Magnétiquement Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instabilité

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

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, telles que la façon dont l’effet stabilisateur de la rotation entre en compétition et interagit avec l’effet déstabilisant de la gravité. La principale caractéristique de cette technique est la possibilité de créer un système rotatif stable à deux couches, puis d’utiliser un aimant pour manipuler les poids effectifs de chaque couche, déclenchant ainsi l’instabilité.

C’est l’appareil utilisé pour l’expérience. Les principaux composants visibles sont une plate-forme rotative pour le réservoir expérimental, un cylindre de 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’arrangement. La rotation de la plate-forme est produite par un moteur hors axe qui fait tourner un palier coulissant avec un orifice en trou de serrure. Le cylindre en cuivre est fixé à l’arbre d’entraînement en forme de clé et descend sous son propre poids lorsque la goupille de maintien est retirée.

L’installation complète comprend l’éclairage et une caméra télécommandée pour capturer des images. Avec le réservoir en position sur la plate-forme, déplacez l’arbre de transmission dans sa position la plus basse. Assurez-vous que la caméra vidéo aura une vue de l’expérience qui est nette et éclairée de manière appropriée.

Pour vous préparer à l’expérience, placez la plate-forme et le cylindre de cuivre dans leur position la plus haute. Verrouillez le cylindre en place avec la goupille de maintien. Avec tout le reste réglé, retirez le réservoir pour le préparer à l’expérience.

Sur une paillasse de laboratoire, commencez à préparer les liquides pour le réservoir. Pour la couche dense, commencez avec 250 millilitres d’eau distillée à température ambiante et ajoutez environ 6,25 grammes de chlorure de sodium à l’eau. Les composants de la couche supérieure légère sont 325 millilitres d’eau distillée à température ambiante, ainsi que du chlorure de manganèse et des colorants de traçage à l’eau rouge et bleu.

Ajouter une petite quantité de fluorescéine sodique pour compléter la préparation. Les deux fluides sont maintenant prêts pour l’expérience. Les liquides stratifiés seront conservés dans un récipient cylindrique transparent, doté d’un couvercle en lucite qui peut y entrer.

Le couvercle a des trous de purge pour permettre au fluide et à l’air de circuler. En plus du conteneur et des fluides, ayez un bateau de flottaison prêt à l’emploi. Le bateau de flottaison se compose de parois en styrène sur une base d’éponge.

Le bas de son intérieur doit être doublé de papier de soie épais. Le bateau doit pouvoir s’insérer facilement dans le réservoir expérimental sans toucher les côtés. Ne passez aux étapes suivantes que lorsque vous êtes prêt à effectuer l’expérience.

Commencez avec le liquide à haute densité et commencez à l’ajouter au réservoir. Arrêtez-vous lorsque 300 millilitres ont été ajoutés. Ensuite, préparez un réservoir collecteur avec une pince et un tube pour le fluide de faible densité.

Le réservoir collecteur doit contenir au moins 350 millilitres et la pince doit permettre de contrôler le débit de fluide. Procéder en ajoutant un fluide de faible densité dans le réservoir collecteur. Ensuite, montez le réservoir collecteur au-dessus du réservoir d’expérience pour permettre la libération du fluide près de la surface du fluide à haute densité.

Placez le bateau de flottaison sur la surface fluide à haute densité. Ajustez la pince sur le réservoir collecteur pour ajouter un liquide de faible densité dans le bateau de flottaison et ajoutez environ trois millilitres par minute. Avec le temps, le fluide de faible densité se diffuse à travers l’éponge en formant une légère couche de fluide au-dessus du fluide de haute densité.

Au fur et à mesure que le bateau s’éloigne de l’interface, augmentez progressivement le débit. Continuez à remplir jusqu’à ce que le réservoir collecteur ait été vidé. Une fois que le liquide a été complètement siphonné, retirez lentement le bateau de flottaison pour minimiser les gouttes et obtenez le couvercle pour le réservoir d’expérience.

Mettez le couvercle en place et commencez à l’abaisser dans la couche supérieure de liquide. Arrêtez-vous lorsque les profondeurs de chaque couche sont égales et qu’il n’y a pas de bulles d’air piégées. En cas de succès, il y aura deux couches de fluide de profondeur égale avec une interface nette entre elles.

Il y aura également une couche de liquide de faible densité sur le dessus du couvercle en lucite. Procédez rapidement à la réalisation de l’expérience et déplacez soigneusement le réservoir vers l’appareil. Placez le réservoir expérimental sur la plate-forme, tout en le gardant loin de l’aimant.

Allumez le moteur et augmentez lentement la vitesse de rotation en augmentant la tension d’alimentation jusqu’à ce que la vitesse souhaitée soit atteinte. Une fois que la vitesse de rotation souhaitée est atteinte, démarrez l’enregistrement vidéo et mettez-vous en position pour retirer la goupille de maintien. Lorsque vous êtes prêt, retirez la goupille 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 temps différent et augmente par incréments d’une demi-seconde. Aux premiers moments, par exemple au bout d’une seconde, pour chaque vitesse de rotation, il y a une perturbation de l’interface avec une échelle de longueur dominante.

Avec l’augmentation du taux de rotation, la largeur des structures en forme de serpent diminue. Ces images proviennent d’une série d’expériences avec une viscosité de fluide variable et une vitesse de rotation fixe. Chaque colonne correspond à un temps différent.

L’échelle de longueur observée de l’instabilité augmente à mesure que la viscosité augmente de valeurs inférieures à des valeurs plus élevées. En traçant la longueur d’onde radio dominante en fonction de la vitesse de rotation, un seuil inférieur pour l’échelle de l’instabilité devient observable. Dans ces données, pour les couches de fluide avec la viscosité approximative de l’eau, au-dessus des taux de rotation d’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 bien exécutée.