أسلوب عيانية تناظرية لدراسة العمليات هيدرودينامية الجزيئية في كثافة الغازات والسوائل

الدراسات الهيدروناميكا الجزيئية ديناميات والميكانيكا الإحصائية من الجزيئات الفردية ومجموعات من الجزيئات داخل السوائل. من بين العديد من التقنيات التجريبية المتقدمة لدراسة نظم هيدرودينامية الجزيئية^1،2، تشتت الضوء^1،2،3، المحاكاة الديناميكية الجزيئية^{4، 5،،}من⁶⁷ وإلى حد أقل، تم استخدام النيوترونات غير مرن نثر⁸ الأكثر شيوعاً. ولسوء الحظ، إرفاق قيود كبيرة لهذا الأخير اثنين من التقنيات. المحاكاة وديناميات الجزيئية (MD)، على سبيل المثال: ط) هي المحدودة الصغيرة المكانية والزمانية المجالات التي تحتوي على جزيئات قليلة نسبيا ، ثانيا) تتطلب استخدام التقريبي الجسيمات بين الإمكانات، ثالثا) عادة إدخال الدوري شروط الحدود، غير صالحة تحت ظروف التدفق الأكبر عدم التوازن، ورابعاً) لا يمكن، في الوقت الراهن، الإجابة على السؤال الأساسي ديناميات الجزيئية مقياس كيف، التي تنطوي على جزيئات مفردة أو مجموعات من الجزيئات، وتتأثر، وزوجين مرة أخرى الجزء الأكبر، عدم التوازن في تدفق السوائل. الحد الرئيسية المرتبطة بتشتت النيوترونات مرتبط بصعوبة الوصول إلى العدد المحدود من النيوترون شعاع المصادر المتاحة.

بغية توفير سياق التناظرية التقنية التجريبية المعروضة في هذه المقالة، نسلط الضوء التقنيات المطبقة للسوائل الكثيفة الغاز والسائل-الدولة البسيطة. في تجربة نموذجية تشتت ضوء، يوجه شعاع ضوء ليزر استقطاب إلى وحدة تخزين استجواب صغيرة التي تحتوي على عينة السائل ثابتة. ثم يتم الكشف عن الضوء المتناثرة من الجزيئات داخل العينة في بعض زاوية ثابتة بالنسبة إلى شعاع الحادث. اعتماداً على نظام الفائدة الحيوية الجزيئية، يتضمن كشف وتحليل الإشارات الخفيفة المتناثرة الخفيفة التصفية أو خلط أساليب الكشف عن الضوء. كما يتضح من برن وبيكورا¹، تصفية التقنيات، التي التحقيق في حالة السوائل ديناميات الجزيئية في الوقت المناسب جداول أقصر من s، يعرض على السابر بعد بعثرة أو حيود [غرتينغ]، والسماح للمسح الضوئي للكثافة الطيفية الضوء المتناثرة. البصرية خلط التقنيات المستخدمة لديناميات مقياس الوقت بطيء، s، على النقيض من ذلك، إدراج محلل أوتوكوريلاتور أو الطيف بعد بعثرة، الذي يتم استخراج محتوى الطيفية إشارات متفرقة من قياس الضوء المتناثرة كثافة.

وبصفة عامة، الليزر تحقيقات، على الأقل تلك التي تعمل في النطاق المرئي من الطيف، ولها أطوال موجية أطول من تباعد مميزة بين جزيئات السائل-الدولة. وفي ظل هذه الظروف، يثير شعاع التحقيق خمسة الجماعية، ومقياس الوقت بطيء، وسائط هيدرودينامية طويل–طول الموجه^2،9،10 (بطيئة بالنسبة لتردد التصادم المميزة): اثنان فيسكوسلي ثبط، مكافحة نشر الموجات الصوتية، وضعي الدردوريه أونكوبليد، انتشارية بحتة، ووضع واحد انتشارية حراري (الانتروبيا). وسائط الصوت متحمسون في الاتجاه (الطولي) شعاع الحادث، بينما وسائط دوامة متحمسون في الاتجاه العرضي.

