Impacts des sphères en chute libre sur une piscine profonde liquide avec des Conditions de Surface liquide altéré et frappe

Ce protocole démontre des expériences d’injection d’eau avec des sphères en chute libre. Les alternances de surfaces liquides avec des tissus pénétrés, la préparation du produit chimique dans les sphères émergentes, la visualisation des éclaboussures et l’extraction des données sont discutées. Ces techniques donnent un aperçu de la recherche fondamentale sur la dynamique des fluides axée sur la compréhension des interactions interfaciales entre les objets solides et les corps fluides.

Joshua Bom et Jeremy Stephen, étudiants de premier cycle de l’Alberta, feront la démonstration de la procédure. Portez des gants de nitrile de qualité industrielle tout au long de cette procédure pour éviter de contaminer l’eau et les impacteurs avec des huiles de peau. Pour commencer à nettoyer complètement le réservoir transparent avec de l’eau du robinet et du détergent.

Remplissez-le ensuite d’un 32 litres d’eau du robinet. Nettoyez deux règles métriques avec de l’alcool isopropyle à 99 % et laissez-les sécher pendant une minute. Monter une règle face à l’avant du réservoir avec la base juste toucher l’eau.

Fixez la deuxième règle verticalement sous l’eau. Ensuite, fixez une plate-forme articulée au-dessus du réservoir de sorte que la plate-forme est dans le même plan de profondeur que la règle d’eau ci-dessus par rapport à l’avant du réservoir. Réglez la plate-forme à la hauteur maximale souhaitée de chute puis attachez une lumière multi LED à un bras articulé et placez la lumière au-dessus et devant le réservoir pour éclairer entièrement la zone d’éclaboussure sous la plate-forme.

Placez un écran noir à l’arrière du réservoir pour aider à la visualisation des éclaboussures et des cavités. Placez un amortisseur sans huile propre comme une éponge cellulaire fermée au fond du réservoir et maintenez-le en place avec des poids propres. Ensuite, montez une caméra à grande vitesse face au réservoir en ligne avec la surface du fluide.

Connectez un commutateur de gâchette à l’appareil photo si désiré. Connectez la caméra à un ordinateur et configurez la caméra pour une vitesse d’image d’au moins 1000 images par seconde. Choisissez la résolution désirée et réglez la vitesse d’obturation à une par seconde encadrée.

Le cas échéant, réglez le mode de déclenchement jusqu’à la fin. Ensuite, nettoyez une petite cuillère et des sphères de méthanol polyoxyde avec 99% d’alcool isopropyle pour enlever les huiles de peau et autres contaminants. Laisser sécher les sphères et les ramasser pendant une minute.

Préformez les essais de test et ajustez la position, la mise au point et la résolution de la caméra pour obtenir la qualité de visualisation optimale pour l’événement splash. Ensuite, récupérer les sphères avec une pelle et nettoyer les sphères et scoop avec de l’alcool isopropyle. Lorsque vous êtes prêt à commencer l’expérience commencer à filmer le réservoir.

Soulevez la plate-forme de charnière en place et reposez une sphère sèche propre sur la plate-forme. Relâchez la base de la plate-forme pour laisser tomber la sphère dans le réservoir. Ensuite, arrêtez de filmer, enregistrez le fichier vidéo et coupez la vidéo pour ne montrer que l’événement splash.

Lorsque vous êtes prêt à passer au test suivant, récupérez la sphère avec la pelle. Nettoyez la sphère avec de l’alcool isopropyle et laissez-la sécher pendant une minute avant de répéter le test. Lorsque l’expérience est terminée vider le réservoir et le laisser sécher.

Pour préparer les tissus pénétrables pour l’essai séparer les tissus désirés en plis carrés ou ronds et utiliser des étriers Vernier pour mesurer l’épaisseur comprimée du tissu sec. Lors de la mise en place de l’expérience monter une deuxième caméra à grande vitesse sur le réservoir pour fournir une vue descendante de la sphère impactant le tissu. Connectez les sorties horizontales de la caméra aux terminaux d’entrée de la caméra aérienne avec des câbles BNC.

Connectez un commutateur de gâchette à la caméra horizontale. Utilisez ensuite des câbles Ethernet pour connecter les deux caméras à un routeur hors ligne connecté à l’ordinateur de la caméra. Concentrez-vous et configurez les deux caméras comme d’habitude.

