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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Questo lavoro è stato supportato dall'Office of Naval Research (ONR N00014-15-1-0020) [Tkacik e Keanini] ed eseguito presso University of North Carolina a Motorsports Research Lab. lucidatura di Charlotte media è stato donato da Rosler.

1. preparazione del sistema vibrante
<ol><li>
Impostare il sistema vibratorio come mostrato in Figura 1. Questo sistema è costituito da un anulare in poliuretano ciotola (avendo un diametro esterno di 600 mm), collegato a un singolo-giri/min (1740), motovibratore, dove quest'ultimo genera vibrazioni di processo. Questo è attaccato ad una base ponderata e separato da un gruppo di otto molle (la ciotola e base appesantita vengono acquistati assemblati come un unico pezzo). Fissare ...

<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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T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-time+behavior+of+the+velocity+autocorrelation+function+for+a+fluid+of+soft+repulsive+particles.">Long-time behavior of the velocity autocorrelation function for a fluid of soft repulsive particles.</a> Phys. Rev. Lett. 33, 277-280 (1970).</li><li>Lovesey, S. W., Lovesey, S. W., Springer, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamics of solids and liquids by neutron scattering. , (1977).</li><li>Forster, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Hydrodynamic fluctuations, broken symmetry, and correlation functions. , (1990).</li><li>Mountain, R. 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J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+attractive+forces+in+self-diffusion+in+dense+Lennard-Jones+fluids.">Role of attractive forces in self-diffusion in dense Lennard-Jones fluids.</a> J. Chem. Phys. 59 (7), 3732-3736 (1973).</li><li>Mullany, B., 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=The+application+of+computational+fluid+dynamics+to+vibratory+finishing+processes.">The application of computational fluid dynamics to vibratory finishing processes.</a> CIRP Annals. , (2017).</li><li>Fleischhauer, E., Azimi, F., Tkacik, P. T., Keanini, R. 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>

Per poter utilizzare mucchi di grano vibrato come macroscopici analoghi per l'indagine molecolari processi idrodinamici, un sperimentalista deve, da un lato, imparare e utilizzare quattro misure di base e da altro, padroneggiare alcuni elementi di base dell'equilibrio e meccanica statistica di non equilibrio. In primo luogo concentrarsi su misure sperimentali, questi includono: i) misurazione della dinamica di grano individuale attraverso la misura della funzione di autocorrelazione di particella singola velocità, ii) m...

