Name: 磁感应旋转瑞利 - 泰勒不稳定性 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: 了解磁感应旋转瑞利-泰勒不稳定性的实验方法，用于研究旋转对重力不稳定双层流体系统的影响。该方法利用梯度磁场诱导不稳定性，帮助分析旋转稳定效应与重力失稳效应之间的竞争关系，为流体力学研究提供可控实验手段。

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RJAH 感谢 EPSRC 研究员项目 EP/I004599/1 提供的支持，MMS 感谢 EPSRC 在资助号 EP/K5035-4X/1 下提供的经费支持。

注意：实验装置如图2所示。该装置的主要部分由一个旋转平台（300 mm × 300 mm）组成，平台安装在一个铜制圆柱体（直径55 mm）上，该圆柱体在自身重力作用下进入超导磁体（1.8 T）的室温垂直孔道内。平台通过一个偏心电机驱动，电机带动一个带有钥匙孔形孔口的滑动轴承旋转。铜制圆柱体连接到一个钥匙形状的驱动轴上，当释放销被移除后，驱动轴同时开始旋转并下降。
1. 非标准设备的准备
<ol>
	<li>浮力船
	<ol>
		<li>制作船体尺寸时，应确保其能舒适地置于实验水箱内，且不接触箱壁。 
		注：浮力船（见图3）由聚苯乙烯侧壁和海绵底座构成。</li>
		<li>用一层结实的纸巾包裹海绵以作保护。 
		注：纸巾的作用是尽可能消散倒入船内液体所产生的垂直动量。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 实验准备
<ol>
	<li>液体层的制备
	<ol>
		<li>使蒸馏水升至实验室温度（22 ± 2 °C）。每次实验需约650 mL。 
		注意：让混合物充分平衡可防止因空气析出而在实验中产生气泡。</li>
		<li>将蒸馏水等分为两份，分别放入两个独立的容器中， A 和 B，将分别用于制备密度较大的下层液体和密度较小的上层液体。</li>
		<li>原位之外 致密下层的制备。将容器内的组分 A:
		<ol>
			<li>加入 NaCl，使浓度达到每升水含 0.43 mol NaCl（约需每升水加入 25 g NaCl）；</li>
			<li>将0.33 g红色和蓝色水示踪染料加入下层容器中（例如，Cole-Parmer 00295-16 &amp;#38; -18);</li>
			<li>加入0.1 g L-1 荧光素钠 
			注意：下层现在将呈现不透明外观，密度约为 1012.9 ± 1.2 kg m-3.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>原位之外 制备轻质上层。将容器内的组分 B:
		<ol>
			<li>加入 MnCl2 盐以达到 0.06 mol MnCl 的浓度2 每升水（约 12 g MnCl）2 每升水。 
			注意：上层将呈透明状，密度约为 998.2 ± 0.5 kg m-3.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>为了改变流体层的黏度，加入甘油 C3H8O3 以等量加入各层，直至达到所需黏度。典型的黏度范围为 1.00 × 10-3 - 21.00 × 10-3 帕·秒。每一层的黏度相同。 
		注意：混合物可安全地分别存放在各自的容器中，直至需要时使用。</li>
		<li>原位之外 密度梯度制备
		<ol>
			<li>加入容器中内容物的300 mL A 至圆柱形内罐（见 图 2).</li>
			<li>将浮力船的海绵浸入容器中的液体 B. 
			注意：在步骤（2.1.6.2）之后，操作具有时间敏感性，因此在磁体以及照明、记录和机械装置全部准备就绪之前，不得进行任何后续步骤。</li>
			<li>将浮力船从容器中取出 B 当其停止滴液后，小心地将漂浮舟放置于内层圆柱形罐中浓密液体的液面上。</li>
