מאמר שיטה

ההשפעות של התחומים צניחה חופשית על בריכה עמוק נוזלי עם נוזל שינו ותנאי השטח Impactor

6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/59300

⸱

17 בפברואר 2019

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Central Florida

במאמר זה

סיכום

פרוטוקול זה מדגים את ההגדרות הבסיסיות ניסיוני עבור המים ערך ניסויים עם כדורים צניחה חופשית. נידונות שיטות משינוי משטח נוזלי עם בדים נחדרת, הכנת כימי ללא הרטבה הספירות, והשלבים לחילוץ ויזואליזציה ונתוני הפתיחה.

תקציר

ההשפעות אנכי של התחומים על מים נקיים כבר הנושא של רבים חקירות כניסה של מים, אפיון היווצרות חלל, התז הכתר ורוחב וורת'ינגטון סילון יציבות. כאן, אנו להקים פרוטוקולים ניסיוני לבחינת הפתיחה dynamics בעת נפילה חופשית חלקה ספירות של wettability בדרגות שונות, מסה, השפעת קוטר פני השטח חינם של בריכת עמוק נוזלי שונה על-ידי בדים נחדרת דק, פיתחה נוזלי. חקירות הזנת מים מספקים ניסויים נגיש, התאספו בקלות, להורג לומד מכניקת הזורמים מורכבים. אנו מציגים בזאת פרוטוקול tunable עבור אפיון גובה הפתיחה, זרימה ההפרדה מדדים, ו impactor קינמטיקה ותוצאות נציג אשר עשוי לרכוש אם מתרבה הגישה שלנו. השיטות ישימות בעת הפתיחה אופיינית מידות להשאר מתחת כ 0.5 m. עם זאת, פרוטוקול זה עשוי להיות מותאם לפסגות שחרור impactor, המהירות, אשר מבשרת טובות לתרגום הימיים תוצאות ויישומים בתעשייה.

מבוא

אפיון dynamics הפתיחה הנובעים אנכי ההשפעות של חפצים מוצקים על בריכת עמוק נוזלי1 ישימה ליישומים צבאיים, ימיים ותעשייתיים כגון טילים בליסטיים השקה הפוסט ו ים משטח נחיתה2, 3,4,5. המחקרים הראשונים של מים ערך נערכו טוב לפני יותר ממאה6,7. כאן, אנו להקים פרוטוקולים ברור מעמיק ו- best practices להשגת תוצאות עקביות לחקירות הזנת מים. כדי לסייע חוקי תכנון ניסויים, שיטה מוצג עבור תחזוקה של תנאים סניטריים, שינוי של התנאים פנים, שליטה על פרמטרים שהוא, שינוי כימי של משטח impactor, והדמיה של splash קינמטיקה.

ההשפעות אנכי של התחומים הידרופילית צניחה חופשית על הנוזל השבתה הדרגתית מראים שום סימן של מלכודת האוויר במהירויות נמוכות8. אנו מוצאים כי המיקום של בדים נחדרת דק על גבי המשטח נוזלים גורמת היווצרות חלל עקב זרימה מאולצת הפרדה1. כמות הדל של בד על פני מגביר להתיז על פני טווח של מספרים וובר מתון בעוד שכבות מספיקות נחלש מתיז הספירות להתגבר על הגרירה-כניסה נוזלים1. במאמר זה, נסביר פרוטוקולים מתאימים להקמת את ההשפעות של חוזק חומרים על כניסת מים הספירות הידרופילית.

חלל ויוצרים פרצים מ הידרופוביות impactors להראות הכתרתה של כתר הפתיחה מפותח, ואחריו בליטה של המטוס העיקרי גבוה מעל פני השטח כאשר לעומת עמיתיהם שלהם מים-חן8. כאן, אנו מציגים גישה להשגת מים repellency דרך כימית שינוי פני השטח של הספירות הידרופילית.

