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方法文章

改变流体与撞击物表面条件的自由下落球体对深液池的撞击影响

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DOI：

10.3791/59300

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2019年2月17日

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Central Florida

本文内容

摘要

本方案展示了自由下落球体入水实验的基本实验装置。讨论了使用可穿透织物改变液体表面的方法、化学不浸润球体的制备方法，以及飞溅现象可视化和数据提取的步骤。

摘要

关于球体垂直撞击洁净水面的研究已广泛探讨了空腔形成、飞溅冠状液冠上升以及沃辛顿射流稳定性等现象。本文建立了实验方案，用于研究当具有不同润湿性、质量和直径的光滑自由下落球体撞击经薄型可穿透织物和液体表面活性剂修饰的深液池自由表面时的飞溅动力学行为。水下撞击实验为研究复杂流体力学提供了易于搭建和操作的实验手段。本文介绍了一种可调节的实验方法，用于表征飞溅高度、流动分离参数以及撞击体的运动学特征，并展示了若重复本方法可能获得的代表性结果。该方法适用于特征飞溅尺度低于约0.5 m的情况。然而，该方案亦可调整用于更高的撞击体释放高度和撞击速度，这为研究成果向船舶工程和工业应用的转化提供了良好前景。

引言

固体物体垂直撞击深液池所产生的飞溅动力学表征1，可应用于军事、海军及工业领域，例如弹道导弹入水及海面着陆等场景2,3,4,5。关于水下入射的早期研究早在一个多世纪前就已开展6,7。本文建立了清晰且深入的实验规程与最佳实践，以实现水下入射研究中结果的一致性。为支持有效的实验设计，本文提供了一种方法，用于维持卫生条件、改变界面条件、控制无量纲参数、化学修饰撞击体表面，以及可视化飞溅运动学过程。

亲水性球体从自由下落对静止流体产生垂直冲击时，在低速情况下未观察到夹带空气的现象8。我们发现，在流体表面放置薄而可穿透的织物会因强制流动分离而导致空腔形成1。少量织物覆盖表面可在较宽的中等韦伯数范围内增强飞溅，而足够层数的织物则会抑制飞溅，因为球体在进入流体时克服了阻力1。本文中，我们阐述了适用于研究材料强度对亲水性球体入水过程影响的实验方案。

与亲水性物体撞击产生的飞溅相比，疏水性物体撞击形成的空腔表现出更明显的飞溅冠向上发展，随后产生显著突出于液面之上的主射流8。本文介绍一种通过化学修饰亲水性小球表面来实现疏水性的方法。

随着高速相机的出现，飞溅现象的可视化与表征变得更加可行。尽管如此，该领域既定的标准仍要求使用一台与主要运动轴正交的单相机进行观测。我们表明，为了准确判断球体是否击中预定位置，有必要增加一台用于俯视观测的高速相机。

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方案

1. 设置垂直撞击实验装置

  1. 使用尺寸约为 60 cm × 30 cm × 36 cm（长 × 宽 × 深）的透明水箱，注入 32 L 水，并在容器内垂直安装一把米尺（“视觉标尺”），使其底端位于液面之上，如图 1a所示。
    注意：水箱的深度和宽度必须大于实验中所用最大球体直径的 20 倍，以确保器壁效应可忽略不计9。若需实现比本文所述更高的入水速度，则需增加水箱深度。用于确定下落高度及校准追踪软件的视觉标尺将在第 7 节中讨论。
  2. 在水下另放置一把米尺，可用于放大尺寸测量。该视觉标尺用于校准水下测量的追踪软件。
  3. 构建一个铰接平台（“释放装置”），用于在液体上方悬挂球体，并可在释放时向下旋转，使撞击点处的切向加速度大于重力加速度，如图 1a所示。通过弹性带将铰接平台连接至支撑结构中心，以实现快速旋转。最终形成一个无支撑且不旋转的撞击体。
    注意：该平台可通过 3D 打印机轻松制作。
  4. 进行撞击实验时，用拇指抵住铰接平台底部，将其旋转 90° 至水平位置，以便将球体置于液面上方。
    注意：当拇指从平台底部移开时，触发回缩动作。
  5. 将释放装置固定在铁架台上，使该装置可调节至不同高度。
  6. 将铁架台置于水箱旁，使释放装置与视觉标尺处于相同的深度平面。根据需要在铁架台底座上添加配重，以防倾倒。
  7. 将释放装置调节至所需的最大实验下落高度。这对于实现最佳飞溅可视化至关重要（见第 6 节），并确保感兴趣的飞溅特征始终位于相机视野范围内。
  8. 将多 LED 光源安装在万向臂上，使光源位于相机上方，向下照射飞溅区域。仅靠环境光不足以在提取飞溅运动学所需的高帧率下充分照亮场景。
    注意：照明越充足越好。
  9. 在水箱后方放置黑色背景屏，以增强飞溅和空腔的可视化效果，如图 2所示。
  10. 在水箱底部放置玻璃保护用减震材料（如闭孔海绵），并用配重固定，防止其上浮。
    注意：水箱内液位高度应确保球体在空气空腔闭合前不会与减震材料发生接触10。