			<li>开始从容器中加入轻层液体 B 以3 mL/min的流速向浮选舟中注入液体。随着浮选舟逐渐从两层液体界面处上浮，逐步提高流速。流速应保持足够缓慢，以避免流体动量增加扰动界面，但又需足够快，使整个过程不超过20分钟。持续加液，直至上层液体体积达到320 mL。 
			注意：下层深度约为 33 mm，上层深度约为 39 mm。</li>
			<li>小心地将亚克力盖板放入上层液体中，使各层液体的深度相等。让液体和空气通过排气孔流动，确保盖板下方无气泡滞留。观察到盖板上方有一层约6 mm厚的透明浅色液体层。 
			注意：如果过程成功，将出现两层深度相等的液体，且两层之间具有清晰的界面。此时，界面处扩散层的厚度将小于2 mm。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将外层水箱注入清澈的蒸馏水，水位高度需高出内层水箱亚克力盖板6 mm。正对观察时，内层圆柱形水箱不会因曲率产生视差。 
		注意：由于此时各层中的液体正在持续穿过界面扩散，需立即进行以下步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>分层的自旋上升
	<ol>
		<li>将实验用鱼缸放置在平台上。</li>
		<li>将装置放置到位，使铜圆柱体位于磁体的内孔中，驱动轴穿过轨道上的钥匙孔形开口，并将固定销置于正确位置。确保储液罐远离磁体（60 cm），使得在此位置液体所受的磁力可忽略不计。 
		注意：携带装有分层液的实验容器时困难较少；行走时容器中产生的长波长、低振幅晃动会逐渐衰减，对上层液体浮置后形成的界面质量影响可忽略不计。</li>
		<li>打开电机，以 0.002 rad s 的速率增加旋转速度-2，将流体加速至目标转速。对于本实验中的转速， 16 自旋上升时间约为20分钟至60分钟。 
		注意：所使用的最快旋转速率为 13.2 rad s-1.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 实验执行
<ol>
	<li>确保磁体指示的磁场强度为 1.2 T，并且在不稳定性启动的高度处，磁场梯度为 (grad B2)/2 = -14.3 T2 m-1，其中 B 为磁感应强度。</li>
	<li>调整摄像机位置，使得驱动轴处于最低位置时，实验的侧视图清晰对焦，或通过置于实验装置上方的镜子获得清晰对焦的俯视图。</li>
	<li>确保环境光照处于适当水平，使摄像机捕获的图像无任何区域饱和，同时充分利用整个响应范围（灰度强度范围为 0–255）。</li>
	<li>开始视频录制（240 fps）。使用遥控器操作录制功能，以避免操作时移动摄像机。</li>
	<li>拔出固定销钉，使容器在旋转的同时下降进入磁场。</li>
</ol>
4. 重置实验
<ol>
	<li>重置实验装置
	<ol>
		<li>使用遥控器停止视频录制。</li>
		<li>将视频文件保存至磁盘。</li>
		<li>手动逐步降低电机电压，使其缓慢停止，以防止液体溅出。</li>
		<li>从磁体上取下实验装置。</li>
		<li>妥善处理混合的液体层（参见四水氯化锰的材料安全数据表）。</li>
		<li>用水冲洗容器，直至所有盐类残留物被彻底清除（无需使用蒸馏水）。避免皮肤直接接触液体。</li>
		<li>用纸巾小心擦干容器，确保无任何残留物，以免污染后续实验。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 图像处理
<ol>
	<li>从每个视频帧中提取单个图像，并以无损 .png 格式保存。遮蔽每个帧中的任何不需要区域，例如平台或铜圆柱体。</li>
	<li>使用离散快速傅里叶变换，计算在不稳定性启动后 2 秒内每个图像帧的二维自相关函数16。记录实验旋转速率和流体层黏度条件下观测到的波长的最小值、平均值和最大值。</li>
</ol>

