Methodenartikel

Auswirkungen der frei fallende Kugeln auf ein tief flüssigen Pool mit veränderten Flüssigkeit und Impaktor Oberflächenbedingungen

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DOI:

10.3791/59300

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17. Februar 2019

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll zeigt die experimentelle Grundkonfiguration für Wasser Eintrag Experimente mit frei fallende Kugeln. Methoden für die Veränderung der flüssigen Oberfläche mit durchlässigen Stoffen, die Vorbereitung der chemisch nichtnetzende Sphären und Schritte für die Splash-Visualisierung und Daten-Extraktion werden diskutiert.

Zusammenfassung

Vertikale Auswirkungen der Kugeln auf sauberes Wasser wurden zahlreiche Wasser Eintrag untersucht Charakterisierung Bildung, splash Krone Aufstieg und Worthington jet-Stabilität. Hier schaffen wir experimentelle Protokolle für die Prüfung Splash Dynamik, wenn glatt fallendes der unterschiedlichen Benetzbarkeit, Masse und Durchmesser Auswirkungen die freie Oberfläche eines tief flüssigen Pools durch dünne Stoffe durchlässig und flüssige Tenside geändert Sphären. Wasser-Eintrag Untersuchungen liefern zugänglich, leicht montiert und ausgeführten Experimente zur Untersuchung komplexer Strömungsmechanik. Wir präsentieren hier einen abstimmbaren Protokoll zur Charakterisierung von Splash Höhe, Strömung Trennung Metriken und Impaktor Kinematik und repräsentative Ergebnisse die erworben werden können, wenn unser Ansatz zu reproduzieren. Die Methoden sind anwendbar, wenn charakteristische Splash Dimensionen unter ca. 0,5 m bleiben. Dieses Protokoll kann jedoch für größere Höhen der Impaktor-Release und Aufprallgeschwindigkeiten, die ein gutes Omen für die Übersetzung Ergebnisse zu Marine und Industrieanwendungen.

Einleitung

Die Charakterisierung der Splash Dynamik durch vertikale Auswirkungen von festen Körpern auf einer tief flüssigen Pool1 gilt für Militär, Marine und industrielle Anwendungen wie ballistische Flugkörper Eintrag und Meer Wasseroberfläche landen2, 3,4,5. Die erste der Wassereintritt Studien wurden auch vor mehr als einem Jahrhundert6,7. Hier schaffen wir klare detaillierte Protokolle und best Practices für konsistente Ergebnisse für Wasser Eintrag Untersuchungen zu erreichen. Um gültige experimentelles Design zu erleichtern, wird ein Verfahren vorgestellt, für die Wartung der sanitären Bedingungen, Änderung der Grenzflächen Bedingungen, Kontrolle der dimensionslose Parameter, chemische Modifikation der Impaktor Oberfläche und Visualisierung von Splash Kinematik.

Vertikale Auswirkungen der freifallenden hydrophilen Kugeln auf der ruhenden Flüssigkeit zeigen keine Lufteinschlüsse bei niedrigen Geschwindigkeiten8. Wir finden, dass die Platzierung der dünne durchlässig Stoffe auf der flüssigen Oberfläche Bildung durch erzwungene Strömung Trennung1verursacht. Eine magere Menge Stoff auf der Oberfläche verstärkt über einen Zahlenbereich moderate Weber plantschen, während ausreichend Schichtung dämpft plantschen Sphären zu überwinden bei Fluid Eintrag1ziehen. In diesem Artikel erklären wir Protokolle für die Festlegung der Auswirkungen der Materialstärke auf das Eindringen von Wasser von hydrophilen Bereiche geeignet.

Kavität bilden Spritzer aus hydrophoben Impaktoren zeigen den Aufstieg einer gut entwickelten Splash-Krone, gefolgt von der Vorsprung des primären Jet hoch über der Oberfläche im Vergleich zu ihrem Wasser-Geschmack Gegenstücke8. Hier stellen wir einen Ansatz zur Wasserabweisung durch chemisch verändern die Oberfläche des hydrophilen Sphären zu erreichen.

