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。
本文内容
摘要
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....
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方案
1. 设置垂直撞击实验
- 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使用最大球体直径的 20 倍，以确保壁面效应可忽略不计9。若入水速度高于本文所述值，则需要更大的水箱深度。用于确定下落高度及追踪软件校准的视觉标尺将在第 7 节中讨论。 - 在水下放置另一把米尺，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。
- 构建一个铰接平台（“释放装置”），用于将球体悬挂在液面上方，并在释放时向下旋转，使撞击点处的切向加速度大于重力加速度，如图 1a所示。通过使用橡皮筋将铰接平台连接至支撑部件中心，实现快速旋转。最终实现无支撑且无初始旋转的撞击体。
注意：该平台可通过 3D 打印机轻松制作。 - 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，以便将球体放置于液面上方。
注意：当拇指离开平台底部时，即触发释放动作。 - 将释放装置固定在铁架台上，使该装置可调节至不同高度。
- 将铁架台置于水箱旁，使释放装置与视觉标尺....
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结果
本实验方案可用于观察在不同韦伯数 
范围内垂直撞击所产生的沃辛顿射流，如图 2c所示。这些结果已发表于 Watson 等人1的研究中，可参考该文献以获取本文所展示数据的具体实验条件。我们重点关注从自由液面突出的狭长液膜。在图 3中，我们展示了少量织物即可增强飞溅，而足够的层数则可抑制飞溅回弹。结果采用球体直径 D 进行无量纲化处理，如图 3b所示。
我们在图4a-d中展示了无量纲化的空腔特性之间的关.......
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | FlashForge | Creator Pro | 双喷头挤出 |
| 酒精 | Swan | M314 | 99% 异丙醇 |
| BNC 电缆 | Thorlabs | 2249-C-24 | |
| 卡尺 | Anytime Tools | 203185 | 表盘式 |
| 相机 | Photron | Mini AX-100 | 16GB 内存 |
| 计算机 | Dell | Windows 7 Pro | |
| 织物 | Georgia Pacific | 19378 | 卫生纸 |
| 织物 | Kleenex | 10036000478478 | 纸巾 |
| 激光切割机 | Glowforge | Basic | |
| 照明灯 | GS Vitec | LT-V9-15 | 多 LED |
| 显微镜 | Keyence | VHX-900F | 数字式 |
| 铁架台 | VWR | VWRF08530.083 | |
| 路由器 | ASUS | RT-N12 | 离网模式 |
| 直尺 | Westcott | 10432 | 米尺 |
| 软件 | 开源 | Tracker | 视频分析 |
| 软件 | Photron | Fastcam Viewer | 视频录制 |
| 球体 | Amazon | 8DELSET | Delrin 材料 |
| 喷雾剂 | Rust-Oleum | 274232 | 防水型 |
| 表面活性剂 | Dawn | 37000973782 | 液体肥皂 |
| 表面活性剂 | USP Kosher | 5 加仑 | 甘油 |
| 拉力试验机 | MTS | Model 42 | |
| 触发开关 | 定制 | ||
| 水箱 | Mr. Aqua | MA-730 | 非钢化玻璃 |
参考文献
- 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. ....
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