<ol><li>Lewis, D. J. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/98515?seq=1#page_scan_tab_contents">The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II.</a> Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).</li>
<li>Read, K. I. <a target="_blank" href="https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:24064105">Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability.</a> Physica D. 12, 45-58 (1984).</li>
<li>Dimonte, G., Schneider, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Turbulent+Rayleigh-Taylor+instability+experiments+with+variable+acceleration%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Turbulent Rayleigh-Taylor instability experiments with variable acceleration.</a> Phys. Rev. E. 54, 3740-3743 (1996).</li>
<li>Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/222484421_Rayleigh-Taylor_instability_experiments_with_image_analysis">Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis.</a> Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).</li>
<li>Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/237134510_Rayleigh-Taylor_instability_in_complex_stratifications">Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications.</a> J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).</li>
<li>Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231972595_Molecular_mixing_in_Rayleigh-Taylor_instability">Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability.</a> J. Fluid Mech. , 97-124 (1994).</li>
<li>Lord Rayleigh, <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1112/plms/s1-14.1.170/full">Investigation of the Character of the Equilibrium of an Incompressible Heavy Fluid of Variable Density.</a> Proc. Lon. Math. Soc. 14, 170-177 (1883).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/201/1065/192">The instability of fluid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I.</a> Proc. Roy. Soc., A. 201, 192-196 (1950).</li>
<li>Limat, L., Jenffer, P., Dagens, B., Touron, E., Fermigier, M., Wesfreid, J. E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/016727899290160O">Gravitational instabilities of thin liquid layers: dynamics of pattern selection.</a> Physica D. 61, 166-182 (1992).</li>
<li>Gelfand, J. D., Slane, P. O., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/703/2/2051/meta">A Dynamical Model for the Evolution of a Pulsar Wind Nebula Inside a Nonradiative Supernova Remnant.</a> Astrophys. J. 703, 2051-2067 (2009).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/94126?seq=1#page_scan_tab_contents">Experiments on the Motion of Solid Bodies in Rotating Fluids.</a> Proc. Roy. Soc., A. 104, 213-218 (1923).</li>
<li>Proudman, J. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/92/642/408">On the Motion of Solids in a Liquid Possessing Vorticity.</a> Proc. Roy. Soc., A. 92, 408-424 (1916).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/93/648/99">Motion of Solids in Fluids when the Flow is not lrrotational.</a> Proc. Roy. Soc., A. 93, 99-113 (1917).</li>
<li>Carlès, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh-Taylor+Instability+for+Immiscible+Fluids+of+Arbitrary+Viscosities%3A+A+Magnetic+Levitation+Investigation+and+Theoretical+Model%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model.</a> Phys. Rev. Lett. 96, 104501(2006).</li>
<li>Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carlès, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh-Taylor+Instability+Experiments+with+Precise+and+Arbitrary+Control+of+the+Initial+Interface+Shape%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 204502(2007).</li>
<li>Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Inhibition+of+the+Rayleigh-Taylor+Instability+by+Rotation%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation.</a> Sci. Rep. 5, 11706(2015).</li>
<li>Rossby, H. T. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231879355_A_Study_of_Benard_Convection_With_and_Without_Rotation">A study of Bénard convection with and without rotation.</a> J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

该方案中有两个关键步骤。第一个是步骤 2.1.6.4：若将轻质层过快地加在重质层之上，则会导致两种可混溶流体层发生不可逆的混合。必须避免这种情况，确保两层之间形成清晰的界面（&#60;2 mm）。第二个关键步骤是步骤 3.1.5：若实验开始时，样品尚未完全达到刚体旋转状态，或可视化与图像采集装置未就位并处于待机状态，则需重复步骤 2.1.6 的操作。
在开始进行分层之前（2.1.6），可预先验证液体层的组成、磁场强度以及电机性能。因此，大多数实际操作中的困难均可在启动具体实验前得以解决。然而，我们发现样品进入磁场时的下降速度存在微小但不理想的变化。通常情况下，转速较快的实验样品进入磁场的速度略慢于转速较慢的实验样品。尽管我们尝试通过润滑滑动轴承来降低下降速度的变异性，但并未奏效，可能需要对滑动轴承进行改造。我们发现，在平台上放置一个微小的（非磁性）重物后，所有实验均可实现一致的下降速度，达到 10 ± 1 mm s-1。
该装置的主要局限性在于磁场无法瞬时施加；超导磁体需要1-2小时才能完成励磁。理想情况...

