هذا البروتوكول يوضح التكوين التجريبية الأساسية لإجراء التجارب على دخول المياه مع مجالات وكيبلر. وتناقش أساليب لتغيير سطح السائل مع الأقمشة حدودية، وإعداد مجالات غير ترطيب كيميائيا، والخطوات اللازمة لاستخراج البيانات والتصور دفقة.
مقالة منهجية
الآثار المترتبة على مجالات وكيبلر في بركة عميقة سائل مع ظروف سطح السائل غيرت والمسبار
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
الآثار الرأسي للمجالات المتعلقة بالمياه النظيفة كانت موضوعا للعديد من التحقيقات دخول المياه الذي يتسم به تشكيل تجويف، دفقة أسنشن التاج وورثينجتون جيت الاستقرار. هنا، علينا أن ننشئ البروتوكولات التجريبية لدراسة ديناميات دفقة عند المجالات وكيبلر السلس ويتابيليتي متفاوتة والكتلة، وأثر قطر الحرة سطح بركة عميقة السائل تعديل بواسطة الأقمشة حدودية رقيقة والتوتر السطحي سائلة. التحقيقات دخول المياه توفر تجارب موجوداً وتجميعها بسهولة والمنفذة لدراسة ميكانيكا الموائع المعقدة. نقدم هنا بروتوكولا الانضباطي لوصف الارتفاع دفقة، وتدفق فصل المقاييس، والمسبار الكينماتيكا، والممثل النتائج التي يمكن الحصول عليها إذا كان استنساخ نهجنا. الأساليب قابلة للتطبيق عند أبعاد دفقة مميزة لا تزال أدنى بحوالي 0.5 متر. ومع ذلك، هذا البروتوكول قد يكون تكييفها لآفاق إطلاق المسبار وتأثير السرعات، الذي يبشر بالخير لترجمة النتائج إلى البحرية، والتطبيقات الصناعية.
المقدمة
وصف ديناميات دفقة الناشئة عن الآثار العمودي للأجسام الصلبة على تجمع سائل عمق1 ينطبق على التطبيقات العسكرية والبحرية والصناعية مثل القذائف التسيارية الدخول والبحر سطح الماء تهبط2، 3،،من45. أجريت الدراسات الأولى لدخول الماء جيدا قبل أكثر من قرن6،7. هنا، نحن وضع بروتوكولات واضحة متعمقة وأفضل الممارسات لتحقيق نتائج متسقة للتحقيقات دخول المياه. للمساعدة في تصميم تجريبي صالحة، تقدم طريقة للحفاظ على الظروف الصحية، تغيير ظروف السطح البيني، السيطرة على المعلمات بدون أبعاد، تعديل المواد الكيميائية لسطح المسبار، والتصور من البداية الكينماتيكا.
إظهار الآثار الرأسي لمجالات وكيبلر ماء على السائل هادئة أي علامة على الهواء-فخ في السرعات المنخفضة8. ونجد أن وضع الأقمشة حدودية رقيقة فوق سطح السائل يسبب تشكيل تجويف بسبب التدفق القسري الفصل1. يستفيض كمية ضئيلة من النسيج على السطح المرشوش عبر مجموعة من المعتدلين ويبر أرقام بينما يخفف طبقات يكفي الرش مجالات التغلب على السحب في دخول السوائل1. في هذه المقالة، نشرح البروتوكولات المناسبة لإنشاء تأثيرات القوة المادية على دخول المياه من المجالات ماء.
إظهار الرواطم الصعود لتاج دفقة متطورة، تليها تجويف تشكيل البقع من مسعور نتوء النفاثة الأولية عالية فوق السطح عند مقارنة نظرائهم تروق المياه8. نقدم هنا، نهجاً لتحقيق صد الماء عن طريق تعديل سطح مجالات ماء كيميائيا.
مع ظهور الكاميرات عالية السرعة، والتصور البداية وتوصيف أصبحت أقرب منالاً. وحتى مع ذلك، المعايير المتبعة في المجال الدعوة لاستخدام كاميرا واحدة متعامد على المحور الرئيسي للسفر. ونحن تبين أن استخدام كاميرا عالية السرعة الإضافية للآراء العامة اللازمة لتقرر الإضراب مجالات الموقع المقصود.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1-تكوين التجربة بالنسبة للتأثيرات العمودية
- ملء خزان مياه شفافة لإبعاد حوالي 60 سم × 30 سم × 36 سم (طول × الوزن × العمق) مع 32 لتر الماء وجبل مسطرة متر (النطاق المرئي) عمودياً داخل الحاوية بالقاعدة ترقد السائل، كما هو مبين في الشكل 1 ألف.
