Name: Magnétiquement Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instabilité (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: Découvrez comment induire l'instabilité de Rayleigh-Taylor dans un système fluide stratifié en rotation à l'aide d'un champ magnétique. Cette méthode permet d'étudier la compétition entre la rotation stabilisante et la gravité.

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RJAH reconnaît le soutien de la bourse EPSRC EP/I004599/1, MMS reconnaît le financement de l’EPSRC sous le numéro de subvention EP/K5035-4X/1.

NOTE: Le dispositif expérimental est représenté schématiquement sur la Fig. 2. La partie principale de l&#39;appareil est constitué d&#39;une plate-forme tournante (300 mm x 300 mm) montée sur un cylindre de cuivre (diamètre 55 mm) qui descend sous son propre poids dans le champ magnétique d&#39;un aimant supraconducteur (1,8 T) avec une chambre température alésage vertical. La plate-forme est mis en rotation par l&#39;intermédiaire d&#39;un moteur hors-axe qui fait tourner un feuillet porteur d&#39;un orifice en trou de serrure. Le cylindre de cuivre est fixé sur un arbre d&#39;entraînement en forme de clé qui tourne en même temps et descend une fois que la goupille de maintien est supprimée. 1. Préparation de l&#39;équipement non standard <ol><li> bateau Flotation <ol><li> Réduire la taille du bateau, de telle sorte qu&#39;il se glisse facilement à l&#39;intérieur de la cuve expérimentale sans toucher les côtés. NOTE: Le bateau de flottation (. Voir la figure 3) est constitué de murs en polystyrène et une base éponge. </li><li> Protéger l&#39;éponge avec une couche de stpapier de soie rong. NOTE: Le but du papier de soie est d&#39;autant dissiper la dynamique verticale du liquide versé dans le bateau que possible. </li></ol></li></ol> 2. Préparation de l&#39;expérience <ol><li> Préparation de couches de liquide <ol><li> Laisser l&#39;eau distillée à venir jusqu&#39;à la température du laboratoire (22 ± 2 ° C). Environ 650 ml est nécessaire pour chaque réalisation expérimentale. Remarque: en laissant le mélange s&#39;équilibrer empêche la formation de bulles dans l&#39;expérience exsolving due à l&#39;air. </li><li> Séparer l&#39;eau distillée dans des volumes égaux dans deux récipients distincts, A et B, qui seront utilisés pour préparer le liquide pour la couche inférieure dense et la couche supérieure de lumière , respectivement. </li><li> Préparation Ex-situ de la couche inférieure dense. Pour le contenu du récipient A: <ol><li> Ajouter NaCl pour obtenir une concentration de 0,43 mole de NaCl par litre d&#39;eau (environ 25 g de NaCl par litre d&#39;l&#39;eau sera nécessaire); </li><li> Ajouter des colorants traçante d&#39;eau 0,33 g rouge et bleu dans le récipient de couche inférieure (par exemple, Cole-Parmer 00295-16 &amp; -18); </li><li> Ajouter 0,1 g L -1 sodium fluorescéine. NOTE: La couche inférieure sera désormais opaque en apparence et ont une densité d&#39;environ 1012,9 ± 1,2 kg m -3. </li></ol></li><li> Préparation Ex-situ de la couche supérieure de la lumière. Pour le contenu du récipient B: <ol><li> Ajouter MnCl2 sel pour obtenir une concentration de 0,06 mole MnCl 2 par litre d&#39;eau (environ 12 g de MnCl 2 par litre d&#39;eau). REMARQUE: La couche supérieure sera un aspect transparent et ont une densité d&#39;environ 998,2 ± 0,5 kg m -3. </li></ol></li><li> Pour faire varier la viscosité des couches de fluide, ajouter la glycérine C 3 H 8 O 3 dans des quantités égales à chaque couche jusqu&#39;à ce que la viscosité désirée soit atteinte. viscositie Typiques se situent dans la gamme de 1,00 × 10 -3 à 21,00 x 10 -3 Pa s. La viscosité de chaque couche est le même. NOTE: Les mélanges peuvent être stockés en toute sécurité dans leurs récipients séparés jusqu&#39;à ce que nécessaire. </li><li> Préparation Ex-situ de la stratification de densité. <ol><li> Ajouter 300 ml du contenu du récipient A à la cuve cylindrique interne (voir Fig. 2). </li><li> Immerger l&#39;éponge du bateau de flottaison dans le liquide du contenant B. NOTE: Après (2.1.6.2), la procédure est sensible au temps, afin de ne pas effectuer d&#39;autres étapes jusqu&#39;à ce que tout l&#39;aimant et l&#39;éclairage, l&#39;enregistrement et les mécanismes mécaniques sont prêts. </li><li> Soulevez le bateau de flottation du récipient B et, quand il a cessé de couler, placer soigneusement le bateau de flottaison au - dessus de la couche de fluide dense dans la cuve cylindrique interne. </li><li> Commencer à ajouter du liquide de lumière de la couche de récipient B au bateau de flottation à un débit de3 mL / min. Augmenter progressivement ce débit que le bateau de flottation ascenseurs loin de l&#39;interface entre les deux couches. Maintenir un taux assez lent débit que l&#39;interface ne soit pas perturbé par l&#39;élan accru de l&#39;écoulement du fluide, mais assez vite que ce processus ne prend pas plus de 20 min. Gardez le remplissage jusqu&#39;à ce que la couche supérieure contient 320 ml de liquide. REMARQUE: La couche inférieure sera à