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

Благодаря Венди Чжан, Luuk Любберсом, Марк Мискин и Мишель Дрисколл за многочисленные полезные обсуждения и Qiti Го о помощи с подготовкой экспериментальных образцов. Эта работа была поддержана программой MRSEC Национального научного фонда по гранту № DMR-0820054.

1. Быстрый изображений установки (см. рисунок 1) <ol><li> Начните с создания вертикальной трек, по которому контейнер, заполненный жидкостью для изучения можно свободно перемещать регулировать скорости удара. Жидкость выходит из дна контейнера через сопло, а затем переходит в свободное па?...

<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>

Несколько шагов имеют решающее значение для надлежащего исполнения быстрой визуализации. Во-первых, камеры и объектива должны быть правильно настроен, и откалиброваны. В частности, для того чтобы получить высокое пространственное разрешение, коэффициент масштабирования объектива до...

Оставьте влияние на твердую поверхность является ключевым процессом во многих приложениях, связанных с электронной изготовление 1, напылением 2 и присадок производства с использованием струйной печати 3,4, где точный контроль падения распространения и брызг желательна. Тем не менее, прямое наблюдение удара в результате падения технически сложной по двум причинам. Во-первых, это сложный динамический процесс, который происходит в пределах шкалы времени слишком короткие (~ 100 мкс) для включения в образ легко с помощью обычных систем визуализации, таких как оптические микроскопы и зеркальных камер. Съемка со вспышкой, конечно, могут образа намного быстрее, но не позволяет для непрерывной записи, как это требуется для детального анализа эволюции с течением времени. Во-вторых, масштаб длины, индуцированный неустойчивости ударных может быть как 10 мкм 5. Поэтому, чтобы количественно изучить процесс ударную систему, которая сочетает в себе сверхбыстрого изображений наряду с достаточно высоким пространственным разрешением частолучшего. При отсутствии такой системы, ранних работ по воздействию капель сосредоточены в основном на мировом геометрической деформации после удара 6-8, но не смог собрать информацию о начале времени, неравновесных процессов, связанных с воздействием, например, начала брызг. Последние достижения в области CMOS высокой скорости видеосъемка жидкостей 9,12 подтолкнули частоту кадров до одного миллиона кадров в секунду и времени экспозиции вниз ниже 1 мкс. Кроме того, недавно разработанные методы визуализации ПЗС может подтолкнуть частоту кадров значительно выше одного миллиона кадров в секунду 9-12. Пространственное разрешение, с другой стороны, может быть увеличена до порядка 1 мкм / пиксель, используя увеличительные линзы 12. Как следствие, это стало возможным исследовать в беспрецедентных деталях влияние широкого круга физических параметров на различных этапах удара в результате падения и систематически сравнивать эксперимент и теорию 5,13-16. Например, брызг переход в ньютоновских жидкостей был фуй, который будет установлен атмосферного давления 5, в то время как внутренняя реологические решает для расширения спектра динамику доходности стресс жидкостей 17. Вот простой, но мощный метод быстро томография внедрена и применяется для изучения динамики воздействия двух типов неньютоновских жидкостей: жидких металлов и плотно упакованные суспензий. С воздействием воздуха, практически все жидкие металлы (кроме ртути) спонтанно разработать оксидные пленки на их поверхности. Механически, кожа найдено изменять эффективное поверхностное натяжение и смачивающий способность металлов 18. В предыдущей статье 15, некоторые из авторов изучил процесс распространения количественно и смогли объяснить, как скин-эффект влияет на динамику воздействие, особенно масштабирование максимального распространения радиуса с прицельными параметрами. Поскольку жидкий металл обладает высокой отражательной способности поверхности, осторожны регулировка освещения требуется в визуализации. Подвескиповторно состоит из мелких частиц в жидкости. Даже для простых ньютоновских жидкостей, добавление частиц приводит к неньютоновской поведения, которая становится особенно заметно в плотных суспензий, т.е. при высокой объемной доли взвешенных частиц. В частности, начало брызг, когда капля суспензии парад гладкую, твердую поверхность изучали в предыдущей работе 16. Оба жидкость-частиц и взаимодействий между частицами может изменить поведение брызг значительно от того, что можно было бы ожидать от простых жидкостей. Чтобы отслеживать частицы размером 80 мкм в этих экспериментах необходима высокое пространственное разрешение. Сочетание различных технических требований, таких как высоким временным и пространственным разрешением, а также возможностью для наблюдения воздействия как со стороны и снизу, все это может быть выполнено с установкой изображений описанной здесь. Следуя стандартный протокол, описанный ниже, динамика воздействия может быть исследовабелл в управляемом режиме, как показано явно для распространения и брызг поведение.