由两层流体组成的密度分层系统在重力场中可呈现稳定或不稳定两种构型。若密度较大的重层位于密度较小的轻层之下，则系统处于稳定状态：界面扰动是稳定的，重力会将其恢复，且界面可支持波的传播。若重层位于轻层之上，则系统不稳定，界面扰动将不断增长。这种基本的流体不稳定性称为瑞利-泰勒不稳定性7,8。在非旋转系统中，若系统朝向较重流体层加速，同样可观察到完全相同的不稳定性。由于该不稳定性具有基本性质，因此在尺度差异极大的多种流动中均可观察到：从小尺度的薄膜现象9到天体物理尺度的结构，例如在蟹状星云中观测到的指状结构10，这些结构由脉冲星风穿过较密的超新星遗迹时加速形成。一旦界面上建立了初始的不稳定密度差，如何控制或影响瑞利-泰勒不稳定性仍是一个开放性问题。一种可能的途径是考虑系统的整体旋转。本实验的目的在于研究旋转对系统的影响，以及这是否可能成为实现稳定化的一条途径。
我们考虑一个流体系统，该系统由两层在重力作用下具有引力不稳定分层的流体组成，且系统绕平行于重力方向的轴进行稳定旋转。对这种不稳定的两层密度分层施加扰动，会在界面处引发斜压性的涡量生成，即发生翻转，倾向于破坏任何垂直结构。然而，已知旋转流体会自发组织成沿旋转轴对齐的相干垂直结构，即所谓的“泰勒柱”11。因此，所研究的系统中存在两种效应的竞争：一方面，旋转具有稳定作用，促使流动形成垂直结构并阻止两层流体发生翻转；另一方面，较重流体位于较轻流体之上的构型具有不稳定作用，会在界面处引发翻转运动。随着旋转速率的增加，流体层为重新排列成更稳定构型而进行的相反方向径向运动，会越来越受到泰勒-普劳德曼定理12,13的抑制：径向运动被削弱，随着不稳定性的发展，所观测到的结构尺度也更小。图1定性地展示了旋转对不稳定性发展过程中形成的涡旋的影响。左侧图像中无旋转，流动近似于经典的非旋转瑞利-泰勒不稳定性；右侧图像中除系统绕与水箱中心对齐的垂直轴旋转外，其余实验参数均与左侧相同。可以看出，旋转的作用是减小所形成涡旋的尺度，进而导致不稳定性的发展比非旋转情况更缓慢。
可将改变流体中应力张量的磁效应视为以类似于修正引力场的方式作用。因此，我们能够创建一种在重力上稳定的分层结构，并使其进入刚体旋转状态。通过施加梯度磁场所产生的磁体力，可模拟改变引力场的效果。这使得界面变得不稳定，从而使流体系统在良好的近似下表现为旋转条件下的经典瑞利-泰勒不稳定性。此前已有研究在二维条件下尝试过该方法，但未引入旋转14,15。对于施加的梯度磁场，若其感应磁感应强度为 B，则作用于磁体积磁化率 χ 恒定的流体上的体力由公式 f = grad(χB2/µ0) 给出，其中 B = |B|，µ0 = 4π × 10-7 N A-2 为真空磁导率。因此，我们可以认为磁体能够调节每一层流体的有效重量，密度为 ρ 的流体在强度为 g 的重力场中，其单位体积有效重量为 ρg - χ (∂B2/∂z)/(2 µ0)。

<table><tbody><tr><td>蓝色水示踪染料</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>红色水示踪染料</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>氯化钠</td><td></td><td></td><td>&gt;99% 纯度</td></tr><tr><td>四水合氯化锰</td><td></td><td></td><td>参见材料安全数据表（MSDS）</td></tr><tr><td>荧光素钠盐&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>磁铁</td><td>Cryogenic Ltd. London</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

