Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos

Impacto por caída sobre una superficie sólida es un proceso clave en muchas aplicaciones que implican la fabricación electrónica ^1, recubrimiento por pulverización ^2, y el aditivo de fabricación de inyección de tinta utilizando la impresión de ^3,4, donde un control preciso de la caída de la difusión y se desea salpicaduras. Sin embargo, la observación directa del impacto de la caída es técnicamente difícil por dos razones. En primer lugar, es un proceso dinámico complejo que se produce dentro de un plazo de tiempo demasiado cortos (~ 100 microsegundos) para obtener imágenes fácilmente por los sistemas de formación de imágenes convencionales, tales como microscopios ópticos y cámaras DSLR. La fotografía con flash puede imagen Curso de mucho más rápido, pero no permite la grabación continua, como se requiere para el análisis detallado de la evolución con el tiempo. En segundo lugar, la escala de longitud inducida por inestabilidades de impacto puede ser tan pequeño como 10 micras ^5. Por lo tanto, para estudiar cuantitativamente el proceso de impacto de un sistema que combina la formación de imágenes ultrarrápida junto con razonablemente alta resolución espacial es a menudodeseada. En ausencia de tal sistema, los primeros trabajos sobre el impacto de gotas centrado sobre todo en la deformación geométrica mundial después del impacto ^{de 6-8,} pero fue incapaz de reunir información sobre los primeros momentos, los procesos de no equilibrio asociados con el impacto, tales como la aparición de salpicaduras. Los recientes avances en CMOS de alta velocidad de la videografía de fluidos ^9,12 han empujado a la velocidad de cuadro de hasta un millón de fps y tiempos de exposición por debajo de 1 microsegundos. Por otra parte, las técnicas de imagen CCD de nuevo desarrollo puede empujar la velocidad de fotogramas muy por encima de un millón de ^9-12 fps. La resolución espacial en el otro lado, se puede aumentar con el orden de 1 m / píxel usando lentes de aumento ^12. Como consecuencia, se ha hecho posible para explorar en detalle sin precedentes la influencia de una amplia gama de parámetros físicos en varias etapas de impacto por caída y para comparar sistemáticamente experimento y teoría ^5,13-16. Por ejemplo, la transición chapoteando en fluidos newtonianos fue found que será establecido por la atmósfera de presión ^5, mientras que la reología intrínseca decide la dinámica de propagación de fluidos rendimiento-estrés ^17.

Aquí una simple y poderosa técnica de imagen rápida se introduce y se aplicó para estudiar la dinámica de impacto de dos tipos de fluidos no newtonianos: metales líquidos y suspensiones densas. Con la exposición al aire, en esencia todos los metales líquidos (excepto el mercurio) de forma espontánea desarrollarán una capa de óxido en su superficie. Mecánicamente, la piel se encuentra para alterar la tensión superficial efectiva y la capacidad de humectación de los metales ^18. En un trabajo anterior ^15, varios de los autores estudiaron el proceso de difusión cuantitativa y fueron capaces de explicar cómo el efecto de la piel influye en la dinámica de impacto, en especial la ampliación del radio máximo la difusión con los parámetros de impacto. Como el metal líquido tiene una alta reflectividad de la superficie, se requiere un ajuste cuidadoso de la iluminación de la proyección de imagen. Suspensiones unre compuesta de pequeñas partículas en un líquido. Incluso para líquidos newtonianos simples, la adición de partículas resultados en el comportamiento no newtoniano, que se convierte en especialmente pronunciada en suspensiones densas, es decir, en la fracción de alto volumen de partículas en suspensión. En particular, la aparición de las salpicaduras cuando una gota de suspensión incide en una superficie lisa y dura fue estudiado en el trabajo previo ^16. Tanto líquido y las partículas y las interacciones entre las partículas pueden cambiar el comportamiento de las salpicaduras significativamente de lo que podría esperarse de los líquidos simples. Para el seguimiento de partículas tan pequeñas como 80 micras en estos experimentos se necesita una alta resolución espacial.

Una combinación de varios requisitos técnicos, tales como la alta resolución temporal y espacial, además de la capacidad de observación de impactos, tanto desde un lado y desde abajo, todo puede ser satisfecho con la configuración de imagen se describe aquí. Siguiendo un protocolo estándar, se describe a continuación, la dinámica de impacto pueden ser inversoresvestigado de una manera controlada, como se muestra de forma explícita para la difusión y salpicaduras de comportamiento.