<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

В области механики жидкости, многие динамические процессы не только происходить в течение интервала очень короткое время, но и требуют высокого пространственного разрешения для детального наблюдения, сценарии, которые делают его сложным для наблюдения с обычными системами визуализации. Одним из них является влияние капля жидкости, которая обычно происходит в течение одной десятой миллисекунды. Чтобы справиться с этой задачей, техника быстро томография вводится который сочетает в себе высокую скорость камеры (способный до одного миллиона кадров в секунду) с макро-объектив с большим рабочим расстоянием довести пространственное разрешение изображения до 10 мкм / пиксель. Метод визуализации обеспечивает точное измерение соответствующих жидких динамических величин, таких как поле потока, распространяющегося расстояния и скорости брызг, из анализа записанного видео. Для демонстрации возможностей этой системы визуализации, динамика воздействия, когда капельки неньютоновских жидкостей посягают на плоской твердой поверхности являются characteавторизованный. Две ситуации считаются: для окисленных капель жидкого металла мы ориентируемся на расширяющей поведения, а для плотно упакованных суспензий мы определить начало брызг. В целом, сочетание высоким временным и пространственным разрешением изображения, введенного здесь дает преимущества для изучения быструю динамику в широком диапазоне микромасштабных явлений.

Методика быстро изображения могут использоваться для количественного определения распространения и брызг для различных сценариев воздействия. Рисунок 4 (а), например, показывает типичные последовательности воздействие изображения для жидкого eGaIn с различной прочности кожи ...

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

Быстрый метод визуализации по изучению падения Impact Динамика неньютоновских жидкостей

Влияние Капля неньютоновских жидкостей является сложным процессом, так как различные физические параметры влияют на динамику в течение очень короткого времени (менее одной десятой миллисекунды). Быстрый метод визуализации вводится для того, чтобы охарактеризовать воздействия поведения различных неньютоновских жидкостей.

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

Экспериментальное измерение скорости урегулирования сферических частиц в неограниченных и ограниченных Surfactant основе стрижки тоньше вискоэластических жидкостей

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

Изготовление однородных наномасштабных полостей с помощью кремниевой прямой вафельной связи

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

Лаборатория падения башни для экспериментального моделирования пыли совокупных столкновениях в ранней Солнечной системе

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

Подготовка Электрогидродинамические Мосты от полярных диэлектрических жидкостей

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

Использование Multi-купе Dynamic один энзим Phantom для исследований гиперполяризованным магнитно-резонансных агентов

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

Динамический Поры масштабе пластового состояние визуализации реакции в карбонатных коллекторах с использованием синхротронного Fast томографии

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

Диэлектрические RheoSANS - Одновременная Допрос импеданса, реология и малого угол рассеяния нейтронов сложных жидкостей

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

Измерения почвенного углерода путем анализа нейтронного гамма в статических и режимы сканирования

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

Фильм управления для изучения взносов волн капелька влияние динамики на тонких течет жидкость фильмы

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

Контроль скорости потока microtubule основе 3D активных жидкостей с использованием температуры

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