Name: an analog macroscopic technique for studying molecular hydrodynamic processes in dense gases and liquids
Uploaded: 2017-12-04T15:00:00
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Diese Arbeit wurde unterstützt durch das Office of Naval Research (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik und Keanini] und durchgeführt an der University of North Carolina bei Charlottes Motorsport Research Lab Polieren Medien von Rosler gestiftet wurde.

1. Vorbereitung des Vibrations-Systems
<ol><li>
Das schwingende System richten Sie ein, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieses System besteht aus einer ringförmigen Polyurethan Schüssel (mit einem äußeren Durchmesser von 600 mm), ein Singlespeed (1740 u/min), unsymmetrische Motor befestigt wo letztere Prozess Vibrationen erzeugt. Dies ist an eine gewichtete Basis befestigt und durch eine Gruppe von acht Federn (die Schüssel und gewichtete Basis sind gekauft, montiert in einem S...

<ol>
	<li>Berne, B. J., Pecora, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamic Light Scattering. , (1976).</li><li>Boon, J. P., Yip, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Molecular Hydrodynamics. , (1980).</li><li>Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+scattering+study+of+dynamic+and+time-averaged+correlations+in+dispersions+of+charged+particles.">Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged particles.</a> J. Phys. A: Math Gen. 5 (8), 664-682 (1975).</li><li>Wainwright, T. E., Alder, B. J., Gass, D. 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G., Mullany, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+particle+imaging+velocimetry+(PIV)+to+vibrational+finishing.">Application of particle imaging velocimetry (PIV) to vibrational finishing.</a> J. Mater. Process. Technol. 229, 322-328 (2016).</li><li>Navare, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimental and computational evaluation of a vibratory finishing process. , (2017).</li><li>Bolmatov, V., Brazhkin, V., Trachenko, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+phonon+theory+of+liquid+thermodynamics.">The phonon theory of liquid thermodynamics.</a> Sci. Rep. 2, 421 (2012).</li><li>Elton, D. 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Japan. 12, 570-586 (1957).</li><li>Kubo, R., Toda, M., Hashitsume, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Statistical physics II: nonequilibrium statistical mechanics. , (1991).</li></ol>

Um geschüttelten Korn Pfähle als makroskopische Analoga verwenden für die Untersuchung von molekularen hydrodynamische Prozesse, ein Experimentator muss, auf der einen Seite lernen und verwenden Sie vier grundlegende Messungen und andererseits beherrschen einige Grundelemente des Gleichgewichts und nicht-Gleichgewichts statistischen Mechanik. Erster Schwerpunkt experimentelle Messungen, dazu gehören: (i) Messung der individuellen Maserung Dynamik durch Messung der einzelnen Partikelgeschwindigkeit Autokorrelationsfun...