ملاحظة: العمق والعرض من الدبابة يجب أن يكون أكبر من 20 مرة القطر من أكبر المجالات المستخدمة في التجربة للتأكد من آثار الجدار لا يعتد بها9. سرعة دخول أكبر من تلك التي وصفها هنا سوف تتطلب التعمق دبابة. ويناقش حجم البصرية المستخدمة في تحديد ارتفاعات قطره والمعايرة لتتبع البرامج في القسم 7. - مكان مسطرة متر إضافية تحت الماء، التي يمكن أن تعمل على تكبير الأبعاد. يتم استخدام هذا النطاق المرئي لمعايرة تتبع البرمجيات للقياسات تحت الماء.
- بناء منصة المعلقة ('إليه الإفراج عن') أن يوقف المجالات أعلاه السائل واستدارة اتجاه نزولي، على تحقيق تسارع عرضية أكبر من الجاذبية في موقع المسبار عندما أفرج عنه، كما هو مبين في الشكل 1 ألف. ويتحقق التناوب السريع عن طريق توصيل منصة المعلقة إلى مركز لعنصر دعم استخدام نطاقات مطاطا. والنتيجة هي المسبار غير معتمد وغير الدورية.
ملاحظة: مختلق منهاج العمل بسهولة مع الطابعة ثلاثية الأبعاد. - لأثر محاكمات، وضع الإبهام قاعدة من منصة المعلقة وقم بتدويرها 90° إلى موضع أفقي لموضع مجالات أعلاه السائل.
ملاحظة: يتم تشغيل سحب عندما يتم تحرير الإبهام من القاعدة لمنهاج العمل. - إلصاق إليه الإفراج عن موقف معوجة، حيث يمكن ضبط الجهاز على ارتفاعات مختلفة.
- مكان المعوجة الوقوف بجوار الدبابة أن إليه الإفراج داخل نفس الطائرة عمق كمقياس البصرية. إضافة وزن لقاعدة لموقف المعوجة حسب الحاجة لمنع سقوط.
- ضبط إليه الإفراج عن ارتفاع الحد الأقصى المطلوب إسقاط التجريبية. وهذا ضروري للتصور الأمثل من البداية كما تمت مناقشته في القسم 6 ويضمن خصائص البداية الفائدة دائماً في إطار عرض الكاميرا.
- إرفاق خفيفة متعددة أدت إلى ذراع توضيح أن الضوء محمل فوق الكاميرا، ينظر إلى منطقة البداية. الإضاءة المحيطة وحدها غير كافية لتسليط الضوء على المشهد في إطار ارتفاع المعدلات المسبق لاستخراج الكينماتيكا دفقة.
ملاحظة: ابدأ واحد يمكن أن يكون الكثير من الضوء. - ضع شاشة سوداء في الجزء الخلفي من خزان المياه للمساعدة في البداية وتجويف التصور كما هو مبين في الشكل 2.
- مكان حماية الزجاج ممتص الصدمات، مثل الأسفنج خلية مغلقة، في الجزء السفلي من خزان الماء والمقاطع مع الأوزان لمنع الظهور.
ملاحظة: ارتفاع السائل في الخزان ينبغي أن يكون المجال لا تتفاعل مع امتصاص الصدمات قبل رشة تجويف الجوية قبالة10.
2-التحكم في أبعاد المعلمات
- إجراء تجارب مع مجالات السلس للجماهير وأقطار مختلفة. ولهذا الغرض، تعمل بشكل جيد خاصة كرات صنع عمله بوليوكسيميثيليني (مثلاً، ديلرين) ولا خط جزء القالب. قياس الجماهير وأقطار بالتوازن التحليلية وقدمه ذات الورنيّة الورنيّة على التوالي.
- إجراء تجارب على طائفة من مرتفعات ح لتوليد سرعات أثر
حيث 
m/s2 هو التسارع الجاذبية. قياس الارتفاع مع حجم البصرية ضمن الإطار الكاميرا.
ملاحظة: استخدم ميزة تتبع السيارات في أداة تحليل أشرطة الفيديو كما تمت مناقشته في القسم 7 لقياس السرعات الأثر. - إجراء تجارب مع مخاليط السوائل من الماء والتوتر السطحي مناسبة (مثل الجلسرين أو الصابون) لتعديل التوتر السطحي. قياس التوتر السطحي مع تينسيوميتير سطحية.
- حساب أرقام رينولدز
وأرقام ويبر 
، حيث ρ هي كثافة السائل، D هو قطر المجال، μ هو لزوجة ديناميكية الموائع و σ التوتر السطحي للسوائل.
