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

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.