une profondeur d&#39;environ 33 mm, et la couche supérieure sera à une profondeur d&#39;environ 39 mm. </li><li> Abaisser avec précaution le couvercle de lucite dans la couche supérieure de telle sorte que les profondeurs de la couche de chaque couche sont égaux. Laisser le fluide et l&#39;air de circuler à travers les trous de purge, en assurant que l&#39;air est pris au piège en dessous. Observer une couche (env. 6 mm) de liquide clair de la couche de lumière sur le dessus du couvercle de lucite. NOTE: Si le processus a été couronnée de succès, il y aura deux couches de liquide de profondeur égale avec une interface nette entre eux. L&#39;épaisseur de la couche de diffusion à l&#39;interface sera inférieure à 2 mm à ce stade. </li></ol></li><li> Remplir le réservoir externe avec de l&#39;eau distillée claire à une hauteur de 6 mm au-dessus du couvercle de lucite du réservoir interne. En observant carrés sur il n&#39;y aura pas de parallaxe induite par la courbure résultant de la cuve cylindrique interne. NOTE: Comme les liquides dans chaque couche sont continuellement diffusent à travers l&#39;interface à ce stade, procéder immédiatement aux étapes suivantes. </li></ol></li><li> Mise en rotation de la stratification <ol><li> Placez le réservoir expérimental sur la plate-forme. </li><li> Positionner l&#39;agencement avec le cylindre de cuivre dans le trou de l&#39;aimant, l&#39;arbre d&#39;entraînement à travers l&#39;orifice de trou de serrure dans la piste et la tige de maintien en position. Assurez-vous que le réservoir soit éloigné (60 cm) à partir de l&#39;aimant de telle sorte que les forces magnétiques sur les liquides sont négligeables dans cette position. NOTE: Porter le réservoir expérimental contenant la stratification présente quelques difficultés; long, faible amplitude, ondes ballottement mis en place par la marche avec ee réservoir se désintègre loin, ayant un effet négligeable sur la qualité de l&#39;interface obtenue lorsque la couche flottante supérieure sur. </li><li> Mettre en marche le moteur, ce qui augmente la vitesse de rotation à 0,002 rad s -2, le filage-up du fluide à la vitesse de rotation souhaitée. Pour les taux de rotation dans 16 le temps de spin-up était de l&#39;ordre de 20 min - 60 min. NOTE: Le taux de rotation le plus rapide utilisé était de -1 de 13,2 rad. </li></ol></li></ol> 3. Exécution de l&#39;expérience <ol><li> Assurez -vous que l&#39;aimant est indiquant une intensité de champ de 1,2 T, et que , à la hauteur à laquelle l&#39;instabilité est déclenchée le gradient de champ est (grad B 2) / 2 = -14,3 T 2 m -1, où B est l&#39;induction magnétique . </li><li> Faire en sorte que la caméra vidéo est disposée de telle sorte que, lorsque l&#39;arbre d&#39;entraînement se trouve dans sa position la plus basse, soit la vue latérale de l&#39;expérience est la mise au point ou une vue en plan de mise au point est à travers un miroir placed ci-dessus l&#39;expérience. </li><li> Assurer l&#39;éclairage ambiant est à des niveaux corrects, de telle sorte que rien de l&#39;image capturée par la caméra est saturé, mais que la réponse complète est utilisée (intensités en niveaux de gris dans la gamme 0-255). </li><li> Commencez l&#39;enregistrement vidéo (240 fps). Utilisez une télécommande pour empêcher le déplacement de la caméra lorsque vous utilisez la fonction d&#39;enregistrement. </li><li> Retirer la goupille de retenue, permettant le réservoir de descendre, tout en tournant, dans le champ magnétique. </li></ol> 4. Réinitialiser Experiment <ol><li> Réinitialiser plate-forme expérimentale <ol><li> Utilisez la télécommande pour arrêter l&#39;enregistrement vidéo. </li><li> Enregistrez le fichier vidéo sur le disque. </li><li> Par contre, abaisser la tension au moteur de sorte qu&#39;il ralentit à un arrêt. Effectuez cette progressivement de façon à éviter les déversements. </li><li> Retirer dispositif expérimental de l&#39;aimant. </li><li> Eliminer les couches liquides mélangés de manière appropriée (voir Manganese Chloride Tetrahydrate MSDS). </li><li> Rincer le réservoir avec de l&#39;eau (iln&#39;a pas besoin d&#39;être distillée), jusqu&#39;à ce que toutes traces de sels ont été emportés. Éviter tout contact direct de la peau avec des liquides. </li><li> Sécher le réservoir soigneusement avec du papier absorbant afin d&#39;assurer qu&#39;aucun résidu ne reste qui peuvent contaminer les expériences ultérieures. </li></ol></li></ol> Traitement 5. Image <ol><li> Extraire les images individuelles de chaque image du film et enregistrer dans lossless format .png. Masquez les zones superflues de chaque trame, par exemple la plate-forme ou d&#39;un cylindre de cuivre. </li><li> Calculer la fonction d&#39; auto-corrélation à deux dimensions 16 de chaque trame d&#39;image pour 2 s après le début de l&#39;instabilité en utilisant une transformée de Fourier rapide discrète. Notez le minimum, la moyenne et la valeur maximale de la longueur d&#39;onde observée pour la vitesse de rotation de l&#39;expérience et la viscosité des couches fluides. </li></ol>

