La inestabilidad inducida magnéticamente giratorio de Rayleigh-Taylor

Resumen

Presentamos un protocolo para preparar un líquido estratificado de densidad de dos capas que puede ser girado en rotación de cuerpo sólido y posteriormente inducido en inestabilidad de Rayleigh-Taylor mediante la aplicación de un campo magnético de gradiente.

Resumen

Las técnicas clásicas para la investigación de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor incluyen el uso de gases comprimidos ^{1, 2} cohetes o motores eléctricos lineales ³ para invertir la dirección efectiva de la gravedad, y acelerar el fluido más ligero hacia el líquido más denso. Otros autores ^{por ejemplo, 4, 5, 6} se han separado una estratificación gravitacionalmente inestable con una barrera que se retira para iniciar el flujo. Sin embargo, la interfaz inicial parabólico en el caso de una estratificación de rotación impone dificultades técnicas significativas experimentalmente. Queremos ser capaces de volver a acelerarse la estratificación en la rotación de cuerpo sólido y sólo entonces iniciar el flujo con el fin de investigar los efectos de la rotación sobre la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. El enfoque que hemos adoptado aquí es utilizar el campo magnético deun imán superconductor para manipular el peso efectivo de los dos líquidos para iniciar el flujo. Creamos una estratificación de dos capas gravitacionalmente estable usando técnicas de flotación estándar. La capa superior es menos densa que la capa inferior y por lo que el sistema es Rayleigh-Taylor estable. Esta estratificación se hace girar en marcha entonces hasta que las dos capas están en rotación de cuerpo sólido y se observa una interfaz parabólica. Estos experimentos utilizan fluidos con baja susceptibilidad magnética, | χ | ~ 10 ^{-6-10 -5,} en comparación con un ferrofluidos. El efecto dominante del campo magnético se aplica un cuerpo-fuerza para cambiar el peso efectivo de cada capa. La capa superior es débilmente paramagnética mientras que la capa inferior es débilmente diamagnético. Cuando se aplica el campo magnético, la capa inferior es repelido por el imán mientras que la capa superior es atraído hacia el imán. Una inestabilidad de Rayleigh-Taylor se consigue con la aplicación de un alto campo magnético de gradiente. Se observó, además, que increasing la viscosidad dinámica del fluido en cada capa, aumenta la longitud de escala de la inestabilidad.

Introducción

Un sistema de fluido de densidad estratificado que consiste en dos capas puede estar dispuesto en un campo gravitacional, ya sea en un establo o una configuración inestable. Si la capa densa pesada debajo de la capa menos densa, la luz, entonces el sistema es estable: perturbaciones en la interfaz son estables, restaurado por la gravedad, y las olas se puede apoyar en la interfaz. Si la capa pesada se superpone a la capa de la luz, entonces el sistema es inestable y perturbaciones a la ampliación de la interfaz. Esta inestabilidad fluido fundamental es la inestabilidad de Rayleigh-Taylor ^{7, 8.} Exactamen....

Protocolo

NOTA: El aparato experimental se muestra esquemáticamente en la Fig. 2. La parte principal del aparato se compone de una plataforma giratoria (300 mm x 300 mm) montada sobre un cilindro de cobre (55 mm de diámetro) que desciende por su propio peso en el fuerte campo magnético de un imán superconductor (1,8 T) con una habitación taladro vertical de temperatura. La plataforma se hace girar por medio de un motor fuera de eje que se convierte una hoja de soporte con un orificio de ojo de cerradura. El cilindro de cobre está unido a un eje en forma de llave de accionamiento que gira a la vez, y desciende una vez que se retira el holding-pin.

Resultados

Higo. 4 muestra el desarrollo de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor en la interfaz entre los dos fluidos, para cuatro diferentes velocidades de rotación: Ω = ^-1 (fila superior) 1,89 rad s, Ω = 3,32 rad s ^-1, Ω = 4,68 rad s ^{- 1} y Ω = 8,74 rad ^s-1 (fila inferior). La interfaz se muestra la evolución en el tiempo de t = 0 s (columna izquierda) con incrementos de 0,5 s en t = 3,0 s (columna de la derecha). Por tanto, la c.......

Discusión

Hay dos pasos críticos dentro del protocolo. El primero es 2.1.6.4. Si la capa de luz se hace flotar sobre la capa densa con demasiada rapidez después mezclando irreversible de las dos capas de fluidos miscibles se lleva a cabo. Es esencial que esto se evita y que se consigue una interfaz aguda (<2 mm) entre las dos capas. El segundo paso es crítico 3.1.5. Si el experimento se libera hacia el imán y sin haber hecho un trompo en marcha plenamente en la rotación del cuerpo sólido o sin el aparato de captura de imagen d.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Colorante de rastreo de agua azul	Cole-Parmer	00295-18
Colorante de rastreo de agua rojo	Cole-Parmer	00295-16
Cloruro			>99% de pureza
Cloruro de manganeso tetrahidratado			Ver MSDS
Fluoresceína sal de sodio
Magnet	Cryogenic Ltd. Londres

de sodio