磁力诱导旋转瑞利-泰勒不稳定性

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

研究瑞利-泰勒不稳定的经典方法包括使用压缩气体1、火箭推进2或直线电动机3来反转有效重力方向，使较轻的流体向较重的流体加速。其他研究者例如 4,5,6则采用屏障将重力不稳定分层流体隔开，随后移除屏障以启动流动。然而，在旋转分层的情况下，抛物面形初始界面在实验上带来了显著的技术困难。我们希望首先将分层流体加速至刚体旋转状态，然后再启动流动，以研究旋转对瑞利-泰勒不稳定的影响。我们采用的方法是利用超导磁体的磁场调控两种液体的有效重量，从而触发流动。我们使用标准浮力技术构建重力稳定的双层分层结构，其中上层液体密度低于下层液体，因此系统在瑞利-泰勒意义上是稳定的。随后将该分层结构加速旋转，直至两层均达到刚体旋转状态，并形成抛物面形界面。本实验所用流体的磁化率较低，|χ| ~ 10-6 - 10-5，与铁磁流体相比磁响应较弱。磁场的主要作用是对每一层施加体积力，从而改变其有效重量。上层液体呈弱顺磁性，而下层液体呈弱抗磁性。当施加磁场时，下层液体被磁体排斥，而上层液体则被吸引朝向磁体。通过施加高梯度磁场，可实现瑞利-泰勒不稳定。我们进一步观察到，增加各层流体的动力粘度会增大不稳定性的特征长度尺度。

图4展示了两种流体界面处瑞利-泰勒不稳定性在四种不同旋转速率下的发展情况：Ω = 1.89 rad s-1（第一行）、Ω = 3.32 rad s-1、Ω = 4.68 rad s-1 和 Ω = 8.74 rad s-1（最后一行）。界面随时间的演化过程从 t = 0 s（左列）开始，以 0.5 s 为间隔，直至 t = 3.0 s（右列）。因此，右列分别对应从上到下各行为 0.90、1.59、2.23 和 4.17 个完整的旋转周期。
在早期（t ~ 0.5–1.0 s）可以观察到界面出现扰动，表现出一个主导的长度尺度。可观察到类似蛇形对流滚筒的结构17。尽管水箱中心区域最先失稳，但并未明显从水箱中心开始；近似而言，失稳是在整个水箱范围内同时发生...