<ol><li>Lewis, D. J. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/98515?seq=1#page_scan_tab_contents">The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II.</a> Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).</li>
<li>Read, K. I. <a target="_blank" href="https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:24064105">Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability.</a> Physica D. 12, 45-58 (1984).</li>
<li>Dimonte, G., Schneider, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Turbulent+Rayleigh-Taylor+instability+experiments+with+variable+acceleration%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Turbulent Rayleigh-Taylor instability experiments with variable acceleration.</a> Phys. Rev. E. 54, 3740-3743 (1996).</li>
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<li>Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/237134510_Rayleigh-Taylor_instability_in_complex_stratifications">Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications.</a> J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).</li>
<li>Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231972595_Molecular_mixing_in_Rayleigh-Taylor_instability">Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability.</a> J. Fluid Mech. , 97-124 (1994).</li>
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<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/201/1065/192">The instability of fluid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I.</a> Proc. Roy. Soc., A. 201, 192-196 (1950).</li>
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<li>Gelfand, J. D., Slane, P. O., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/703/2/2051/meta">A Dynamical Model for the Evolution of a Pulsar Wind Nebula Inside a Nonradiative Supernova Remnant.</a> Astrophys. J. 703, 2051-2067 (2009).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/94126?seq=1#page_scan_tab_contents">Experiments on the Motion of Solid Bodies in Rotating Fluids.</a> Proc. Roy. Soc., A. 104, 213-218 (1923).</li>
<li>Proudman, J. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/92/642/408">On the Motion of Solids in a Liquid Possessing Vorticity.</a> Proc. Roy. Soc., A. 92, 408-424 (1916).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/93/648/99">Motion of Solids in Fluids when the Flow is not lrrotational.</a> Proc. Roy. Soc., A. 93, 99-113 (1917).</li>
<li>Carlès, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh-Taylor+Instability+for+Immiscible+Fluids+of+Arbitrary+Viscosities%3A+A+Magnetic+Levitation+Investigation+and+Theoretical+Model%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model.</a> Phys. Rev. Lett. 96, 104501(2006).</li>
<li>Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carlès, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh-Taylor+Instability+Experiments+with+Precise+and+Arbitrary+Control+of+the+Initial+Interface+Shape%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 204502(2007).</li>
<li>Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Inhibition+of+the+Rayleigh-Taylor+Instability+by+Rotation%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation.</a> Sci. Rep. 5, 11706(2015).</li>
<li>Rossby, H. T. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231879355_A_Study_of_Benard_Convection_With_and_Without_Rotation">A study of Bénard convection with and without rotation.</a> J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).</li>
</ol>

