Аналоговый макроскопических методика для изучения молекулярных гидродинамические процессы в плотных газов и жидкостей

Молекулярные гидродинамики исследования динамики и статистической механики отдельных молекул и коллекции молекулы в жидкости. Среди многих экспериментальных методов, разработанных для изучения молекулярных гидродинамических систем^1,2, рассеяние света^1,2,3, молекулярные динамического моделирования^{4, 5,6,7} , и, в меньшей степени, наиболее часто использовались неупругого нейтронного рассеяния⁸ . К сожалению существенные ограничения придают последних двух методов. Моделирования молекулярной динамики (MD), например: i) являются ограничивается небольших пространственных и временных доменов, содержащих относительно небольшое число молекул , ii) требуют использования приблизительное межчастичных потенциалов, iii) обычно ввести периодический граничные условия, недопустимые в условиях неравновесной массового потока и iv) нельзя в настоящее время ответить на основополагающий вопрос о как молекулярном уровне динамики, с участием одной молекулы или коллекции молекул, подвержены и пара обратно, сыпучие, неравновесного потока жидкости. Основные ограничения, связанные с нейтронного рассеяния связана трудность доступа к ограниченное количество доступных источников света нейтронов.

Для того, чтобы обеспечить контекст для аналоговых экспериментальной техники, представленные в этой статье, мы подчеркиваем рассеяние света методы, применяемые для простой плотного газа и жидкости состояние жидкости. В эксперименте типичный рассеяния света поляризованный лазерный луч света направляется небольшой допроса тома, содержащего образец стационарных жидкости. Затем свет рассеянный от молекул внутри образца обнаруживается на некоторых фиксированным углом по отношению к падающего луча. В зависимости от молекулярной динамического режима интерес обнаружения и анализа рассеянного светового сигнала включает легкий фильтрации или свет, смешивая методы обнаружения. Как указано в Берне и Печора¹, фильтрация методы, который зонд молекулярной динамики жидкости государства на время весы короче, чем s, ввести пост рассеивающих интерферометр или дифракционной решетки и позволяют сканирование спектральной плотности рассеянного света. Оптические, смешивая методы, используемые для динамики медленно шкалы времени, s, напротив, включить после рассеивающих анализатора autocorrelator или спектра, в котором спектральная содержание рассеянного сигнала добывается из измеренных рассеянного света интенсивность.

Как правило, лазерные зонды, по крайней мере те, которые действуют в видимом диапазоне спектра, у волн гораздо дольше, чем характерное расстояние между молекулы жидкости государство. В этих обстоятельствах, зонд луч возбуждает пяти коллективных, медленно шкалы времени, -длина длинные волны гидродинамического режимов^2,9,10 (медленно относительно частоты характерные столкновения): два viscously затухают, противодействию распространения звуковых волн, два центровку, чисто диффузионное завихренность режимы и режим единого диффузионное тепловой (энтропия). Звуковые режимы возбужденных в (продольное) направлении падающего пучка, в то время как в поперечном направлении возбуждаются вихревые режимы.

Учитывая исключительно экспериментальным рассеяния методы, два фундаментальных вопросов, лежащих в сердце равновесной и неравновесной статистической механики, молекулярной, жидкость государственных систем, остаются вне света и измерения рассеяния нейтронов:
1) строгий аргументы^9,11 показывают, что случайные, столкновения и суб-collision-время масштаба динамики отдельных молекул жидкость государства, при условии классической ньютоновской динамики или квантовой динамики, можно сформулировать в форме Обобщенные уравнения Ланжевена (GLE). GLE, в свою очередь, составляют центральный теоретический инструмент исследования неравновесной статистической механики молекул в плотных газов и жидкостей. К сожалению так как динамика отдельных молекул (не макромолекулярные) не могут быть решены либо рассеяние техника, в настоящее время не прямой путь за пределами MD моделирования, чтобы проверить действительность GLE.
2) основные гипотезы, лежащих в основе динамики жидкости макроскопических континуума, а также микромасштабной молекулярной гидродинамики, полагает, что на длину – и время весы, большой относительно молекулярной диаметров и столкновения, но небольшие по отношению к континуум Длина – и время весы, локального термодинамического равновесия (LTE) преобладает. В континуум потока тепла передачи модели и, как уравнений Навье-Стокса (NS), LTE подразумевается требуется⁹ для того, чтобы пара неразрывно неравновесной, континуум шкала потока и энергии транспортные возможности — как вязких напряжений сдвига и теплопроводность — строго равновесия термодинамических свойств, как температура и внутренней энергии. Аналогичным образом, в то время как микромасштабной импульса и энергии транспорта являются неразрывно неравновесных процессов, отражая появление спаренных, микромасштабной массы, импульса и энергии течения, модели этих процессов микромасштабной предполагают, что токи представляют собой малые возмущения от LTE⁹. Опять же в меру наших знаний, было не прямых экспериментальных испытаний Успения LTE. В частности похоже, что предпринимались попытки не молекулярного рассеяния гидродинамические эксперименты в плотной, движущихся, неравновесность потоков жидкости.

В этой статье мы приводим аналоговый экспериментальный метод, в котором макроскопических, одной частицы и динамика коллективных частицы зерна уплотненного свай, измеряется с помощью стандартных частиц Imaging Велосиметрия (PIV), может использоваться для прогнозирования косвенно, интерпретировать и разоблачить сингл и мульти – molecule гидродинамики в плотных газов и жидкостей. В недавней статье, опубликованной в нашей группе¹²указаны физические и теоретические элементы, позволяющие предлагаемой техники. Экспериментально, макроскопической системы должны exhibit: (i) устойчивой тенденцией к местных, статистической Механическое равновесие macroscale и малых (ii), линейных отклонений от равновесия которые имитируют (слабый) неравновесного колебания наблюдаются в молекулярные гидродинамических систем. Теоретически: (i) классической микромасштабной модели, описывающие равновесия и слабо неравновесной статистической механики плотной, взаимодействующих систем N-частиц необходимо сформулировать в форме macroscale, и (ii результирующие модели macroscale должны надежно прогнозировать динамику одного и нескольких частиц, от короткого, частиц столкновения время весы для длиной, континуум поток время весы.

Здесь мы представляем подробный экспериментальный протокол, а также представителя результаты, полученные новой техники. В отличие от MD моделирования и свет и методы нейтронного рассеяния новая методика позволяет, в первый раз, детальное изучение молекулярного гидродинамических процессов в пределах течет, сильно неравновесных, плотные газов и жидкостей.