Molekulare Hydrodynamik untersucht die Dynamik und statistische Mechanik von einzelnen Molekülen und Sammlungen von Molekülen in Flüssigkeiten. Unter den vielen experimentellen Techniken, entwickelt für das Studium der molekularen hydrodynamischen Systemen1,2, Lichtstreuung1,2,3, molekulare dynamische Simulationen4, 5,6,7 und in geringerem Maße, inelastischer Neutronenstreuung Streuung8 am häufigsten verwendet wurden. Leider legen erhebliche Einschränkungen auf die letzteren beiden Techniken. Molekulardynamik (MD)-Simulationen, zum Beispiel: (i) sind limitiert auf kleinen räumlichen und zeitlichen <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq1.jpg"> Domänen enthalten relativ wenige Moleküle <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq2.jpg"> </img>, Ii) erfordern Einsatz ungefähre Inter Partikel Potentiale, (Iii) in der Regel einführen periodische Randbedingungen, ungültige unter nicht-Gleichgewichts-Bulk Strömungsverhältnisse und iv), zur Zeit die Frage nicht beantworten grundlegende wie molekularer Ebene Dynamik, an denen entweder einzelne Moleküle oder Sammlungen von Molekülen, sind davon betroffen und koppeln zurück zu bulk, nicht-Gleichgewichts-Strömung. Die Haupteinschränkung Neutronenstreuung zugeordnet ist, die Schwierigkeit der Zugriff auf die begrenzte Anzahl von Neutronen Strahlquellen zur Verfügung gebunden.
Um Kontext für die analoge experimentelle Technik, die in diesem Artikel vorgestellten bereitzustellen, markieren wir Lichtstreuung Techniken einfach dichten Gas und Flüssigkeit-Staat Flüssigkeiten. In einem typischen Lichtstreuung Experiment richtet ein polarisierten Laserstrahl an ein kleines Verhör-Band mit einer stationären Fluid-Probe. Von Molekülen in der Probe gestreuten Lichts wird dann in einigen festen Winkel im Verhältnis zu den einfallenden Strahl erkannt. Abhängig von der molekularen dynamischen Regime von Interesse beinhaltet Detektion und Analyse von verstreuten Lichtsignal leichte Filterung oder Licht Detektionsmethoden mischen. Wie beschrieben durch Bern und Pecora1Filtertechniken, die flüssigen Zustand Molekulardynamik pünktlich Sonde skaliert kürzer als <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq3.jpg"> s, führen Sie einen Post-Streuung Interferometer oder Beugungsgitter und scannen die spektrale Dichte des gestreuten Lichts. Optische Mischtechniken, verwendet für langsame Zeitskala Dynamik, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq4.jpg"> s, enthalten im Gegensatz dazu, eine Post-Streuung Autocorrelator oder Spectrum Analyzer, in dem der spektrale Inhalt des gestreuten Signals wird das gemessene Streulicht entzogen Intensität.
In der Regel Laser-Sonden, mindestens Auftraggebern im sichtbaren Bereich des Spektrums haben Wellenlängen wesentlich länger als die charakteristischen Abstand zwischen flüssiger Zustand Moleküle. Unter diesen Umständen der Sonde Strahl reizt fünf Kollektiv, langsam Zeitskala, lange Wellenlänge hydrodynamischen Modi2,9,10 (langsam im Vergleich zu den charakteristischen Kollision Frequenz): zwei Blutschleim gedämpft, gegen Vermehrung Schallwellen, zwei abgekoppelt, rein diffusive Vorticity-Modi und einen einzigen diffusiven Thermal (Entropie)-Modus. Sound-Modi sind in (Längsrichtung) des einfallenden Strahls, begeistert, während die bejubelten Modi in Querrichtung angeregt werden.
Da rein experimentellen Techniken, zwei grundlegende Fragen, liegen im Herzen des Gleichgewichts und nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des molekularen Streuung, bleiben flüssiger Zustand Systeme jenseits von Licht und Neutronen-Streuung Messungen: (1) strenge Argumente9,11 -Show, die die zufällige, Kollision - und sub-collision-Zeitskala Dynamik einzelner Moleküle der Flüssigkeit-Zustand, klassischen Newtonschen Dynamik oder Quantendynamik, in neu gefasst werden können die Form von generalisierten Langevin Gleichungen (GLE). GLE, umfassen wiederum ein zentrales theoretisches Werkzeug in der Studie der nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik von Molekülen in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Leider, da die Dynamik der einzelnen (nicht-makromolekulare) Moleküle von entweder Streuung Technik gelöst werden können, gibt es derzeit keine direkte Möglichkeit, über MD-Simulationen, die Gültigkeit der GLE testen. (2) eine grundlegende Hypothese liegen im Herzen der makroskopischen Kontinuum Fluiddynamik, postuliert sowie Microscale molekulare Hydrodynamik, die auf - und Zeit-Längenskalen groß im Verhältnis zu molekularen Durchmessern und Kollision, aber klein im Vergleich zu Kontinuum Länge und Zeitskalen, herrscht lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTE). Im Kontinuum Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge Transfermodelle, wie die Gleichungen von Navier-Stokes (NS), ist die LTE-Annahme erforderlich9 um per se nicht-Gleichgewichts, Kontinuum-Skala Flow und Energie Transportfeatures paar — wie viskosen Scherspannungen und Wärmeleitung – streng Gleichgewicht thermodynamischen Eigenschaften wie Temperatur und innere Energie. Ebenso während Microscale Impuls und Energie Transport sind per se nicht-Gleichgewichts-Prozesse, spiegelt das Erscheinungsbild der gekoppelten, Microscale Masse, Impuls und Energieströme, Modelle dieser Microscale Prozesse davon ausgehen, dass die Ströme darstellen Sie kleine Störungen von LTE9. Wieder, nach bestem Wissen und gewissen gab es keine direkten experimentellen Tests der LTE Himmelfahrt. Insbesondere scheint es, dass keine molekulare hydrodynamischen Streuexperimente in dichten, bewegliche, nicht-Gleichgewichts Fluidströme versucht wurden.
In diesem Artikel beschreiben wir eine analoge experimentelle Technik in der makroskopischen, einzelne Partikel und kollektive Partikel Dynamik der geschüttelten Korn Pfähle, gemessen mit standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), indirekt Vorhersagen verwendet werden kann, interpretieren Sie, und setzen Sie Single und molecule Hydrodynamik in dichten Gasen und Flüssigkeiten. Die physikalischen und theoretischen Elemente, mit denen die vorgeschlagene Technik sind in einer aktuellen Publikation unserer Gruppe12angegeben. Experimentell, das makroskopische System aufweisen muss: (i) eine anhaltende Tendenz zur lokalen, makroskopischen statistische mechanische Gleichgewicht und (Ii) kleine, lineare Abweichungen von Gleichgewicht, die (schwache) nicht-Gleichgewichts-Schwankungen zu imitieren beobachtet molekularen hydrodynamischen Systemen. Theoretisch: (i) die klassische Microscale Modelle zur Beschreibung das Gleichgewicht und die schwach-nicht-Gleichgewichts statistische Mechanik des dichten, interagierenden N-Partikel-Systeme müssen werden Neufassung in makroskopischen Form, und (Ii) die daraus resultierenden makroskopischen Modelle müssen zuverlässig Einzel- und mehrfach-Partikel Dynamik von kurz, Partikel-Kollision-Fristen zu lang, Kontinuum-Fluss-Zeitskalen vorherzusagen.
Hier präsentieren wir Ihnen ein detailliertes Protokoll der experimentellen als auch repräsentative Ergebnisse, die durch die neue Technik. Im Gegensatz zu MD-Simulationen und Licht und Neutron Streumethoden ermöglicht die neue Technik zum ersten Mal detaillierte Untersuchung der molekularen hydrodynamische Prozesse in fließenden, stark nicht-Gleichgewichts, dichten Gasen und Flüssigkeiten.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Vibratory Polishing Bowl</td>
			<td>Raytech</td>
			<td>AV-75</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow Meter</td>
			<td>Peristaltic Pumps</td>
			<td>913 Mity Flex</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scale</td>
			<td>Pelouze</td>
			<td>4040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triaxial Accelerometer</td>
			<td>PCB Piezotronics</td>
			<td>PCB 356B11</td>
			<td>Accelerometer with Sensor Signal Conditioner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition Computer</td>
			<td>IBM</td>
			<td>Thinkpad</td>
			<td>Used with high speed camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Speed Camera</td>
			<td>Redlake</td>
			<td>Motionxtra HG-XR</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zoom Lens</td>
			<td>Tamron</td>
			<td>Model A18</td>
			<td>18-250mm F/3.5-6.3&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High intensity Light</td>
			<td>ARRI</td>
			<td>EB 400/575 D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Processing Computer</td>
			<td>Dell</td>
			<td>Dell Precision Tower 7910</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PIV Software&#160;</td>
			<td>Dantec Dynamics</td>
			<td>Dynamic Studio 2013</td>
			<td>version 3.41.38</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition Hardware</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>SCXI</td>
			<td>SCXI-1000 Chasis with SCXI 1100 Card and SCXI 1303 Adapter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition Software</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>LabVIEW 2012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Processing Software</td>
			<td>MATHWORKS</td>
			<td>MATLAB</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polishing Media</td>
			<td>Rosler</td>
			<td>RSG 10/10S</td>
			<td>Multiple media types used (mixed, spherical, triangular)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polishing Solution</td>
			<td>Rosler</td>
			<td>FC KFL (3%)</td>
			<td>3% soap solution with water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ruled Scale</td>
			<td>Swiss Precision Instruments</td>
			<td>13-911-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graduated Cylinder</td>
			<td>Global Scientific</td>
			<td>601082</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an analog macroscopic technique for studying molecular hydrodynamic processes in dense gases and liquids