Les auteurs n&#39;ont rien à dévoiler.

Il y a deux étapes critiques dans le protocole. La première est 2.1.6.4. Si la couche est introduite sur la couche dense trop rapidement, puis le mélange irréversible des deux couches fluides miscibles a lieu. Il est essentiel que ce soit évitée et que (&lt;2 mm) interface nette entre les deux couches est obtenue. La deuxième étape critique est 3.1.5. Si l&#39;expérience est libéré vers l&#39;aimant sans être entièrement filé-up en pleine rotation du corps ou sans l&#39;appareil de capture d&#39;image et la visualisatio...

<html> Système de fluide de densité stratifiée constituée de deux couches peuvent être disposés dans un champ de gravitation soit dans une écurie ou d&#39;une configuration instable. Si la couche lourde dense sous-tend la, couche moins dense, le système est stable: perturbations à l&#39;interface sont stables, restaurée par gravité, et les vagues peuvent être pris en charge sur l&#39;interface. Si la couche lourde recouvre la couche, puis le système est instable et les perturbations au grossissement de l&#39;interface. Cette instabilité fluide fondamentale est l&#39;instabilité de Rayleigh-Taylor 7, 8. Exactement la même instabilité peut être observée dans les systèmes non-rotation qui sont accélérés vers la couche plus lourde. En raison de la nature fondamentale de l&#39;instabilité , il est observé dans de très nombreux flux qui varient aussi grandement à l&#39; échelle: de film mince à petite échelle des phénomènes 9 à caractéristiques d&#39;échelle astrophysiques observés dans, par exemple, la nébuleuse du Crabeef &quot;&gt; 10, où les structures de doigts sont observés, créé par les vents pulsar étant accélérée par plus denses restes de supernova. Il est une question ouverte quant à la façon de l&#39;instabilité de Rayleigh-Taylor peut être contrôlé ou influencé une fois que la différence initiale de densité instable a été établie à une interface. une possibilité est de prendre en considération la rotation apparente du système. le but de ces expériences est d&#39;étudier l&#39;effet de la rotation du système, et si cela peut être une voie de stabilisation. Nous considérons un système de fluide qui est constitué d&#39;une double couche de stratification gravitationnellement instables qui est soumis à une rotation constante autour d&#39;un axe parallèle à la direction de la pesanteur. Une perturbation à une double couche de stratification instable densité conduit à la génération baroclinic de vorticité, à savoir, le renversement, à l&#39;interface, tendant à la débâcle des structures verticales. Cependant, un fluide en rotation est connu pour s&#39;organiser en cohérence st verticalructures alignés avec l&#39;axe de rotation, soi-disant «Taylor colonnes» 11. Par conséquent le système sous enquête subit la concurrence entre l&#39;effet de stabilisation de la rotation, qui est l&#39;organisation de la circulation dans les structures verticales et empêchant les deux couches de renversement, et l&#39;effet déstabilisateur du fluide plus dense recouvrant le fluide plus léger qui génère un mouvement de renversement à l&#39;interface . Avec la vitesse de rotation a augmenté la capacité des couches de fluide de se déplacer radialement, avec des sens opposés l&#39;un à l&#39; autre, afin de se réarranger en une configuration plus stable, est de plus inhibée par le théorème de Taylor Proudman 12, 13: le déplacement radial est réduit et les structures observées qui se matérialisent que l&#39;instabilité se développe sont de plus petite échelle. Figue. La figure 1 montre qualitativement l&#39;effet de la rotation des tourbillons qui se forment à l&#39;instabilité se développe. dans leimage de la main gauche il n&#39;y a pas de rotation et le flux est une approximation classique instabilités Rayleigh-Taylor de non-rotation. Sur l&#39;image de droite de tous les paramètres expérimentaux sont identiques à l&#39;image gauche, sauf que le système est mis en rotation autour d&#39;un axe vertical aligné avec le centre de la cuve. On peut constater que l&#39;effet de la rotation est de réduire la taille des tourbillons qui se forment. Ceci, à son tour, se traduit par une instabilité qui se développe plus lentement que la contrepartie non tournante. Les effets magnétiques qui modifient le tenseur des contraintes dans le fluide peuvent être considérés comme agissant de la même manière qu&#39;un champ gravitationnel modifié. Nous sommes donc en mesure de créer une stratification gravitationnellement stable et tourner vers le haut en solide rotation du corps. Les forces de corps magnétiques générés par l&#39;imposition du champ magnétique à gradient miment alors pour effet de modifier le champ de gravitation. Ceci rend instable l&#39;interface de telle sorte que le système de fluide behaVes, avec une bonne approximation, comme une instabilité classique Rayleigh-Taylor en rotation. Cette approche a déjà été tenté en deux dimensions sans rotation 14, 15. Pour un champ magnétique à gradient appliqué avec induite par un champ magnétique B, la force du corps appliqué à un fluide magnétique volume de susceptibilité χ constante est donnée par f = grad (χ B 2 / μ 0), où B = | B | et μ 0 = 4π × 10 -7 -2 NA est la perméabilité magnétique de l&#39; espace libre. On peut donc considérer l&#39;aimant pour manipuler le poids efficace de chaque couche de fluide, où le poids effectif par unité de volume d&#39;un fluide de ρ densité dans un champ gravitationnel de la force g est donnée par ρ g - χ (∂ B 2 / ∂ z ) / (2 μ 0).