3-المحافظة على النظافة التجريبية
- إجراء تجارب أثناء ارتداء القفازات النتريل الصناعية واسترداد مجالات من خزان المياه مع سبقا مطهرة.
تنبيه: الجلد الطبيعي تنتج الزيوت التي يمكن أن تؤثر على ويتابيليتي الرواطم ووصمة ظروف السائل. - تنظيف في المجالات مع 99% كحول الأيزوبروبيل والسماح لتجف لمدة 1 دقيقة بين المحاكمات للحيلولة دون التأثير الشوائب.
- إذا كان استخدام أقمشة التفكك خلال الأثر، استبدال المياه في الخزان بعد كل محاكمة إذا لا يمكن تجميع قصاصات يدوياً.
- في نهاية التجربة، إفراغ الخزان وجففه.
- قبل تجربة، وتنظيف الخزان بالماء لإزالة أي شوائب.
4-طبقات السطح مع الأقمشة حدودية
- جولة تبحر في التحضير لأثر محاكمات أو فصل النسيج إلى ساحة. استخدام قدمه ذات الورنيّة الورنيّة في الحصول على السمك مضغوطة من النسيج.
ملاحظة: سيتم تغيير سمك النسيج عندما تكون رطبة. - بقية نسيج الجافة فوق سطح بركة السائل بلطف. ضمان تبحر لا تبدأ النسب قبل إطلاق المسبار وتحل محل الأقمشة فورا بعد الاصطدام.
- استخدم سبقا مطهرة لوضع النسيج تحت المنصة المعلقة قبل الإفراج عن المجالات.
- (اختياري) إجراء الاختبارات التالية باستخدام عينة نسيج لتوصيف المواد.
- قم بإجراء اختبار الشد باستخدام جهاز اختبار شد لتحديد معامل المرونة للعينة.
- استخدام مجهر رقمي للحصول على صورة مجهرية للنسيج وتحديد طول الألياف باستخدام أداة لالتقاط الصور.
5-إعداد مجالات كيميائيا مسعور
- معطف رذاذ قاعدة مسعور حوالي 15 – 30 سم من سطح المجال. تجنب امتصاص السطح. اتركها تجف لمدة دقيقة 1\u20122 قبل إضافة الطلاء إضافية. تطبيق اثنين من المعاطف قاعدة أكثر. تسمح لها الجاف لمدة 30 دقيقة قبل تطبيق المعطف العلوي.
ملاحظة: قد تختلف عدد سطح إضافية استناداً إلى التوصيات المقدمة من الشركة المصنعة للمنتج. - معطف رذاذ أعلى مسعور حوالي 15 – 30 سم من على سطح الأرض. تجنب امتصاص السطح. اتركها تجف لمدة 1 – 2 دقيقة قبل إضافة الطلاء إضافية. تطبيق الطلاء أكثر اثنين أو ثلاثة من طبقة أعلى. السماح لتجف لمدة 30 دقيقة لاستخدام الضوء و h 12 للاستفادة الكاملة.
ملاحظة: قد تختلف عدد معاطف سطح إضافية استناداً إلى التوصيات المقدمة من الشركة المصنعة للمنتج. - بعد محاكمات حوالي الساعة 20، يصبح خطر الطلاء مسعور بسبب المعالجة المفرطة. إزالة الطلاء مع الأيزوبروبيل 99%، ثم كرر الخطوات من 5.1 و 5.2.
6-مزامنة الكاميرات للتصور البداية
- ضع كاميرا عالية السرعة مع عدسة مناسبة عمودي على محور الأثر وفي خط مع سطح السائل.
ملاحظة: رئيس عدسة 55 مم يوفر نقطة انطلاق جيدة. - حال استخدام الأقمشة، إضافة كاميرا عالية السرعة إضافية إلى التجربة إلى تقديم عرض من أعلى إلى أسفل من الآثار، كما هو مبين في الشكل 1 باء.
- مزامنة كاميرات متعددة على جهاز كمبيوتر باستخدام الخطوات التالية.
- قم بتوصيل كل المحطات إخراج الكاميرا الأفقية كلا محطات الإدخال من الكاميرا إضافية باستخدام كابلات BNC.
- قم بتوصيل التبديل الزناد الكاميرا الأفقية فقط.
- قم بتوصيل كبلات Ethernet من كل من الكاميرات جهاز توجيه إيقاف شبكة الاتصال متصل بالكمبيوتر.
ملاحظة: في غياب جهاز توجيه، قم بتوصيل كبلات Ethernet من الكاميرات إلى أجهزة كمبيوتر منفصلة.
