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

Graças a Wendy Zhang, Luuk Lubbers, Marc Miskin e Michelle Driscoll para muitas discussões úteis e Qiti Guo para ajuda com preparação de amostras experimentais. Este trabalho foi apoiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation, Grant No. DMR-0820054.

1. Configuração de Imagem Rápida (veja a Figura 1) <ol><li> Começar pela criação de uma faixa vertical ao longo da qual um recipiente cheio com o fluido a ser estudados pode ser movido livremente para ajustar a velocidade de impacto. O fluido deixa o fundo do recipiente através de um bocal e, em seguida, entra em queda livre. Para este trabalho a altura de queda foi variada 1-200 cm para dar uma velocidade de impacto V 0 = (0,4-6,3) ± 0,15 m / seg. </li><li> Construir e montar uma estrutura para man...

<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>

Vários passos são fundamentais para a boa realização do imaging rápido. Primeiro, câmera e lente tem que ser adequadamente configurado e calibrado. Em particular, a fim de obter alta resolução espacial, a escala de reprodução da lente deve ser mantida próxima de 1:1. Isto é especialmente importante para a visualização de suspensões densas. Além disso, o tamanho da abertura tem de ser cuidadosamente escolhida para imagiologia. Por exemplo, a observação do lado, em geral, requer uma maior profundidade de...

Impacto da queda sobre uma superfície sólida é um processo fundamental em muitas aplicações que envolvem a fabricação eletrônica 1, revestimento de pulverizador 2 e fabricação aditiva usando jato de tinta de impressão de 3,4, onde um controle preciso da queda de divulgação e salpicos é desejada. No entanto, a observação direta do impacto da queda é um desafio técnico por duas razões. Primeiro, é um processo dinâmico, complexo que ocorre dentro de uma escala de tempo muito curto (~ 100 ms) a ser trabalhada facilmente por sistemas de imagem convencionais, como microscópios ópticos e câmeras DSLR. Flash fotografia pode imagem Campo de muito mais rápido, mas não permite a gravação contínua, conforme necessário para uma análise detalhada da evolução com o tempo. Em segundo lugar, a escala de comprimento induzida por instabilidades de impacto pode ser tão pequena como 10 mM 5. Assim, para estudar o processo de impacto quantitativamente um sistema que combina a imagiologia ultra-rápida, juntamente com razoavelmente elevada resolução espacial, é frequentementedesejado. Na ausência de tal sistema, os primeiros trabalhos sobre o impacto das gotas focado principalmente na deformação geométrica global após impacto 6-8, mas foi incapaz de reunir informações sobre o tempo no início, os processos de não equilíbrio associados ao impacto, como o aparecimento de salpicos. Recentes avanços em CMOS de alta velocidade videografia de fluidos 9,12 empurraram a taxa de quadros até um milhão de fps e tempos de exposição para baixo abaixo de 1 ms. Além disso, as técnicas de imagem CCD recentemente desenvolvidos pode empurrar o frame rate bem acima de um milhão de fps 9-12. A resolução espacial, por outro lado, pode ser aumentada a fim de 1 mM / pixel usando lentes de aumento 12. Em consequência, tornou-se possível explorar em detalhe sem precedentes a influência de uma vasta gama de parâmetros físicos em vários estágios de impacto de queda e para comparar sistematicamente experiência e teoria 5,13-16. Por exemplo, a transição de salpicos em fluidos newtonianos foi fouª a ser definido pela pressão atmosfera 5, enquanto a reologia intrínseca decide a dinâmica de espalhamento de líquidos rendimento de estresse 17. Aqui, um e poderosa técnica de imagem rápido simples é introduzido e aplicado para estudar a dinâmica de impacto de dois tipos de fluidos não-newtonianos: metais líquidos e suspensões densamente. Com a exposição ao ar, essencialmente todos os metais líquidos (com excepção de mercúrio) irá desenvolver espontaneamente uma película de óxido sobre a sua superfície. Mecanicamente, a pele é encontrado para alterar a tensão superficial efectiva e capacidade de molhagem dos metais 18. Em um trabalho anterior 15, vários dos autores estudaram o processo de difusão quantitativa e foram capazes de explicar como o efeito de pele influencia a dinâmica impacto, especialmente a ampliação do raio máximo espalhando com os parâmetros de impacto. Desde metal líquido tem alta refletividade da superfície, é necessário um ajuste cuidadoso da iluminação na imagem. Suspensões umre composto por pequenas partículas em um líquido. Mesmo para líquidos newtonianos simples, a adição de partículas resulta em comportamento não-newtoniano, que se torna especialmente pronunciada em suspensões densos, isto é, a fracção de elevado volume de partículas em suspensão. Particularmente, o aparecimento de salpicos quando uma gota de suspensão atinge uma superfície lisa, dura, foi estudada no trabalho anterior 16. Ambos líquida de partículas e interações entre partículas pode alterar o comportamento salpicos significativamente do que se poderia esperar de líquidos simples. Para controlar as partículas tão pequenas quanto 80 um nestas experiências uma alta resolução espacial é necessária. Uma combinação de vários requisitos técnicos, como a resolução temporal e espacial de alta, além da capacidade de observar os impactos tanto do lado e por baixo, tudo pode ser satisfeita com a configuração de imagem descrito aqui. Ao seguir um protocolo padrão, descrito abaixo, a dinâmica de impacto pode ser investigated de uma forma controlada, como mostra explicitamente para espalhar e espirrando 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