<table><tbody><tr><td>Colorant de traçage à l’eau bleue</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>Colorant de traçage à l’eau rouge</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>Chlorure</td><td></td><td></td> de sodium<td>>99 %</td></tr><tr><td>de pureté Chlorure de manganèse tétrahydraté</td><td></td><td></td><td>Voir fiche de données de sécurité</td></tr><tr><td>Sel de fluorescéine de sodium&nbsp ;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnet</td><td>Cryogenic Ltd. Londres</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

magnétiquement induced rotating rayleigh-taylor instabilité

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

Les techniques classiques pour enquêter sur l&#39;instabilité de Rayleigh-Taylor comprennent l&#39; utilisation de gaz comprimés 1, rocketry 2 ou 3 moteurs électriques linéaires pour inverser la direction effective de la gravité, et d&#39; accélérer le fluide plus léger vers le fluide plus dense. D&#39; autres auteurs , par exemple 4, 5, 6 ont séparé une stratification gravitationnellement instable avec une barrière qui est enlevée pour initier l&#39;écoulement. Cependant, l&#39;interface initiale parabolique dans le cas d&#39;une stratification en rotation impose d&#39;importantes difficultés techniques expérimentalement. Nous voulons être en mesure de spin-up de la stratification en rotation du corps solide et seulement alors que le courant afin d&#39;étudier les effets de la rotation sur l&#39;instabilité de Rayleigh-Taylor. L&#39;approche que nous avons adoptée ici est d&#39;utiliser le champ magnétiqueun aimant supraconducteur pour manipuler le poids effectif des deux liquides pour amorcer l&#39;écoulement. Nous créons une stratification à deux couches gravitationnellement stables en utilisant des techniques de flottation standard. La couche supérieure est moins dense que la couche inférieure et de sorte que le système est stable Rayleigh-Taylor. Cette stratification est ensuite filée-up jusqu&#39;à ce que les deux couches sont en rotation du corps solide et une interface parabolique est observée. Ces expériences utilisent des fluides à faible susceptibilité magnétique, | χ | ~ 10 -6 à 10 -5 par rapport à un ferrofluides. L&#39;effet dominant du champ magnétique applique un corps de force à chaque couche modifiant le poids efficace. La couche supérieure est faiblement paramagnétique tandis que la couche inférieure est faiblement diamagnétique. Lorsque le champ magnétique est appliqué, la couche inférieure est repoussée de l&#39;aimant tandis que la couche supérieure est attirée vers l&#39;aimant. Une instabilité de Rayleigh-Taylor est réalisé avec l&#39;application d&#39;un champ magnétique à gradient élevé. Nous avons observé en outre que increasing la viscosité dynamique du fluide dans chaque couche, augmente la longueur de l&#39;échelle de l&#39;instabilité.