Idrodinamica molecolare studia la dinamica e la meccanica statistica delle singole molecole e collezioni di molecole all'interno dei fluidi. Tra le tante tecniche sperimentali sviluppate per lo studio di sistemi molecolari idrodinamica1,2, dispersione della luce1,2,3, simulazioni di dinamica molecolare4, 5,6,7 e, in misura minore, di scattering anelastico neutroni8 sono stati utilizzati più comunemente. Purtroppo, significative limitazioni collegare le due tecniche di quest'ultime. Simulazioni di dinamica molecolare (MD), ad esempio: i) sono limitata a piccole spaziale e temporale <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq1.jpg"> domini contenenti relativamente poche molecole <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq2.jpg"> </img>, ii) richiedono l'uso delle potenzialità di inter-particella approssimativa, iii) in genere introdurre periodiche condizioni al contorno, valide in condizioni di flusso di massa di non-equilibrio e iv) non possono, al momento, rispondere alla domanda fondamentale della dinamica come scala molecolare, che coinvolgono sia le singole molecole o collezioni di molecole, sono influenzate e coppie Torna a, massa, quantità di fluido non-equilibrio. La limitazione principale connessa con lo scattering di neutroni è legata alla difficoltà di accesso a numero limitato di sorgenti di neutroni fascio disponibile.
Al fine di fornire un contesto per la tecnica sperimentale analog presentata in questo articolo, evidenziamo tecniche di dispersione della luce applicate ai fluidi densi-gas e liquido-stato semplice. In un esperimento di scattering di luce tipica, un fascio di luce polarizzata laser è diretto ad un volume di interrogatorio piccola contenente un campione di fluido stazionario. Luce diffusa dalle molecole all'interno del campione viene quindi rilevato in qualche angolo fisso rispetto al fascio incidente. A seconda del regime di dinamico molecolare di interesse, rilevamento e analisi del segnale luce sparso incorpora né luce filtro o metodi di rilevamento di miscelazione. Come descritto da Berna e Pecora1, tecniche, di filtraggio che sonda dinamica molecolare allo stato fluido il tempo scale più corto <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq3.jpg"> s, introdurre un interferometro post-scattering o un reticolo di diffrazione e consentire una scansione della densità spettrale di luce diffusa. Ottica mescolando tecniche, utilizzate per dinamica a scala di tempo lento, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq4.jpg"> s, al contrario, incorporare un analizzatore di autocorrelazione o spettro post-scattering, in cui il contenuto spettrale del segnale sparso viene estratto dalla luce sparsa misurata intensità.
In genere, laser sonde, almeno quelli che operano nella gamma visibile dello spettro, hanno lunghezze d'onda molto più tempo la caratteristica spaziatura tra molecole di liquido-stato. In queste circostanze, il fascio sonda eccita cinque collettivo, scala di tempo lento, modalità idrodinamico di lungo-lunghezza d'onda2,9,10 (lento rispetto la frequenza delle collisioni caratteristico): due viscously attenuato, contro-propagazione delle onde sonore, due modalità di vorticità disgiunto, puramente diffusivo e una modalità singola termica diffusiva (entropia). La modalità di suono sono eccitati in direzione (longitudinale) del fascio incidente, mentre la modalità vorticoso sono eccitati in direzione trasversale.
Considerando puramente sperimentale spargendo tecniche, due domande fondamentali, che si trova al centro dell'equilibrio e meccanica statistica di non-equilibrio di molecolare, sistemi liquido-stato, rimangono di là di luce e misure di scattering di neutroni: 1) rigorosi argomenti9,11 mostrano che la dinamica di collisione - e sub-collision-scala tempo casuale, delle singole molecole di liquido-stato, soggetto a dinamica newtoniana classica o dinamica quantistica, possa essere rielaborata nella forma di equazioni generalizzate di Langevin (GLE). GLE, a loro volta, costituiscono uno strumento teorico centrale nello studio della meccanica statistica di non-equilibrio delle molecole nel denso gas e liquidi. Purtroppo, poiché le dinamiche delle singole molecole (macromolecolare) non possono essere risolto da una delle due tecniche di scattering, non c'è attualmente nessun modo diretto, di là di simulazioni MD, per testare la validità di GLE. 2) un'ipotesi fondamentali che si trova nel cuore della fluidodinamica di continuum macroscopica, anche su microscala molecolare idrodinamica, postula che su - e tempo-scale di lunghezza grande rispetto diametri molecolari e collisione volte, ma piccolo rispetto al continuum scale di lunghezza e tempo, equilibrio termodinamico locale (LTE) prevale. In flusso e calore modelli trasferimento continui, come le equazioni di Navier-Stokes (NS), il presupposto di LTE è richiesto9 per accoppiarsi intrinsecamente non-equilibrio, flusso di continuum-scala e funzionalità di trasporto di energia — piace viscosi sollecitazioni di taglio e conduzione termica — rigorosamente equilibrio termodinamico proprietà, come temperatura ed energia interna. Allo stesso modo, mentre su microscala slancio ed energia trasporti sono processi intrinsecamente non-equilibrio, che riflette l'apparenza della massa accoppiati, di Microscala, slancio e correnti d'energia, modelli di questi processi di Microscala supporre che le correnti rappresentano piccole perturbazioni da LTE9. Ancora una volta, al meglio della nostra conoscenza, non ci sono stati nessun test sperimentali diretti dell'assunzione LTE. In particolare, sembra che non sono stati tentati esperimenti di dispersione idrodinamica molecolare all'interno di flussi di fluidi densi, commoventi e di non-equilibrio.
In questo articolo, descriviamo una tecnica sperimentale analogica in cui la particella macroscopica, singola e collettivo delle particelle dinamiche dei mucchi di grano vibrato, misurate utilizzando standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), può essere utilizzato per predire indirettamente, interpretare ed esporre single - e multi - molecule idrodinamica in denso gas e liquidi. Gli elementi fisici e teorici che consentono la tecnica proposta sono indicati in un recente documento pubblicato dal nostro gruppo di12. Sperimentalmente, il sistema macroscopico deve esibire: (i) una tendenza sostenuta verso locale, equilibrio meccanico statistico di macroscala e (ii) piccolo, partenze lineare dall'equilibrio che imitano le fluttuazioni di non-equilibrio (debole) osservati in sistemi molecolari idrodinamici. Teoricamente: microscale (i) classici modelli che descrivono l'equilibrio e la meccanica statistica debolmente-non-equilibrio di denso, sistemi di N particelle interagenti devono essere rielaborati in forma di macroscala, e (ii) i modelli di macroscala risultanti devono in modo affidabile prevedere la dinamica di particella singola e multipla, da breve, particella-collisione-scale temporali a lunghe, continuum-flusso-tempo-scale.
Qui, presentiamo un dettagliato protocollo sperimentale, nonché rappresentante risultati ottenuti con la nuova tecnica. In contrasto con simulazioni MD e luce e metodi di scattering di neutroni, la nuova tecnica consente, per la prima volta, studio dettagliato dei processi molecolari idrodinamici all'interno che scorre, fortemente non-equilibrio, densa di gas e liquidi.