Mit dem Aufkommen von High-Speed-Kameras Splash Visualisierung und Charakterisierung erreichbarer geworden. Trotzdem rufen etablierte Standards im Bereich für die Verwendung einer einzigen Kamera orthogonal zu der primären Achse des Reisens. Wir zeigen, dass die Verwendung einer zusätzlichen High-Speed-Kamera für obenliegende Ansichten zu zusprechen, dass Kugeln schlagen die vorgesehene Stelle notwendig ist.

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Protokoll

1. konfigurieren das Experiment für vertikale Auswirkungen

  1. Füllen Sie einen transparente Wassertank Abmessungen ca. 60 cm x 30 cm x 36 cm (Länge x Gewicht x Tiefe) mit 32 L Wasser und montieren einen Messgerät Herrscher ("visuelle Skala") vertikal im Inneren des Behälters so, dass die Basis oben auf der Flüssigkeit sitzt, wie in Figur 1azu sehen.
    Hinweis: Tiefe und Breite des Behälters müssen größer als 20-Mal den Durchmesser der größten Kugeln in das Experiment verwendet, um sicherzustellen, dass Wandeffekte vernachlässigbar9sein. Eintrag schneller als die hier werden beschrieben bedürfen eingehender Tank. Die visuelle Skala zur Bestimmung der Fallhöhen und Kalibrierung von tracking-Software ist in Abschnitt 7 erläutert.
  2. Legen Sie eine zusätzliche Anzeige Lineal unter Wasser, die Dimensionen vergrößern fungieren kann. Diese visuellen Skala dient zur Kalibrierung von tracking-Software für Unterwasser-Messungen.
  3. Konstruieren Sie eine aufklappbare Plattform ("Entriegelung"), die Sphären oberhalb der Flüssigkeit suspendiert und dreht sich nach unten, um größer als die Schwerkraft an der Impaktor Position loslassen, tangentialen Beschleunigung zu erreichen, wie in Figur 1azu sehen. Schnelle Rotation wird erreicht, indem das Zentrum des tragenden Bauteils mit elastischen Bändern die aufklappbare Plattform anschließen. Das Ergebnis ist eine nicht unterstützte und nicht rotierenden Impaktor.
    Hinweis: Die Plattform ist leicht mit 3D-Drucker hergestellt.
  4. Legen Sie für Auswirkungen Studien Daumen um klappbare Plattform basieren und drehen es 90° in eine horizontale Position für die Platzierung von Kugeln über der Flüssigkeit.
    Hinweis: Rücknahme wird ausgelöst, wenn Daumen von der Basis der Plattform freigegeben wird.
  5. Befestigen Sie den Entriegelungsmechanismus für ein Stativ, so, dass das Gerät auf verschiedene Höhen eingestellt werden kann.
  6. Ort der Retorte stehen neben den Tank so, dass der Auslösemechanismus in der gleichen Tiefenebene wie die visuelle Skala ist. Fügen Sie eine Gewicht auf der Basis der Retorte Stand wie notwendig, um den Sturz zu verhindern.
  7. Passen Sie die Auslöseeinrichtung in die maximale gewünschte experimentelle Fallhöhe. Dies ist notwendig für optimale Splash Visualisierung wie in Abschnitt 6 beschrieben und stellt sicher, dass die Spritzer Merkmale von Interesse sind immer im Rahmen der Kamera anzeigen.
  8. Legen Sie eine Multi-LED-Licht auf artikulierenden Arm so, dass das Licht über die Kamera, schaut auf den Spritzbereich angebracht wird. Umgebungslicht allein wird nicht ausreichen, um die Szene bei hohen Frameraten zu beleuchten benötigt, um Spritzer Kinematik zu extrahieren.
    Hinweis: Man kann nie zu viel Licht haben.
  9. Legen Sie einen schwarzen Bildschirm an der Rückseite der Wassertank zu spritzen und Hohlraum Visualisierung zu unterstützen, wie in Abbildung 2dargestellt.
  10. Legen Sie einen Glas Schutz Stoßdämpfer, wie z. B. einem geschlossenzelligen Schwamm am unteren Wassertank und Affix mit Gewichten, Oberflächenersatz zu verhindern.
    Hinweis: Die Höhe der Flüssigkeit im Tank sollte so sein, dass die Kugel nicht mit Stoßdämpfer vor Luft Hohlraum Pinch off10interagiert.

2. controlling dimensionslose Parameter

  1. Experimente mit glatten Kugeln mit verschiedenen Massen und Durchmessern. Dazu Polyoxymethylen (z.B. Delrin) Münze-Herstellung Kugeln funktionieren besonders gut und haben keine Form Teil Linie. Messen Sie Massen und Durchmesser mit einer Analysenwaage und Vernier Bremssattel bzw..
  2. Experimente in verschiedenen Höhen H Aufprallgeschwindigkeiten generieren figure-protocol-1 wo figure-protocol-2 m/s2 ist die Erdbeschleunigung. Messen Sie die Höhe mit der visuellen Skala innerhalb der Kamera.
    Hinweis: Verwenden Sie die Auto-Tracking -Funktion in der video-Analyse-Tool wie in Abschnitt 7 beschrieben Aufprallgeschwindigkeiten messen.
  3. Experimente mit flüssigen Mischungen aus Wasser und geeignete Tenside (z. B. Glycerin oder Seife), Oberflächenspannung zu ändern. Messen Sie Oberflächenspannung mit einer Oberfläche Tensiometer.
  4. Reynolds-Zahlen berechnen figure-protocol-3 und Weber Zahlen figure-protocol-4 , wo ρ ist die Dichte des Fluids, D ist der Kugeldurchmesser, μ ist die dynamische Viskosität der Flüssigkeit und σ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

3. Aufrechterhaltung sanitäre Versuchsbedingungen

  1. Experimente beim industriellen Nitril-Handschuhe tragen und Kugeln aus Wassertank mit einer bereinigten Kugel abrufen.
    Achtung: Haut produziert natürlich Öle können beeinflussen die Benetzbarkeit der Impaktoren und Makel Fluid Bedingungen.
  2. Reinigen Sie die Kugeln mit 99 % Isopropylalkohol und für 1 min zwischen Studien den Einfluss von Verunreinigungen auszuschließen trocknen lassen.
  3. Wenn Stoffe verwenden, die während des Aufpralls auseinander brechen, ersetzen Sie das Wasser in den Tank nach jedem Versuch Fetzen manuell eingezogen werden.
  4. Am Ende des Experiments den Tank entleeren und trocknen lassen.
  5. Reinigen Sie bevor ein Experiment den Tank mit Wasser, um eventuelle Verunreinigungen zu entfernen.

(4) überlagern die Oberfläche mit durchlässig Stoffe

  1. Trennen den Stoff in quadratische oder Runde lagen in Vorbereitung für Auswirkungen Trials. Verwenden Sie einem Vernier-Bremssattel, um komprimierte Dicke des Gewebes zu erhalten.
    Hinweis: Stoff Dicke ändert sich bei Nässe.
  2. Ruhen Sie sanft den trockenen Stoff auf der Oberfläche des flüssigen Pools. Sicherstellen Sie, dass die lagen nicht Abstieg vor Impaktor Release beginnen und Stoffe unmittelbar nach Kollision zu ersetzen.
  3. Verwenden Sie einen bereinigten Scoop, um das Gewebe unterhalb der klappbare Plattform zu positionieren, vor der Freigabe Sphären.
  4. (Optional) Führen Sie die folgenden Tests mit einem Stoffmuster für Materialcharakterisierung.
    1. Zugversuch mit einem dehnbaren Tester der Elastizitätsmodul der Probe bestimmen durchzuführen.
    2. Verwenden Sie ein digitales Mikroskop zu erhalten einen mikroskopischen Blick auf das Gewebe und Faserlänge mit einer imaging-Tool bestimmen.

5. Vorbereitung chemisch hydrophobe Sphären

  1. Spray die hydrophoben Base coat ca. 15 – 30 cm von der Kugeloberfläche. Einweichen der Oberfläche zu vermeiden. Vor dem Hinzufügen von zusätzliche Beschichtungen 1\u20122 min trocknen lassen. Zwei weitere Basis-Schichten auftragen. Lassen Sie es für 30 min Trocknen vor dem Auftragen der Deckschicht.
    Hinweis: Die Anzahl der zusätzlichen Fläche variieren basierend auf Empfehlungen vom Produkthersteller.
  2. Spray die hydrophoben Top coat ca. 15 – 30 cm von der Oberfläche. Einweichen der Oberfläche zu vermeiden. Für 1 – 2 min. vor dem Hinzufügen von zusätzliche Beschichtungen trocknen lassen. Zwei oder drei weitere Beschichtungen der Deckschicht auftragen 30 min für den leichten Einsatz und 12 h für vollen Gebrauch trocknen lassen.
    Hinweis: Die Anzahl der zusätzliche Oberfläche Schichten variieren basierend auf Empfehlungen vom Produkthersteller.
  3. Nach ca. 20 versuchen wird die hydrophobe Beschichtung durch übermäßige Handhabung beeinträchtigt. Entfernen Sie Beschichtung mit 99 % Isopropyl zu, und wiederholen Sie die Schritte 5.1 und 5.2.

6. synchronisieren Kameras für Splash Visualisierung

  1. Legen Sie eine High-Speed-Kamera mit einem geeigneten Objektiv senkrecht zur Auswirkung und im Einklang mit der Oberfläche der Flüssigkeit.
    Hinweis: Eine 55 mm Festbrennweite bietet einen guten Ausgangspunkt dar.
  2. Fügen Sie Stoffe verwendet werden sollen, eine zusätzliche High-Speed-Kamera, das Experiment zu einer Top-Down-Ansicht der Auswirkungen, wie in Abbildung 1 b.
  3. Synchronisieren Sie mehrere Kameras an einen Computer mit den folgenden Schritten.
    1. Schließen Sie beide Ausgangsklemmen der horizontalen Kamera an beiden Eingangsklemmen der zusätzlichen Kamera mit BNC-Kabel.
    2. Den Schalter an der horizontalen Kamera nur anschließen.
    3. Stecken Sie Ethernet-Kabel von beiden Kameras einen außerhalb des Netzwerks-Router mit dem Computer verbunden.
      Hinweis: In Ermangelung eines Routers schließen Sie Ethernet-Kabel für Kameras, Computer zu trennen an.
  4. Konfigurieren Sie in der Videoaufnahme-Software die Kameras mit den folgenden Einstellungen. Frame-Rate auf ein Minimum von 1.000 fps eingestellt, stellen Bildschirmauflösung auf die gewünschte Auflösung. Die Verschlusszeit auf 1 pro Frame zweiter und Trigger-Modus zu beenden.
  5. Führen Sie aus der maximalen Freisetzung Höhe eine Reihe von Test-Tests um sicherzustellen, dass die Worthington Jets innerhalb des Videoframes.
  6. Passen Sie die Kameraposition und den Fokus entsprechend bis die gewünschte Visualisierung Qualität erreicht ist an.
  7. Extrahieren Sie nach der Aufnahme kinematische und geometrischen Messungen von Videos, die mit einem passenden video-Analyse-Tool. Tracker, ein open-Source-Analyse-Tool oder Software vergleichende Funktion verwenden.

7. Auswirkungen Kinematik mit Tracker Software digitalisieren

  1. Wählen Sie Kalibrierung Stick aus der Tracker-Toolbox und Matchmaking zu visuellen Skala (Abbildung 2a), den Stick so lange wie möglich.
  2. Klicken Sie auf Kalibrierung Stick und auf die Länge der visuellen Skala von dem Stick überspannt Skalierung eingestellt. Das heißt, wenn die Kalibrierung Stick 1 cm auf visueller Ebene erstreckt, legen Sie Wert auf 1 Skalierung.
    Hinweis: Dies stellt sicher, dass Messungen von Software in der Größenordnung von Zentimeter sind.
  3. Schalten Sie Videowiedergabe durch Klicken starten und stoppen und video in das gewünschte Frame gesetzt.
  4. Wählen Sie aus der Toolbox Tracker Messlatte und extrahieren Sie Splash Krone Höhe k, Hohlraum Breite bund Hohlraum Tiefe lWorthington Jet Höhe h, wie in Abbildung 2 b,c.
    Hinweis: Der Messstab ist einstellbar an beiden Enden und kann gleichzeitig mit anderen Toolbox-Auswahlen verwendet werden.
  5. Wählen Sie Winkelmesser aus der Tracker-Toolbox aus und Messen Sie die Trennung Winkel Q Flüssigkeit in Bezug auf den Impaktor zu, wie in Abbildung 2 bzu sehen. Der Winkelmesser ist einstellbar an beiden Enden und kann gleichzeitig mit anderen Toolbox-Auswahlen verwendet werden.
  6. Wählen Sie die Auto-Tracking -Funktion in der Software zum Aufzeichnen von zeitlichen Position und Geschwindigkeitsdaten. Beim Tracking ist unterbrochen durch Mangel an Klarheit in das video, Verwendung manueller tracking bis Klarheit erreicht ist und Auto-Tracking wird fortgesetzt.

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Ergebnisse

Dies etablierte Protokolle ermöglichen die Einhaltung der Worthington Jets aus vertikalen Auswirkungen über eine Reihe von Weber-Nummern figure-results-1 wie in Abbildung 2 czu sehen. Diese Ergebnisse erscheinen in Watson Et Al.1, die für die genaue experimentelle Bedingungen verwendet, um die enthaltenen Daten produzieren verwiesen werden kann. Wir konzentrieren uns auf dem schmalen län...

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Diskussion

Dieses Protokoll beschreibt die Versuchsplanung und best Practices für Untersuchungen der frei fallende Kugeln auf ein tief flüssigen Pool. Wir beginnen mit Hervorhebung der notwendigen Schritte zur Konfiguration des Experiments für vertikale Auswirkungen. Es ist wichtig, eine ideale Splash-Umgebung mit einer ausreichend großen Splash Zone erstellen, so dass Wandeffekte vernachlässigbar9und eine geeignete visuelle Skala für die Gewinnung von Kinematik12,

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Die Autoren möchten der College of Engineering and Computer Sciences (Mel) an der University of Central Florida für die Finanzierung dieses Projektes Joshua Bom und Chris Souchik für Splash Bilder und Nicholas Smith für wertvolles Feedback zu erkennen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
3D-DruckerFlashForgeCreator ProDual Extrusion
AlkoholSwanM31499% Isopropyl
BNC KabelThorlabs2249-C-24
MessschieberJederzeit Werkzeuge203185Wählrad
KameraPhotronMini AX-10016GB Ram
ComputerDellWindows 7 Pro
StoffGeorgia Pacific19378Toilettenpapier
StoffKleenex10036000478478Taschentuch
Laser CutterGlowforgeBasic
LightsGS VitecLT-V9-15Multi-LED
MikroskopKeyenceVHX-900FDigitales
RetortenstativVWRVWRF08530.083
RouterASUSRT-N12Aus Netzwerk
LinealWestcott10432Meter
Lineal SoftwareOpen-SourceTrackerVideoanalysesoftware
PhotronFastcam ViewerVideo Recording
SphereAmazon8DELSETDelrin
SprayRost-Oleum274232Wasserabweisendes
TensidDawn37000973782Flüssigseife
TensidUSP Koscher5 GallonenGlycerin
ZugprüferMTSModell 42
AuslöseschalterMaßgeschneiderter
WassertankMr. AquaMA-730Nicht gehärtetes Glas

Referenzen

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Aufprall in Fl ssigkeitspoolsSpritzerdynamikGewebepenetrationhydrophobe BeschichtungHochgeschwindigkeitsbildgebungKavitationsbildungWorthington JetAufprallkinematikStr mungsmechanik

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