Figue. 4 montre l&#39;évolution de l&#39;instabilité de Rayleigh-Taylor à l&#39;interface entre les deux fluides, pour quatre vitesses différentes de rotation: Ω = -1 (rangée du haut) de 1,89 rad, Ω = 3,32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1 et Ω = 8,74 rad s -1 (rangée du bas). L&#39;interface est montrée en constante évolution dans le temps de t = 0 s (colonne de gauche) avec des incréments de 0,5 s à t = 3,0 s (colonne de ...

Nous présentons un protocole pour la préparation d’un liquide stratifié en densité à deux couches qui peut être filé en rotation de corps solide et ensuite induit en instabilité de Rayleigh-Taylor en appliquant un champ magnétique à gradient.

Magnétiquement Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instabilité

Classical techniques for investigating the Rayleigh-Taylor instability include using compressed gasses1, rocketry2 or linear electric motors3 to reverse ...

L'objectif général de cette expérience est d'observer l'effet de la rotation sur un système gravitationnellement instable composé d'un fluide dense recouvrant un fluide moins dense. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en dynamique des fluides, notamment à savoir comment l'effet stabilisateur de la rotation interagit et entre en compétition avec l'effet déstabilisateur de la gravité. La caractéristique principale de cette technique réside dans la capacité à créer un système stable en deux couches en rotation, puis à utiliser un aimant pour modifier les poids effectifs de chaque couche, déclenchant ainsi l'instabilité.Voici l'appareil utilisé pour l'expérience. Les composants principaux visibles sont une plateforme tournante pour le réservoir expérimental, un cylindre en cuivre qui le supporte, et un aimant supraconducteur à alésage à température ambiante. Le cylindre descend dans l'alésage de l'aimant et dans un champ magnétique de 1,8 tesla.Ce schéma fournit des détails supplémentaires sur l'agencement. La rotation de la plateforme est produite par un moteur décentré qui fait tourner un palier lisse muni d'un orifice en forme de serrure. Le cylindre en cuivre est fixé à l'arbre moteur en forme de clé et descend sous son propre poids lorsque la goupille de maintien est retirée.L'ensemble complet comprend l'éclairage et une caméra télécommandée pour capturer les images. Une fois le réservoir en place sur la plateforme, déplacez l'arbre d'entraînement en position basse. Veillez à ce que la caméra vidéo ait une vue bien mise au point et correctement éclairée de l'expérience.Pour préparer l'expérience, placez la plateforme et le cylindre en cuivre dans leur position la plus élevée. Fixez le cylindre en place à l'aide de l'ergot de maintien. Une fois tous les éléments en place, retirez le réservoir pour le préparer à l'expérience.Sur un banc de laboratoire, commencez à préparer les liquides pour le réservoir. Pour la couche dense, commencez avec 250 millilitres d’eau distillée à température ambiante, puis ajoutez environ 6,25 grammes de chlorure de sodium à l’eau. Les composants de la couche supérieure claire sont 325 millilitres d’eau distillée à température ambiante, ainsi que du chlorure de manganèse et des colorants traceurs rouges et bleus pour l’eau.Ajoutez une petite quantité de fluorescéine sodique pour terminer la préparation. Les deux fluides sont désormais prêts pour l'expérience. Les liquides stratifiés seront contenus dans un récipient cylindrique transparent, muni d'un couvercle en plexiglas pouvant s'insérer à l'intérieur.Le couvercle est doté de trous de décharge permettant à l'air et aux fluides de circuler. En plus du récipient et des fluides, préparez un radeau de flottaison utilisable. Le radeau de flottaison se compose de parois en styrène sur une base en éponge.Le fond de son intérieur doit être doublé de papier absorbant résistant. Le bateau