2. 控制无量纲参数

  1. 使用不同质量与直径的光滑球体进行实验。可选用聚氧化亚甲基（例如 Delrin）材质的制币球，此类球体尤为适用且无模具分型线。分别使用分析天平和游标卡尺测量其质量与直径。
  2. 在不同高度 H 下开展实验，以获得不同的撞击速度 静力学平衡公式，U≈√(2gH)，表示势能概念的数学表达式。，其中 重力加速度公式 \(g=9.81\)；物理学；常数；科学公式。m/s2 为重力加速度。使用摄像机画面内的视觉刻度尺测量高度。
    注意：使用第7节中所述视频分析工具中的 自动追踪 功能测量撞击速度。
  3. 使用水与合适表面活性剂（如甘油或肥皂）的混合液进行实验，以调节表面张力。使用表面张力仪测量表面张力。
  4. 计算雷诺数 雷诺数公式 Re=ρUD/μ，流体动力学，流动分析，稳定性评估方程。 与韦伯数 韦伯数公式 We=ρU²D/σ；流体动力学概念；公式图示。，其中 ρ 为流体密度，D 为球体直径，μ 为流体的动力黏度，σ 为流体的表面张力。

3. 维持无菌实验条件

  1. 实验过程中需佩戴工业腈手套，并使用已消毒的铲子从水箱中取出球体。
    注意：皮肤会自然分泌油脂，可能影响撞击体的润湿性并污染液体环境。
  2. 使用99%异丙醇清洁球体，每次试验间隔期间使其干燥1分钟，以排除杂质的干扰。
  3. 若使用的织物在撞击过程中发生破碎，且碎片无法手动完全清除，则每次试验后应更换水箱中的水。
  4. 实验结束后，排空水箱并使其自然风干。
  5. 实验开始前，用水清洗水箱以去除任何杂质。

4. 使用可穿透织物覆盖表面

  1. 将织物分离成方形或圆形的层片，以准备进行冲击试验。使用游标卡尺测量织物的压缩厚度。
    注意：织物在湿润状态下厚度会发生变化。
  2. 将干燥的织物轻轻放置在液体池表面。确保在冲击体释放前层片不会提前下落，并在碰撞后立即更换织物。
  3. 使用经过消毒的铲子，在释放球体前将织物置于铰接平台下方。
  4. （可选）使用织物样品进行以下测试以进行材料表征。
    1. 使用拉伸试验机进行拉伸测试，以测定样品的弹性模量。
    2. 使用数字显微镜获取织物的显微图像，并利用成像工具测定纤维长度。

5. 制备化学疏水微球

  1. 距离球体表面约 15–30 cm 处喷涂疏水底漆。避免浸湿表面。每次喷涂后静置 1–2 分钟使其干燥，再进行下一次喷涂。共喷涂两层底漆。在喷涂面漆前，让其静置干燥 30 分钟。
    注意：额外喷涂的次数可能因产品制造商的建议而有所不同。
  2. 距离表面约 15–30 cm 处喷涂疏水面漆。避免浸湿表面。每次喷涂后静置 1–2 分钟使其干燥，再进行下一次喷涂。共喷涂两到三层面漆。轻度使用前需干燥 30 分钟，完全使用前需干燥 12 小时。
    注意：额外喷涂的面漆层数可能因产品制造商的建议而有所不同。
  3. 经过约 20 次试验后，由于频繁操作，疏水涂层性能会下降。使用 99% 异丙醇去除涂层，并重复步骤 5.1 和 5.2。

