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

本方案展示了使用自由下落球体进行水注入实验的方法。讨论了液体表面与穿透织物的交替变化、新生球体中化学物质的制备、飞溅过程的可视化以及数据提取。这些技术为深入研究固体物体与流体之间界面相互作用的基本流体动力学提供了见解。

演示该实验步骤的是来自阿尔伯塔省的本科生 Joshua Bom 和 Jeremy Stephen。在整个操作过程中佩戴工业级腈类手套，以避免皮肤油脂污染水样和撞击器。首先，用自来水和洗涤剂彻底清洗透明水箱。

然后用 32 升自来水将其装满。用 99% 异丙醇清洁两把公制直尺，并静置干燥一分钟。将其中一把直尺固定在水箱前方，使其底端刚好接触水面。

将第二把尺子垂直固定在水下。然后在水箱上方固定一个带铰链的平台，使该平台与水面上方的尺子相对于水箱前部处于相同的深度平面。调节平台至所需的最大下落高度，然后将多个LED灯连接到可调节臂上，并将灯置于水箱上方前方，以充分照亮平台下方的飞溅区域。

在水箱后方设置黑色背景屏，以帮助观察飞溅和空腔现象。将一块清洁无油的减震材料（如闭孔海绵）放置在水箱底部，并用清洁的重物固定。接着，安装一台高速摄像机，使其正对水箱，与液面齐平。

如有需要，将触发开关连接到相机。将相机连接到计算机，并将相机设置为至少每秒 1,000 帧的帧率。选择所需的分辨率，并将快门速度设置为每帧一秒。

如适用，将触发模式设置为“结束”。接着，使用99%异丙醇清洁小铲子和聚氧化甲醇小球，以去除皮肤油脂及其他污染物。让小球和铲子静置干燥一分钟。

进行预实验，并调整相机位置、焦距和分辨率，以获得飞溅事件的最佳可视化效果。然后用勺子捞出小球，并用异丙醇清洗小球和勺子。准备就绪后，开始实验并拍摄水箱。

将铰链平台抬起并放置到位，在平台上放置一个干净干燥的球体。松开平台底座，使球体落入水箱中。然后停止拍摄，保存视频文件，并剪辑视频，仅显示溅落过程。

准备进行下一个测试时，用勺子取出小球。用异丙醇清洗小球，并静置干燥一分钟后再重复测试。实验结束后，排空水箱并使其干燥。

为准备测试用的可穿透织物，将所需的织物裁剪成方形或圆形的片层，并使用游标卡尺测量干燥织物的压缩厚度。设置实验时，在水箱上方安装第二台高速摄像机，以提供球体撞击织物过程的俯视视角。使用BNC电缆将水平放置的摄像机输出端连接至上方摄像机的输入端口。

将触发开关连接到水平摄像机。然后使用以太网电缆将两台摄像机连接到连接摄像机计算机的离线路由器。像平常一样对两台摄像机进行对焦和配置。

准备进行实验时，将干燥的织物轻轻放置在水箱中液体的表面。确保织物在试验开始前不会下沉。使用干净且无油的刮勺将织物置于铰接平台下方。

在设置碰撞之前，使用触发开关同时启动两台摄像机对飞溅区域进行拍摄。碰撞后立即移除织物。如果织物在撞击时发生破碎且碎片无法手动收集，则每次试验后需清空并清洁水箱，以确保所有织物残片被彻底清除。

开始制备化学疏水性微球时，将聚氧化物薄荷醇微球装入丙烯酸支架中。在此方案中，对微球进行表面包被的定位是最困难的步骤。微球的定位通过带有孔洞的层状丙烯酸涂层板来控制，孔洞直径略大于微球。

从约15至30厘米的距离处，将疏水性底漆喷涂于球体表面，注意不要润湿球体表面。接着，从约15至30厘米的距离处喷涂疏水性面漆，避免润湿表面，并静置干燥一到两分钟。以相同方式再施加两到三层面涂层。

轻度使用时，让球体干燥30分钟；完全使用时，干燥约12小时。进行冲击测试时，每次试验后应让球体完全干燥，而不是用异丙醇冲洗。疏水涂层在约20次试验后会降解。

要重复使用此球体，需用99%异丙醇去除涂层，并按照之前所述方法重新涂覆底漆和面漆。开始分析时，将溅落事件的高速视频导入视频分析软件中。使用标定工具，根据尺子可见区域的长度设定以厘米为单位的标定值。

前进视频以找到一个合适的画面，显示液滴飞溅冠的上升过程及空气截留现象。测量飞溅冠的高度、空腔的宽度和深度。使用角度测量工具确定分离角度。

继续播放视频，找到一个能够清晰显示沃辛顿喷射流（Worthington Jet）形成的合适画面，测量沃辛顿喷射流的高度。最后，使用自动追踪功能提取撞击体随时间变化的位置和速度数据。如果自动追踪中断，请切换至手动追踪，直至自动追踪恢复。

此处采用该方法评估织物对垂直冲击飞溅高度的影响。单层织物的飞溅高度较无织物时有所增加，而双层织物的飞溅高度与无织物时大致相当。

使用三层和四层织物时，飞溅现象显著减弱。当球体撞击单层织物时，在不同韦伯数下，空腔深度、溅射地面高度和空腔宽度的变化均较小。通过追踪球体在水下的垂直位置，可以观察到每增加一层织物，水下速度的减小程度更为明显。

研究人员在实验过程中必须密切关注无菌实验条件的维持，以获得一致且有效的结果。该技术并不局限于本文所列材料，也可使用具有类似功能和性能的材料进行。通过引入一个较高的储液装置（如注射器），该方法可升级用于研究液滴对固体或液体表面垂直冲击效应的实验。

该方案还可进行更大规模的实施，以实现更高的冲击速度和更宽的无量纲参数范围，这对于海军和工业应用均具有重要意义。