doit pouvoir s'insérer facilement dans le réservoir expérimental sans toucher les parois. Passez aux étapes suivantes uniquement lorsque vous êtes prêt à réaliser l'expérience.Commencez par le fluide à haute densité et commencez à l'ajouter dans le réservoir. Arrêtez lorsque 300 millilitres ont été ajoutés. Ensuite, préparez un réservoir supérieur équipé d'une pince et de tubulure pour le fluide à faible densité.Le réservoir supérieur doit contenir au moins 350 millilitres et la pince doit permettre de réguler l'écoulement du fluide. Commencez par ajouter un fluide de faible densité dans le réservoir supérieur. Ensuite, fixez le réservoir supérieur au-dessus du réservoir expérimental afin de permettre l'écoulement du fluide près de la surface du fluide de haute densité.Placer le radeau de flottation à la surface du liquide à haute densité. Régler la pince du réservoir supérieur pour ajouter du liquide à faible densité dans le radeau de flottation, à raison d'environ trois millilitres par minute. Avec le temps, le liquide à faible densité diffuse à travers l'éponge, formant une couche de fluide léger au-dessus du liquide à haute densité.Alors que le bateau s'élève progressivement de l'interface, augmentez graduellement le débit. Continuez à remplir jusqu'à ce que le réservoir supérieur soit vide. Une fois que le liquide a été complètement aspiré, retirez lentement le bateau de flottaison afin de minimiser les gouttes et prenez le couvercle du réservoir d'expérience.Placez le couvercle en position et commencez à l'abaisser dans la couche supérieure de liquide. Arrêtez lorsque les profondeurs de chaque couche sont égales et qu'il n'y a plus de bulles d'air piégées. Si l'opération réussit, deux couches de liquide de profondeur égale apparaîtront, séparées par une interface nette.Il y aura également une couche de fluide de faible densité au-dessus du couvercle en plexiglas. Procédez rapidement pour réaliser l'expérience et déplacez soigneusement le réservoir vers l'appareil. Placez le réservoir expérimental sur la plateforme, tout en le maintenant éloigné de l'aimant.Mettez le moteur en marche et augmentez lentement la vitesse de rotation en augmentant la tension de l'alimentation électrique jusqu'à atteindre la vitesse souhaitée. Une fois la vitesse de rotation souhaitée atteinte, commencez l'enregistrement vidéo et placez-vous en position pour retirer l'ergot de maintien. Quand vous êtes prêt, retirez l'ergot et laissez le réservoir descendre dans le champ magnétique.Ces images sont des instantanés de l'interface fluide pour quatre vitesses de rotation différentes. Chaque colonne correspond à un moment différent et augmente par incréments d'une demi-seconde. Aux premiers instants, par exemple à la marque d'une seconde, pour chaque vitesse de rotation, on observe une perturbation de l'interface présentant une échelle de longueur dominante.Avec l'augmentation de la vitesse de rotation, la largeur des structures en forme de serpents diminue. Ces images proviennent d'une série d'expériences réalisées avec une viscosité du fluide variable et une vitesse de rotation fixe. Chaque colonne correspond à un moment différent.La longueur caractéristique observée de l'instabilité augmente lorsque la viscosité croît depuis des valeurs plus faibles vers des valeurs plus élevées. En traçant la longueur d'onde dominante en fonction de la vitesse de rotation, un seuil inférieur pour l'échelle de l'instabilité devient observable. Dans ces données obtenues pour des couches fluides ayant une viscosité approximative de celle de l'eau, pour des vitesses de rotation supérieures à environ quatre radians par seconde, le seuil inférieur est d'environ six millimètres.Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en une heure si elle est effectuée correctement.

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