دراسة تجريبية بحتة تناثر التقنيات، سؤالين الأساسية، الواقعة في قلب التوازن وعدم التوازن ميكانيكا إحصائية الجزيئية، نظم الدولة السائل، تبقى خارج الضوء وقياسات تشتت النيوترونات:
1) صرامة الوسائط^9،11 تبين أن ديناميات التصادم-ودون-كوليسيون-مقياس الوقت عشوائي، جزيئات السائل-الدولة الفردية، رهنا بديناميات نيوتن الكلاسيكية أو ديناميات الكم، يمكن أن تعاد في شكل معمم لانجفان المعادلات (GLE). وفي المقابل، تضم GLE، أداة نظرية محورية في دراسة الميكانيكا الإحصائية غير متوازنة من الجزيئات في كثافة الغازات والسوائل. ولسوء الحظ، نظراً لديناميات الجزيئات الفردية (غير الجزيئات) لا يمكن حلها بأسلوب نثر أما، يوجد حاليا أية طريقة مباشرة، وراء المحاكاة ودكتوراه في الطب، لاختبار صحة GLE ل.
2) فرضية أساسية الواقعة في قلب ديناميات السوائل متوالية العيانية، كذلك microscale الهيدروناميكا الجزيئية، يفترض أن على طول-والمقاييس الزمنية الكبيرة بالنسبة لأقطار جزيئية والتصادم أحياناً، ولكن صغيرة بالنسبة للتواصل طول ومقاييس زمنية، يسود المحلية توازن دينامي حراري (LTE). في استمرارية التدفق والحرارة نقل النماذج، مثل معادلات نافيير-ستوكس (NS)، هو افتراض LTE المطلوب⁹ للزوجين جوهرها عدم التوازن، وتدفق متواصلة على نطاق وسمات النقل الطاقة — مثل لزوجة القص تؤكد و التوصيل الحراري – بدقة خصائص توازن دينامي حراري، مثل درجة الحرارة والطاقة الداخلية. وبالمثل، في حين نقل الطاقة والزخم microscale العمليات جوهريا عدم التوازن، مما يعكس مظهر المتباعدة، microscale الجماهيري، الزخم، وتيارات الطاقة، نماذج من هذه العمليات عبارة تفترض أن التيارات وتمثل الاضطرابات الصغيرة من LTE⁹. ومرة أخرى، على حد علمنا، لم أي اختبارات تجريبية مباشرة من افتراض التطور طويل الأمد. على وجه الخصوص، يبدو أن لا تجارب التشتت الهيدروديناميكي الجزيئية جربت داخل كثيفة، تتحرك، وعدم التوازن في تدفق السائل.

في هذه الورقة، ونحن الخطوط العريضة لأسلوب تجريبي تناظرية التي يمكن استخدامها بالجسيمات العيانية، واحد وديناميات الجسيمات الجماعية من أكوام الحبوب صدى، تقاس باستخدام معيار الجسيمات التصوير فيلوسيميتري (PIV)، للتنبؤ بشكل غير مباشر، تفسير، وفضح الهيدروناميكا أحادية ومتعددة ملكال في كثافة الغازات والسوائل. يتم ذكر العناصر المادية والنظرية التي تمكن هذه التقنية المقترحة في ورقة صدرت مؤخرا نشرتها لدينا مجموعة¹². تجريبيا، يجب أن يحمل النظام العيانية: ملاحظة (ط) اتجاه المطرد نحو المحلي والتوازن الميكانيكي الإحصائية ماكروسكالي الصغيرة (ثانيا)، خطي الخروج عن التوازن التي تحاكي تقلبات غير متوازنة (ضعيفة) في نظم هيدرودينامية الجزيئية. نظرياً: نماذج microscale (ط (الكلاسيكية تصف التوازن وميكانيكا إحصائية ضعيفة-عدم التوازن كثيفة، نظم N-الجسيمات المتفاعلة يجب أن تعاد في شكل ماكروسكالي، ويجب (ثانيا) نماذج ماكروسكالي الناتجة موثوق بها التنبؤ بديناميات الجسيمات أحادية ومتعددة، من قصيرة، الجسيمات-تصادم-المقاييس الزمنية إلى طويلة، واستمرارية-تدفق-المقاييس الزمنية.

نقدم هنا، بروتوكول تجريبي مفصلة، فضلا عن الممثل النتائج التي حققتها هذه التقنية الجديدة. على النقيض من المحاكاة MD والضوء وأساليب تشتت النيوترونات، يسمح تقنية جديدة، للمرة الأولى، دراسة مفصلة للعمليات هيدرودينامية الجزيئية داخل المتدفقة وعدم التوازن بشدة، وكثافة الغازات والسوائل.