- في البرنامج الحصول على الفيديو، قم بتكوين الكاميرات مع الإعدادات التالية. تعيين معدل الإطار للحد أدنى من 1,000 إطارا في الثانية، وتعيين دقة الشاشة إلى الدقة المطلوبة. تعيين سرعة مصراع الكاميرا إلى 1 لكل إطار ثاني وتعيين وضع الزناد لإنهاء.
- من الإفراج عن أقصى ارتفاع، إجراء سلسلة من تجارب اختبار التأكد من أن الطائرات ورثينجتون داخل إطار الفيديو.
- ضبط موضع الكاميرا والتركيز عليه حتى يتم تحقيق جودة التصور المطلوب.
- بعد التسجيل، استخراج قياسات الحركية وهندسية من أشرطة الفيديو باستخدام أداة تحليل أشرطة فيديو مناسبة. استخدام تعقب، أداة تحليل مفتوحة مصدر أو أي برامج للقدرة النسبية.
7-رقمنة الكينماتيكا الأثر مع المقتفي البرمجيات
- حدد عصا المعايرة من أدوات تعقب ومطابقة لحجم البصرية (الشكل 2a)، مما يجعل العصا أطول وقت ممكن.
- انقر فوق معايرة العصا وتعيين قيمة القياس على طول النطاق المرئي موزعة بالعصا. فإذا امتدت العصا المعايرة 1 سم على مقياس البصرية، تعيين رفع القيمة إلى 1.
ملاحظة: وهذا ما يضمن القياسات المأخوذة من البرمجيات ترتيب سنتيمتر. - التبديل بين تشغيل الفيديو بواسطة النقر فوق بدء و إيقاف وتعيين الفيديو إلى الإطار المرغوب.
- حدد قياس عصا من أدوات تعقب واستخراج دفقة التاج ارتفاع كوتجويف العرض بتجويف عمق lورثينجتون جيت الارتفاع h، كما هو مبين في الشكل 2،ج.
ملاحظة: قابل للتعديل في كلا طرفي عصا القياس ويمكن استخدامها في نفس الوقت مع التحديدات مربع الأدوات الأخرى. - حدد منقلة من أدوات تعقب وقياس زاوية الانفصال السائل فيما يتعلق بالمسبار، كما هو مبين في الشكل 2. قابل للتعديل في كلا طرفي المنقلة ويمكن استخدامها في نفس الوقت مع التحديدات مربع الأدوات الأخرى.
- حدد ميزة تتبع السيارات في البرنامج تسجيل موقف الزمانية وبيانات السرعة. عندما تتبع توقف بسبب الافتقار إلى الوضوح في الفيديو واستخدام دليل تتبع حتى يتم الحصول على الوضوح والتعقب التلقائي استئناف.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
أقام هذا البروتوكولات تسمح للاحتفال بالطائرات ورثينجتون الناشئة عن التأثيرات العمودية إعداد النطاق ليبر 
كما هو مبين في الشكل 2 (ج). وتنشر هذه النتائج في Watson et al.1، والذي يمكن أن يكون مرجعاً للظروف التجريبية الدقيقة المستخدمة في إنتاج البيانات المقدمة في هذه الوثيقة. علينا أن نركز على الفيلم ممدود ضيقة من السوائل بارزة فوق سطح السائل حرة. في الشك...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
ويصف هذا البروتوكول تصميم التجارب وأفضل الممارسات للتحقيقات المتعلقة بمجالات وكيبلر إلى بركة عميقة سائل. علينا أن نبدأ بتسليط الضوء على الخطوات اللازمة لتكوين التجربة بالنسبة للتأثيرات العمودية. فمن المهم خلق بيئة مثالية من بداية باستخدام منطقة دفقة كبيرة بما فيه الكفاية أن آثار الجدار لا تذكر9، ومقياس بصرية مناسبة لاستخراج الكينماتيكا12،13،14 15، ،،
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
شكر وتقدير
ويود المؤلفون الاعتراف بكلية الهندسة والكمبيوتر العلوم (سيكس) في جامعة فلوريدا المركزية لتمويل هذا المشروع، جوشوا شجرة المواد وسكيك كريس للصور البداية ونيكولاس سميث لتعليقات قيمة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| طابعة ثلاثية الأبعاد | FlashForge | Creator Pro | بثق |
| مزدوج كحول | بجعة | M314 | 99٪ كابلات الأيزوبروبيل |
| BNC | Thorlabs | 2249-C-24 | |
| الفرجار | في أي وقت أدوات | 203185 | الاتصال الهاتفي |
| الكاميرا | Photron | Mini AX-100 | 16 جيجابايت رام |
| كمبيوتر | Dell | Windows 7 Pro | |
| النسيج | جورجيا المحيط الهادئ | 19378 | ورق التواليت |
| Kleenex | 10036000478478 | الأنسجة | |
| بالليزر القاطع | Glowforge | الأضواء الأساسية | |
| GS Vitec | LT-V9-15 | متعدد LED | |
| المجهر | Keyence | VHX-900F | حامل معوجة رقمي |
| VWR | VWRF08530.083 | ||
| راوتر | ASUS | RT-N12 | خارج مسطرة الشبكة |
| Westcott | 10432 | متر مسطرة | |
| برنامج | مفتوح المصدر | تعقب | |
| تحليل | برنامج Photron | Fastcam | Viewer تسجيل الفيديو |