Eine analoge, makroskopische Methode für das Studium molekularer Ebene hydrodynamische Prozesse in dichten Gasen und Flüssigkeiten wird beschrieben. Die Technik gilt ein standard Fluid dynamische Diagnostik, Partikel Bild Velocimetry (PIV) zu messen: i) Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen (Körner), auf kurze, Korn-Kollision erhaltene Zeitskalen, Ii) Geschwindigkeiten von Systemen von Partikeln auf kurz- Kollision-Zeit und lange, Kontinuum-Flow-Zeit-Skalen, Iii) kollektive hydrodynamischen Modi bekannt in dichten molekularen Flüssigkeiten und iv) Short und long-time-Skala Geschwindigkeit Autokorrelation Funktionen, zentral für das Verständnis Partikelskalierung Dynamik in stark wechselwirkenden, dichten Fluidsysteme. Das Grundsystem besteht aus ein bildgebendes System, Lichtquelle, Schwingungs Sensoren, Schwingungs-System mit einer bekannten Medien, PIV und Analyse-Software. Erforderlichen experimentellen Messungen und einen Überblick über die theoretischen Werkzeuge bei der analogen Technik auf um molekularer Ebene hydrodynamische Prozesse zu studieren, werden hervorgehoben. Die vorgeschlagene Technik bietet eine relativ unkomplizierte Alternative zu photonischen und Neutron beam Streumethoden traditionell in molekularen hydrodynamische Studien verwendet.

Repräsentative Ergebnisse zu präsentieren, wir verweisen auf Kontinuum-Zeitskala Prozesse als die beobachtete und prognostizierte über Zeitskalen, <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq25.jpg"> , die beziehen sich auf die charakteristische Maserung Kollision Zeitskala, lange <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq26.jpg"> <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq27.jpg"> und Partikel-Zeitskala Prozesse wie di...

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An Analog Macroscopic Technique for Studying Molecular Hydrodynamic Processes in Dense Gases and Liquids

Eine experimentell zugängliche analoge Methode zur Untersuchung von molekularen hydrodynamischen Vorgänge in dichten Flüssigkeiten wird vorgestellt. Die Technik nutzt Particle Image Velocimetry geschüttelten, hohe Entschädigung Getreide Pfähle und ermöglicht die direkte, makroskopischen Beobachtung von dynamischen Prozessen bekannt und voraussichtlich in stark wechselwirkenden, hohe Dichte Gase und Flüssigkeiten vorhanden sein.

Eine analoge makroskopischen Technik für das Studium molekulare hydrodynamische Prozesse in dichten Gasen und Flüssigkeiten

An analog, macroscopic method for studying molecular-scale hydrodynamic processes in dense gases and liquids is described. The technique applies a ...

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