我们介绍一种制备双层密度分层液体的方案，该液体可被加速至刚体旋转状态，随后通过施加梯度磁场诱导产生瑞利-泰勒不稳定性。

研究瑞利-泰勒不稳定的经典技术包括利用压缩气体1、火箭推进2或直线电动机3来实现……

本实验的总体目标是观察旋转对一个重力不稳定的系统所产生的影响，该系统由位于较轻流体之上的较重流体构成。该方法有助于回答流体力学中的关键问题，例如旋转的稳定效应如何与重力的失稳效应相互竞争和相互作用。该技术的主要特点是能够构建一个稳定的旋转双层流体系统，然后利用磁铁调节各层的有效重量，从而触发不稳定性。这是实验所用的装置。主要可见部件包括用于实验水箱的旋转平台、支撑水箱的铜制圆柱体，以及一个室温孔径的超导磁体。该圆柱体伸入磁体的孔径中，并处于1.8特斯拉的磁场内。该示意图提供了结构的更多细节。平台的旋转由一个偏心电机驱动，该电机带动带有钥匙孔形孔口的滑动轴承。铜制圆筒连接在钥匙形状的驱动轴上，当固定销被移除后，铜制圆筒在自身重力作用下下落。完整的装置包括照明系统和可远程控制的相机，用于采集图像。将培养皿放置在平台上的指定位置后，将驱动轴移至最低位置。确保视频相机能够清晰对焦并适当照明，以获得实验的清晰视野。为准备实验，将平台和铜柱升至最高位置，并用固定销锁紧铜柱。在其他部件均已就位的情况下，取下储液罐以备实验使用。在实验台处，开始准备水箱所需的液体。对于密度较大的下层液体，先取250毫升室温蒸馏水，并向其中加入约6.25克氯化钠。上层低密度液体的组分包括325毫升室温蒸馏水，以及氯化锰和红色、蓝色水溶性示踪染料。加入少量荧光素钠以完成制备。两种液体现已准备就绪，可用于实验。分层的液体将被置于一个透明的圆柱形容器中，容器配有可嵌入的有机玻璃盖。盖子上有通气孔，可让液体和空气通过。除了容器和液体外，还需准备一个可随时使用的浮力船。浮力船由海绵基座和聚苯乙烯侧壁组成。其内部底部应铺上坚固的吸水纸。该小船应能够轻松放入实验水箱中，且不接触水箱侧壁。只有在准备好进行实验时，方可继续后续步骤。首先加入高密度流体，并开始将其注入容器中。当加入量达到 300 毫升时停止。接着，准备一个装有夹子和管路的高位储液罐，用于低密度流体。储液罐的容量应至少为350毫升，且夹具应能够控制液体流动。首先将低密度液体加入储液罐中，然后将储液罐安装在实验槽上方，以便在高密度液体表面附近释放液体。将浮选船置于高密度液体表面。调节高位储液罐上的夹子，使低密度液体流入浮选船，流速约为每分钟3毫升。随着时间推移，低密度液体通过海绵扩散，在高密度液体上方形成一层轻液层。当船只逐渐离开界面时，逐步增加流速。持续注水，直至高位水箱排空。待液体完全虹吸后，缓慢移除浮船以尽量减少滴漏，并取来实验水箱的盖子。盖上盖子，开始将其缓慢放入上层液体中。当两层液体的深度相等且无气泡夹带时，停止操作。若操作成功，则会形成两层深度相同的液体，其间具有清晰的界面。在亚克力盖子上方还会有一层低密度液体。请迅速进行实验，并小心地将水箱移至装置处。将实验水箱放置在平台上，同时使其远离磁铁。打开电机，通过逐渐增加电源电压缓慢提升转速，直至达到所需转速。达到所需转速后，开始视频记录，并准备就绪以移除固定销。准备就绪后，移除固定销，使容器下降进入磁场。这些图像是四种不同转速下流体界面的快照。每一列对应不同的时间点，时间间隔为0.5秒。在早期阶段，例如1秒时刻，每种转速下的界面均出现扰动，且具有主导的特征长度尺度。随着转速增加，蛇形结构的宽度减小。这些图像来自一系列流体黏度不同但转速固定的实验。每一列对应不同的时间点。不稳定性所表现出的特征长度尺度随着黏度从较低值增加到较高值而增大。通过将主导波长随旋转速率的变化关系绘制成图，可观察到不稳定性尺度的下限。对于黏度与水相近的流体层，当旋转速率高于约每秒四弧度时，该下限约为六毫米。一旦掌握，若操作得当，该技术可在一小时内完成。

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磁感应旋转瑞利 - 泰勒不稳定性

磁共振成像（MRI）为评估工艺设备在运行过程中的有效性提供了强有力的工具。我们讨论了利用磁共振成像对静态混合器中的混合过程进行可视化的方法。该技术适用于个人护理产品领域，也可广泛应用于食品、化学品、生物质及生物流体等多种体系。...

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基于视觉的规则基底中颗粒起动的表征：从层流到湍流条件

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本文介绍了一种实验方法，用于分离旋转通道全场传热分布中相互耦合的科里奥利力与旋转浮力效应。...

解耦科里奥利力与旋转浮力对旋转通道全场传热特性的影响

光子能带结构能够帮助理解受限电磁模式在光子晶体中的传播方式。在包含磁性元素的光子晶体中，这些受限且共振的光学模式伴随着增强和改变的磁光效应。我们描述了一种通过傅里叶空间显微术提取磁光能带结构的测量方法。...

光子纳米结构的光谱与角度分辨磁光表征

提出了一种快速且可靠的控制单个被捕获声学气泡形状振荡的技术，该技术基于两个气泡之间的聚并方法。这种稳态、对称性可控的气泡形状振荡可用于分析气泡界面附近产生的流体流动。...

声悬浮系统中非球形气泡振荡诱导的微流现象

了解磁感应旋转瑞利-泰勒不稳定性的实验方法，用于研究旋转对重力不稳定双层流体系统的影响。该方法利用梯度磁场诱导不稳定性，帮助分析旋转稳定效应与重力失稳效应之间的竞争关系，为流体力学研究提供可控实验手段。

磁力诱导旋转瑞利-泰勒不稳定性

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