| المجال Amazon | 8DELSET | Delrin | |
| Spray | Rust-Oleum | 274232 | طارد للماء |
| الفاعل بالسطح | Dawn | 37000973782 | الصابون السائل |
| الخافض للتوتر السطحي | USP كوشير | 5 جالون | اختبار الشد الجلسرين |
| MTS | نموذج 42 | ||
| مفتاح الزناد | مياه مخصص | ||
| السيد أكوا | MA-730 | زجاج غير مقسى |
المراجع
- Watson, D. A., Stephen, J. L., Dickerson, A. K. Jet amplification and cavity formation induced by penetrable fabrics in hydrophilic sphere entry. Physics of Fluids. 30, 082109(2018).
- Truscott, T. T. Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles. , Massachusetts Institute of Technology. Doctor of Philosophy Thesis (2009).
- Truscott, T., Techet, A. Water entry of spinning spheres. Journal of Fluid Mechanics. 625, 135(2009).
- Techet, A., Truscott, T. Water entry of spinning hydrophobic and hydrophilic spheres. Journal of Fluids and Structures. , 716(2011).
- Zhao, S., Wei, C., Cong, W. Numerical investigation of water entry of half hydrophilic and half hydrophobic spheres. Mathematical Problems in Engineering. 2016, 1-15 (2016).
- Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 137, 137(1897).
- Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Paper II. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. , 175(1900).
- Duez, C., Ybert, C., Clanet, C., Bocquet, L. Making a splash with water repellency. Nature Physics. 3, 180-183 (2007).
- Tan, B. C. W., Thomas, P. J. Influence of an upper layer liquid on the phenomena and cavity formation associated with the entry of solid spheres into a stratified two-layer system of immiscible liquids. Physics of Fluids. 30, 064104(2018).
- Shin, J., McMahon, T. A. The tuning of a splash. Physics of Fluids. 2, 1312-1317 (1990).
- Krishnan, S. R., Seelamantula, C. S. On the selection of optimum Savitzky-Golay filters. IEEE Transactions on Signal Processing. 61, 380-391 (2013).
- Cheny, J., Walters, K. Extravagant viscoelastic effects in the Worthington jet experiment. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 67, 125-135 (1996).
- Castillo-Orozco, E., Davanlou, A., Choudhur, P. K., Kumar, R. Droplet impact on deep liquid pools: Rayleigh jet to formation of secondary droplets. Physical Review E. 92, (2015).
- Aristoff, J. M., Truscott, T. T., Techet, A. H., Bush, J. W. M. The water entry cavity formed by low bond number impacts. Physics of Fluids. 20, 091111(2008).
- Aristoff, J., Bush, J. Water entry of small hydrophobic spheres. Journal of Fluid Mechanics. 619, 45-78 (2009).
- Aristoff, J., Truscott, T., Techet, A., Bush, J. The water entry of decelerating spheres. Physics of Fluids. 22, (2010).
- Truscott, T., Epps, B., Techet, A. Unsteady forces on spheres during free-surface water entry. Journal of Fluid Mechanics. 704, 173-210 (2012).
- Truscott, T. T., Epps, B. P., Belden, J. Water entry of projectiles. Annual Review of Fluid Mechanics. 46, 355-378 (2013).
- Gekle, S., Gordillo, J. M. Generation and breakup of Worthington jets after cavity collapse part 1. Journal of Fluid Mechanics. 663, 293-330 (2010).
- Cross, R., Lindsey, C. Measuring the drag force on a falling ball. The Physics Teacher. 169, (2014).
- Cross, R. Vertical impact of a sphere falling into water. The Physics Teacher. , 153(2016).
- Dickerson, A. K., Shankles, P., Madhavan, N., Hu, D. L. Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (25), 9822-9827 (2012).
- Dickerson, A. K., Shankles, P., Hu, D. L. Raindrops push and splash flying insects. Physics of Fluids. 26, 02710(2014).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن