Magnetisch Induzierte Rotating Rayleigh-Taylor-Instabilität

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.

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, den Effekt der Rotation auf ein gravitativ instabiles System zu beobachten, das aus einer dichten Flüssigkeit besteht, die über einer weniger dichten Flüssigkeit liegt. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen der Fluiddynamik zu beantworten, z. B. wie die stabilisierende Wirkung der Rotation mit der destabilisierenden Wirkung der Schwerkraft konkurriert und interagiert. Das Hauptmerkmal dieser Technik ist die Fähigkeit, ein stabiles rotierendes, zweischichtiges System zu erzeugen und dann einen Magneten zu verwenden, um die effektiven Gewichte jeder Schicht zu manipulieren, wodurch die Instabilität ausgelöst wird.

Dies ist die Apparatur, die für das Experiment verwendet wurde. Die wichtigsten sichtbaren Komponenten sind eine rotierende Plattform für den Versuchsbehälter, ein Kupferzylinder, der ihn trägt, und ein supraleitender Magnet mit Bohrung bei Raumtemperatur. Der Zylinder sinkt in die Bohrung des Magneten und ein Magnetfeld von 1,8 Tesla ab.

Dieses Schema enthält zusätzliche Details zur Anordnung. Die Drehung der Plattform wird durch einen Off-Axis-Motor erzeugt, der ein Gleitlager mit einer Schlüssellochblende dreht. Der Kupferzylinder ist an der keilförmigen Antriebswelle befestigt und senkt sich beim Entfernen des Haltestifts unter seinem Eigengewicht ab.

Die komplette Einrichtung umfasst die Beleuchtung und eine ferngesteuerte Kamera zur Aufnahme von Bildern. Bringen Sie den Tank in Position auf der Plattform und bringen Sie die Antriebswelle in die niedrigste Position. Stellen Sie sicher, dass die Videokamera eine scharfe und angemessen beleuchtete Sicht auf das Experiment hat.

Um sich auf das Experiment vorzubereiten, bringen Sie die Plattform und den Kupferzylinder in die höchste Position. Verriegeln Sie den Zylinder mit dem Haltestift. Wenn alles andere eingestellt ist, entfernen Sie den Tank, um ihn für das Experiment vorzubereiten.

Beginnen Sie an einem Labortisch mit der Vorbereitung der Flüssigkeiten für den Tank. Beginnen Sie für die dichte Schicht mit 250 Millilitern destilliertem Wasser bei Raumtemperatur und fügen Sie dem Wasser etwa 6,25 Gramm Natriumchlorid hinzu. Die Bestandteile der hellen oberen Schicht sind 325 Milliliter destilliertes Wasser bei Raumtemperatur sowie Manganchlorid und rote und blaue Wasserdurchsuchfarbstoffe.

Fügen Sie eine kleine Menge Fluorescein-Natrium hinzu, um die Zubereitung abzuschließen. Die beiden Flüssigkeiten sind nun bereit für das Experiment. Die geschichteten Flüssigkeiten werden in einem durchsichtigen zylindrischen Behälter aufbewahrt, der mit einem Lucite-Deckel versehen ist, in den hineinpasst.

Der Deckel hat Entlüftungslöcher, durch die Flüssigkeit und Luft strömen können. Halten Sie zusätzlich zu dem Behälter und den Flüssigkeiten ein Schwimmboot für den Einsatz bereit. Das Schwimmboot besteht aus Styrolwänden auf einem Schwammboden.

Die Unterseite des Innenraums sollte mit festem Seidenpapier ausgekleidet sein. Das Boot sollte problemlos in das Versuchsbecken passen können, ohne die Seiten zu berühren. Fahren Sie erst dann mit den nächsten Schritten fort, wenn Sie bereit sind, das Experiment durchzuführen.

Beginnen Sie mit der Flüssigkeit mit hoher Dichte und beginnen Sie, sie in den Tank zu geben. Stoppen Sie, wenn 300 Milliliter hinzugefügt wurden. Bereiten Sie als Nächstes einen Sammelbehälter mit einer Klemme und einem Schlauch für die Flüssigkeit mit geringer Dichte vor.

Der Sammelbehälter sollte mindestens 350 Milliliter fassen und die Klemme sollte die Kontrolle des Flüssigkeitsflusses ermöglichen. Fahren Sie fort, indem Sie Flüssigkeit mit geringer Dichte in den Auffangbehälter geben. Montieren Sie dann den Sammelbehälter über dem Versuchsbehälter, um die Freisetzung von Flüssigkeit in der Nähe der Oberfläche des Fluids mit hoher Dichte zu ermöglichen.

Platzieren Sie das Schwimmschiffchen auf der Oberfläche der Flüssigkeit mit hoher Dichte. Stellen Sie die Klemme am Sammlertank ein, um dem Schwimmboot Flüssigkeit mit geringer Dichte hinzuzufügen, und fügen Sie etwa drei Milliliter pro Minute hinzu. Mit der Zeit diffundiert die Flüssigkeit mit geringer Dichte durch den Schwamm und bildet eine leichte Flüssigkeitsschicht über der Flüssigkeit mit hoher Dichte.

Wenn sich das Boot von der Schnittstelle entfernt, erhöhen Sie die Durchflussrate allmählich. Befüllen Sie weiter, bis der Sammelbehälter geleert ist. Sobald die Flüssigkeit vollständig abgesaugt wurde, entfernen Sie das Schwimmboot langsam, um das Tropfen zu minimieren, und holen Sie den Deckel für das Experimentierbecken heraus.

Setze den Deckel auf und beginne, ihn in die obere Flüssigkeitsschicht abzusenken. Stoppen Sie, wenn die Tiefen jeder Schicht gleich sind und keine Luftblasen eingeschlossen sind. Wenn dies gelingt, gibt es zwei gleich tiefe Flüssigkeitsschichten mit einer scharfen Grenzfläche zwischen ihnen.

Auf dem Lucitdeckel befindet sich auch eine Schicht aus Flüssigkeit niedriger Dichte. Führen Sie das Experiment schnell durch und bewegen Sie den Tank vorsichtig zum Gerät. Platzieren Sie den Experimentiertank auf der Plattform, während Sie ihn weit vom Magneten entfernt halten.

Schalten Sie den Motor ein und erhöhen Sie die Drehzahl langsam, indem Sie die Versorgungsspannung erhöhen, bis die gewünschte Rate erreicht ist. Sobald die gewünschte Rotationsrate erreicht ist, starten Sie die Videoaufnahme und bringen Sie sich in Position, um den Haltestift zu entfernen. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie den Stift und lassen Sie den Tank in das Magnetfeld absinken.

Diese Bilder sind Schnappschüsse der fluiden Grenzfläche für vier verschiedene Rotationsraten. Jede Spalte entspricht einer anderen Zeit und nimmt in Schritten von einer halben Sekunde zu. Zu frühen Zeitpunkten, z. B. bei der Ein-Sekunden-Marke, kommt es bei jeder Rotationsrate zu einer Störung der Grenzfläche mit einer dominanten Längenskala.

Mit zunehmender Rotationsrate nimmt die Breite der schlangenartigen Strukturen ab. Diese Bilder stammen aus einer Reihe von Experimenten mit unterschiedlicher Viskosität und einer festen Rotationsrate. Jede Spalte entspricht einer anderen Zeit.

Die beobachtete Längenskala der Instabilität nimmt mit zunehmender Viskosität von niedrigeren Werten zu höheren Werten zu. Indem die dominante Radiowellenlänge als Funktion der Rotationsrate aufgetragen wird, wird eine niedrigere Schwelle für die Skala der Instabilität beobachtbar. In diesen Daten für Fluidschichten mit der ungefähren Viskosität von Wasser, oberhalb von Rotationsraten von etwa vier Bogenmaßen pro Sekunde, liegt die untere Schwelle bei etwa sechs Millimetern.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.