Lorsqu’il est prêt à préformer l’expérience, reposez doucement le tissu sec à la surface du liquide dans le réservoir. Assurez-vous que le tissu ne commence pas à couler avant le début du procès. Utilisez une pelle propre et sans huile pour positionner le tissu sous la plate-forme articulée.

Utilisez le commutateur de déclenchement pour commencer simultanément à filmer la zone d’éclaboussures avec les deux caméras avant de mettre en place la collision. Retirez le tissu immédiatement après la collision. Si le tissu se fragmente à l’impact et que les éraflures ne peuvent pas être collectées manuellement vide et nettoyer le réservoir après chaque essai pour s’assurer que tout le tissu est enlevé.

Pour commencer à préparer chimiquement sphères hydrophobes s’adapter à une sphère mentholée en polyoxyde dans un support acrylique. Le positionnement des sphères pour un revêtement de surface est l’aspect le plus difficile de ce protocole. Le positionnement est contrôlé avec des feuilles acryliques couche couche qui ont des trous légèrement plus larges que les sphères.

Vaporiser la sphère d’une couche de base hydrophobe d’environ 15 à 30 centimètres sans tremper la surface de la sphère. Ensuite, vaporisez la sphère avec la couche supérieure hydrophobe d’environ 15 à 30 centimètres de distance sans tremper la surface et laissez-la sécher pendant une à deux minutes. Appliquez deux ou trois revêtements de haut de plus de la même manière.

Laissez sécher la sphère pendant 30 minutes pour une utilisation légère ou environ 12 heures pour une utilisation complète. Lors des tests d’impact de préformation laisser sécher complètement la sphère après chaque essai, puis la rincer avec de l’alcool isopropylique. Le revêtement hydrophobe se dégradera après une vingtaine d’essais.

Pour réutiliser cette sphère enlever le revêtement avec 99% d’alcool isopropylique et réappliquer la base et les couches supérieure comme décrit précédemment. Pour commencer l’analyse importer une vidéo à grande vitesse de l’événement splash dans un logiciel d’analyse vidéo. Utilisez les outils de mise à l’échelle pour définir la valeur de mise à l’échelle en centimètres en fonction de la zone visible de la règle.

Avancez à travers la vidéo pour trouver un cadre approprié montrant l’ascension de la couronne d’éclaboussures et le piégeage de l’air. Mesurez la hauteur de la couronne d’éclaboussures, la largeur de la cavité et la profondeur de la cavité. Utilisez l’outil de mesure de l’angle pour déterminer l’angle de séparation.

Avancez plus loin dans la vidéo pour trouver un cadre approprié montrant la formation de Worthington Jet et mesurer la hauteur de Worthington Jet. Enfin, utilisez la fonction de suivi automatique pour extraire la position temporelle et la date de vitesse de l’impacteur. Si le suivi est interrompu, utilisez le suivi manuel jusqu’à ce que le suivi automatique puisse reprendre.

Ici, cette procédure a été utilisée pour évaluer les effets du tissu sur les éclaboussures des impacts verticaux. La hauteur d’éclaboussure avec un ply a été amplifiée par rapport à la hauteur d’éclaboussure sans tissu. La hauteur d’éclaboussure avec deux plis était à peu près équivalente à la hauteur d’éclaboussure sans tissu.

Les éclaboussures ont été fortement atténuées avec trois et quatre plis. Des variations minimales ont été observées entre les nombres weber pour la profondeur de la cavité, la hauteur du sol d’éclaboussures et la largeur de la cavité des sphères qui ont un seul ply de tissu. Les positions verticales des sphères ont été suivies sous l’eau, ce qui a permis d’observer de plus grandes diminutions de la vitesse sous-marine à chaque tour de tissu ajouté.

Les chercheurs doivent porter une attention particulière au maintien des conditions expérimentales sanitaires pendant l’expérience pour obtenir des résultats cohérents et valides. Cette technique ne se limite pas aux matériaux présentés ici et peut être entreprise avec des matériaux de fonctionnalités et de capacités similaires. Avec l’introduction d’un réservoir élevé tel qu’une seringue, cette procédure peut être augmentée pour des études des impacts verticaux des gouttelettes liquides sur des surfaces solides ou liquides.

Ce protocole peut également être préformé à plus grande échelle à des vitesses d’impact génériques plus élevées et une gamme accrue de paramètres sans dimension qui vont tous bien pour une applications navales et industrielles.