<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

È descritto un metodo analogico, macroscopico per lo studio su scala molecolare processi idrodinamici in denso gas e liquidi. La tecnica si applica un standard fluido dinamico diagnostica, particella image velocimetry (PIV), per misurare: i) le velocità delle singole particelle (grani), ancora esistenti sul breve, grano-collisione scale temporali, ii) le velocità dei sistemi di particelle, sia a breve collisione-tempo - e lungo, continuum-flusso-tempo-bilance, iii) modi collettivi idrodinamici, conosciute per esistere in fluidi densi molecolare e iv) funzioni di autocorrelazione di velocità e lungo-tempo-scala corta, centrale per comprendere le dinamiche delle particelle-scala in sistemi fluidi fortemente interagenti, densi. Il sistema base è composto di un sistema di imaging, fonte di luce, sensori vibrazionali, sistema vibrazionale con un noto software di media e PIV e analisi. Necessarie misure sperimentali e un contorno degli strumenti teorici necessari quando si utilizza la tecnica analogica per studiare processi idrodinamici su scala molecolare sono evidenziati. La tecnica proposta fornisce un'alternativa relativamente semplice a fotonici e metodi di dispersione tradizionalmente utilizzati in studi idrodinamici molecolari del fascio di neutroni.

Nel presentare i risultati rappresentativi, ci riferiamo ai processi di continuum-tempo-scala come quelli osservati e previsti su scale temporali, <img alt="Equation 25" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq25.jpg"> che sono lunghi rispetto alla scala di tempo di collisione caratteristica grana, <img alt="Equation 26" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq26.jpg"> <img alt="Equation 27" src="/files/ftp_upload/56632/56632eq27.jpg"> e particella-tempo-scala processi come que...

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

Viene presentato un metodo analogico sperimentalmente accessibile per lo studio di processi molecolari idrodinamici in fluidi densi. La tecnica utilizza particle image velocimetry dei mucchi di grano vibrato, alta-restituzione e permette l'osservazione diretta, macroscopici di processi dinamici noto e previsto di esistere in fortemente interagenti, ad alta densità gas e liquidi.

Una tecnica Analog macroscopica per studiare i processi molecolari idrodinamici in denso gas e liquidi

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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