No campo da mecânica dos fluidos, muitos processos dinâmicos ocorrem não só em um intervalo de tempo muito curto, mas também requer alta resolução espacial para observação detalhada, os cenários que tornam mais difícil de observar, com sistemas de imagem convencionais. Um destes é o impacto de queda de líquidos, o que geralmente ocorre dentro de um décimo de milésimo de segundo. Para enfrentar esse desafio, uma técnica de imagem rápido é introduzido, que combina uma câmera de alta velocidade (capaz de até um milhão de quadros por segundo) com uma lente macro com distância de trabalho longa para trazer a resolução espacial da imagem até 10 m / pixel. A técnica de imagem permite a medição precisa da quantidade de fluido dinâmico relevantes, tais como o fluxo de campo, a distância de difusão e a velocidade de salpicos, a partir da análise do vídeo gravado. Para demonstrar as capacidades deste sistema de visualização, a dinâmica de impacto quando gotículas de fluidos não-newtonianos incidem sobre uma superfície plana e dura são caracAUTORIZADO. Duas situações são consideradas: para as gotas de metal líquido oxidados vamos nos concentrar no comportamento espalhando, e para suspensões densamente vamos determinar o aparecimento de salpicos. De modo mais geral, a combinação de resolução de imagem temporal e espacial de alta introduzida aqui oferece vantagens para o estudo de dinâmica rápida através de uma ampla gama de fenômenos em microescala.

A técnica de imagem rápido pode ser usado para quantificar se espalhando e espirrando para vários cenários de impacto. Figura 4 (a), por exemplo, mostra sequências de imagens típicas para impacto líquido eGain com diferentes pele força óxido. Ao ejectar eGain do mesmo bocal e à mesma altura de queda, as gotas com reprodutível velocidade de impacto V 0 = 1,02 ± 0,12 m / seg e um raio R 0 = 6,25 ± 0,10 mm, foram gerados. A coluna da esquerda mostra o impacto de uma queda...

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

Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos

Impacto da gota de fluidos não newtonianos, é um processo complexo uma vez que diferentes parâmetros físicos influenciar a dinâmica ao longo de um tempo muito curto (menos de um décimo de milésimo de segundo). A técnica de imagem rápido é introduzida a fim de caracterizar os comportamentos de impacto de diferentes fluidos não-newtonianos.

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

Medição experimental da velocidade de assentamento de partículas esféricas em fluidos viscosticos não confinados e confinados

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

Engenharia

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fabricação de cavidades de nanoescala uniformes 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

Laboratório Gota Torres para a Simulação Experimental de Colisões Dust-agregados no sistema solar precoce

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

A preparação de eletro Pontes de Polar dielétricos líquidos

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

O uso de um compartimento Multi-dinâmica única enzima Fantasma de Estudos de hyperpolarized agentes Ressonância Magnética

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

Pore ​​escala dinâmica Reservatório-condição de imagem de Reacção em Carbonatos Usando Síncrotron Tomografia rápido

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

RheoSANS dielétricas - Interrogation simultânea de impedância, Reologia e pequeno ângulo de espalhamento de nêutrons de Fluidos Complexos

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

Medições de carbono no solo por nêutrons-Gamma análise estática e modos de digitalização

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

Controle de filme para estudar as contribuições das ondas a dinâmica de impacto da gota em filmes líquido fluindo fino

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

Controlando as velocidades de fluxo de fluidos ativos 3D baseados em microtúbulos usando temperatura

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