6. 同步相机以实现飞溅可视化

  1. 将一台配备合适镜头的高速相机垂直于冲击轴线，并与流体表面共线放置。
    注：55 mm 定焦镜头可作为一个良好的起点。
  2. 若使用织物，需在实验中增加一台高速相机，以提供如图1b所示的俯视冲击图像。
  3. 通过以下步骤将多台相机与计算机同步：
    1. 使用 BNC 电缆将水平相机的两个输出端口连接至附加相机的两个输入端口。
    2. 仅将触发开关连接至水平相机。
    3. 将两台相机的以太网电缆插入连接至计算机的离线路由器。
      注：若无路由器，可将相机的以太网电缆分别连接至不同的计算机。
  4. 在视频采集软件中，按以下参数设置相机：将帧率设为至少 1,000 fps，屏幕分辨率设为所需分辨率，快门速度设为每帧 1 秒，触发模式设为“结束”模式。
  5. 从最大释放高度开始，进行一系列测试试验，以确保韦廷顿喷流位于视频画面范围内。
  6. 相应调整相机位置和焦距，直至达到所需的可视化质量。
  7. 录制完成后，使用合适的视频分析工具从视频中提取运动学和几何测量数据。可使用开源分析工具 Tracker 或具备同等功能的其他软件。

7. 使用追踪软件数字化冲击运动学参数

  1. 从 Tracker 工具箱中选择校准标尺，并将其与视觉标尺对齐（图 2a），使标尺尽可能拉长。
  2. 点击校准标尺，并将缩放值设置为标尺所覆盖视觉标尺的长度。例如，若校准标尺覆盖视觉标尺上的 1 cm，则将缩放值设为 1。
    注意：这可确保软件中测得的数据单位为厘米量级。
  3. 通过点击开始和停止来切换视频播放，并将视频定位至所需帧。
  4. 从 Tracker 工具箱中选择测量标尺，并提取溅落冠高度 k、空腔宽度 b、空腔深度 l 以及沃辛顿射流高度 h，如 图 2b、c 所示。
    注意：测量标尺两端均可调节，并可与其他工具箱选项同时使用。
  5. 从 Tracker 工具箱中选择量角器，并测量流体相对于撞击体的分离角 q，如 图 2b 所示。量角器两端均可调节，并可与其他工具箱选项同时使用。
  6. 在软件中选择自动追踪功能，以记录时间序列中的位置和速度数据。当因视频清晰度不足导致追踪中断时，应改用手动追踪，直至图像清晰后恢复自动追踪。

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结果

本既定方案允许观察在不同韦伯数 静力平衡；ΣFx=0；示意图；力臂分析；力平衡；教育物理 范围内垂直撞击所产生的沃辛顿射流，如 图 2c 所示。这些结果发表于 Watson 等人1，可参考该文献以获取本文所呈现数据所用的精确实验条件。我们重点关注从自由液面以上突出的狭长薄膜状流体。在 图 3 中，我们展示少量织物会增强飞溅，而充分的层叠结构则可抑制回溅。结果采用球体直径 D 进行无量纲化处理，如 图 3b 所示。

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讨论

本方案描述了自由下落球体撞击深液池实验的设计方法及最佳实践。我们首先强调为实现垂直撞击而配置实验所需的步骤。必须创建理想的飞溅环境，使用足够大的飞溅区域，以使壁面效应可忽略不计9，并提供合适的视觉尺度以提取运动学参数12,13,14,15,16,17,18,19,20,21。虽然减震装置可利用多余的实验材料临时制作，但必须在...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢中佛罗里达大学工程与计算机科学学院（CECS）对本项目提供的资金支持，感谢Joshua Bom和Chris Souchik提供的飞溅图像，以及Nicholas Smith提供的宝贵反馈意见。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3D 打印机FlashForgeCreator Pro双喷头挤出
酒精SwanM31499% 异丙醇
BNC 电缆Thorlabs2249-C-24
卡尺Anytime Tools203185表盘式
相机PhotronMini AX-10016GB 内存
计算机DellWindows 7 Pro
织物Georgia Pacific19378卫生纸
织物Kleenex10036000478478纸巾
激光切割机GlowforgeBasic
照明灯GS VitecLT-V9-15多 LED
显微镜KeyenceVHX-900F数字式
铁架台VWRVWRF08530.083
路由器ASUSRT-N12离网模式
直尺Westcott10432米尺
软件开源Tracker视频分析
软件PhotronFastcam Viewer视频录制
球体Amazon8DELSETDelrin 材料
喷雾剂Rust-Oleum274232防水型
表面活性剂Dawn37000973782液体肥皂
表面活性剂USP Kosher5 加仑甘油
拉力试验机MTSModel 42
触发开关定制
水箱Mr. AquaMA-730非钢化玻璃

参考文献

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