Method Article

Magnetisch Induzierte Rotating Rayleigh-Taylor-Instabilität

DOI:

10.3791/55088

March 3rd, 2017

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir präsentieren ein Protokoll zur Herstellung einer zweilagigen dichtegeschichteten Flüssigkeit, die in Festkörperrotation hochgeschleudert und anschließend durch Anlegen eines Gradientenmagnetfeldes in die Rayleigh-Taylor-Instabilität induziert werden kann.

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Klassische Techniken zur Untersuchung der Rayleigh-Taylor - Instabilität umfassen die Verwendung von komprimierten Gasen 1, rocketry 2 oder elektrische Linearmotoren 3 die Wirkrichtung der Schwerkraft umkehren, und beschleunigen die leichtere Flüssigkeit in Richtung des dichteren Flüssigkeit. Andere Autoren zB 4, 5, 6 haben eine gravitations instabile Schichtung mit einer Barriere getrennt , die entfernt wird , um die Strömung zu veranlassen . Jedoch erlegt die parabolische Ausgangsschnittstelle in dem Fall eines rotierenden Schichtung erhebliche technische Schwierigkeiten experimentell. Wir möchten, dass die Schichtung in Festkörperrotation Spin-up und nur dann initiieren den Fluss, um die Auswirkungen der Rotation auf die Rayleigh-Taylor-Instabilität zu untersuchen. Der Ansatz, den wir angenommen haben, hier ist das Magnetfeld zu verwenden voneinen supraleitenden Magneten das effektive Gewicht der beiden Flüssigkeiten zu manipulieren, um die Strömung zu veranlassen. Wir schaffen eine gravitativ stabile Zweischicht Schichtung unter Verwendung von Standard Flotationstechniken. Die obere Schicht ist weniger dicht als die untere Schicht und so das System Rayleigh-Taylor stabil. Diese Schichtung wird dann versponnen-up, bis beide Schichten in der Festkörperrotation und eine parabolische Schnittstelle sind beobachtet. Diese Experimente verwenden Flüssigkeiten mit niedriger magnetischer Suszeptibilität | χ | ~ 10 -6 - 10 -5 Vergleich zu einem Ferrofluiden. Die dominierende Wirkung des Magnetfeldes wendet eine Körperkraft auf jede Schicht das effektive Gewicht zu verändern. Die obere Schicht wird schwach para- während die untere Schicht schwach diamagnetisch ist. Wenn das Magnetfeld angelegt wird, wird die untere Schicht von dem Magneten abgestoßen, während die obere Schicht gegenüber dem Magneten angezogen wird. Eine Rayleigh-Taylor-Instabilität wird unter Anlegen eines hohen Gradientenmagnetfeld erzielt. Wir beobachteten ferner, dass incReasing die dynamische Viskosität der Flüssigkeit in jeder Schicht zunimmt, der Instabilität der Längenskala.

Introduction

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Eine Dichte geschichtete Flüssigkeitssystem aus zwei Schichten besteht, kann entweder in einem stabilen oder instabilen Konfiguration in einem Gravitationsfeld angeordnet werden. Wenn die dichte Schwerschicht liegt unter der weniger dichten, leichten Schicht dann ist das System stabil: Perturbationen auf die Schnittstelle stabil sind, wiederhergestellt durch die Schwerkraft, und die Wellen können an der Grenzfläche unterstützt werden. Wenn die Schwerschicht die Lichtschicht überlagert, dann ist das System instabil und Störungen an der Grenzfläche wachsen. Diese grundlegende Flüssigkeit Instabilität ist die Rayleigh-Taylor - Instabilität 7....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

HINWEIS: Die Versuchsapparatur ist schematisch in Fig. 2. Der Hauptteil der Vorrichtung besteht aus einer rotierenden Plattform (300 mm × 300 mm) auf einem Kupferzylinder montiert (55 mm Durchmesser), die in dem starken Magnetfeld eines supraleitenden Magneten (1,8 T) mit einem Raum unter ihrem Eigengewicht herab Temperatur vertikale Bohrung. Die Plattform wird über eine außeraxiale Motor zu drehen, die eine rutsch Lager mit einer keyhole Öffnung dreht. Der Kupferzylinder ist mit einem schlüsselförmige Antriebswelle befestigt, die gleichzeitig dreht, und senkt sich, wenn der Haltestift entfernt wird.

1. Herstellung von Nich....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Feige. 4 zeigt die Entwicklung der Rayleigh-Taylor - Instabilität an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten, für vier verschiedene Drehraten: Ω = 1,89 rad s -1 (obere Reihe), Ω = 3,32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1 und Ω = 8,74 rad s -1 (untere Reihe). Die Schnittstelle entwickelt sich von t = 0 s (linke Spalte) mit Schritten von 0,5 s in der Zeit gezeigt , bis t = 3,0 s (rechte Spalte). Die rechte Spalte stel.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Es gibt zwei wichtige Schritte innerhalb des Protokolls. Die erste ist, 2.1.6.4. Wenn die Lichtschicht zu schnell schwimmt auf der dichten Schicht dann irreversible Vermischung der beiden mischbare Fluidschichten stattfindet. Es ist wesentlich, daß dies vermieden wird, und daß eine scharfe (<2 mm) Grenzfläche zwischen den beiden Schichten erreicht wird. Der zweite entscheidende Schritt ist 3.1.5. Wenn das Experiment in Richtung des Magneten freigegeben wird, ohne vollständig gesponnen-up in Festkörperrotation oder oh.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

RJAH bedankt sich für die Unterstützung durch das EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS dankt für die Finanzierung durch EPSRC unter der Fördernummer EP/K5035-4X/1.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Blauer WasserfleckCole-Parmer00295-18
Roter WasserfleckenfarbstoffCole-Parmer00295-16
Natriumchlorid>99% Reinheit
Manganchlorid-TetrahydratSiehe Sicherheitsdatenblatt
Fluorescein-Natriumsalz
MagnetCryogenic Ltd., London

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lewis, D. J. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II. Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).
  2. Read, K. I. Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability. Physica D. 12, 45-58 (1984).
  3. Dimonte, G., Schneider, M.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Rayleigh Taylor InstabilityMagnetic Field ManipulationRotating Fluid SystemSuperconducting Magnet ApplicationFluid Stratification TechniqueViscosity Effect AnalysisInterface Instability MeasurementDensity Layer SeparationExperimental Apparatus SetupFluid Dynamics Research

Related Articles