for å karakterisere virkningen oppførsel av forskjellige 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

Eksperimentell måling av sedimenteringshastighet av sfæriske partikler i udefinerte og begrensede overflateaktive skjærfortynnende viskoelastiske væsker

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

Fabrikasjon av ensartede nanoskala hulrom via silisium direkte wafer binding

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

Laboratory Drop Towers for Experimental Simulering av Dust-aggregerte Kollisjoner i Early Solar System

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

Utarbeidelse av Electrohydrodynamic Bridges fra Polar Transformator Liquids

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

Bruk av en Multi-kupé Dynamic enkelt enzym Phantom for studier av Hyperpolariserte magnetisk resonans Agents

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 av Reaction i karbonater Bruke 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 Spørre Impedans, Reologi og Small Angle Neutron Spredning av komplekse fluider

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 av jord karbon Neutron-Gamma analysen i statisk og skanning modi

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

Filmen kontroll å studere bidrag av bølger til slippverktøy Impact Dynamics tynn flytende væske filmer

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

Kontrollere strømningshastigheter på Mikrotubulinettverket-basert 3D aktive væsker ved hjelp av 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 ...