עם כניסתו של מצלמות מהירות גבוהה, ויזואליזציה הפתיחה ואפיון הפכו יותר להשגה. למרות זאת, מבוססת תקנים בתחום קוראים לשימוש של מצלמה בודדת אורתוגונלית לציר הראשי של נסיעות. אנו מראים כי השימוש של מצלמת מהירות גבוהה נוספים עבור תצוגות ממעל יש צורך adjudge הספירות להכות את המיקום המיועד.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הגדרת הניסוי עבור השפעות אנכי

  1. למלא מיכל מים שקוף של מידות כ 60 ס"מ x 30 ס מ x 36 ס מ (אורך x משקל x עומק) עם 32 לליטר מים, הר סרגל מד ('סולם חזותי') אנכית בתוך המכל כך הבסיס יושב על גבי הנוזל, כפי שניתן לראות באיור 1a.
    הערה: עומק ורוחב של הטנק חייב להיות גדול מ- 20 פעמים הקוטר של מרחבי הגדול בשימוש הניסוי כדי להבטיח קיר תופעות זניח9. מהירויות ערך גדול יותר מאשר אלה המתוארים כאן רצון מחייבים טנק ועומק. הסולם חזותי המשמש לקביעת גבהים טיפה וכיול של תוכנת מעקב נדון בסעיף 7.
  2. המקום סרגל מד נוספים מתחת למים, אשר יכול לפעול להגדלת מידות. סולם חזותי זה משמש לכיול מעקב תוכנה למדידות מתחת למים.
  3. לבנות פלטפורמה צירים ('מנגנון השחרור") משהה את הספירות מעל הנוזל, מסובב כלפי מטה, כדי להשיג יותר כוח המשיכה במיקום impactor כאשר שוחרר, וקולו האצת כפי שניתן לראות באיור 1a. סיבוב מהיר מושגת על-ידי חיבור פלטפורמת תלייה למרכז של הרכיב תמיכה באמצעות גומיות. התוצאה היא impactor לא נתמך, לא מסתובב.
    הערה: פלטפורמת בקלות מפוברק עם מדפסת תלת-ממד.
  4. לניסויים ההשפעה, במקום האגודל בסיס של פלטפורמת תלייה, לסובב אותו ב- 90° למיקום האופקי למיקום של ספירות מעל הנוזל.
    שים לב: התנצלות מופעלת כאשר האגודל הוא שוחרר מן הבסיס של הפלטפורמה.
  5. מוספית את מנגנון השחרור כדי עמדה אביק, כך ניתן להתאים את המכשיר לגבהים שונים.
  6. המקום התשובה לעמוד ליד הטנק כך מנגנון השחרור נמצא אותו מישור עומק כקנה המידה חזותי. להוסיף משקל הבסיס של העמדה אביק כנדרש, כדי למנוע הפלת.
  7. התאם את מנגנון השחרור עד לגובה המרבי הרצוי ושחרר ניסיוני. זה הוא הכרחי עבור ויזואליזציה אופטימלית התזה כמפורט בסעיף 6 ומבטיחה שהמאפיינים הפתיחה של עניין הם תמיד בתוך מסגרת צפייה של המצלמה.
  8. צרף רב הוביל אור זרוע לבטא כך האור נטענה מעל המצלמה, להסתכל למטה אל השפרצה. תאורת לבד לא מספיק להאיר את הסצנה במחירים מסגרת גבוהה נדרשת כדי לחלץ הפתיחה קינמטיקה.
    הערה: אחד לא יכול להיות יותר מדי אור.
  9. במקום מסך שחור בתוך מיכל המים כדי לסייע ויזואליזציה הפתיחה, חלל, כפי שניתן לראות באיור2.
  10. הצב בולם זעזועים הגנה על זכוכית, כגון ספוג תאים סגורים, בתחתית מיכל מים ולצרף עם משקולות כדי למנוע את התחדשות.
    הערה: גובה הנוזל במיכל צריך להיות כזה כי הספירה אינו פועל עם בולם זעזועים לפני קמצוץ לחלל האוויר את10.

2. שליטה הפרמטרים שהוא

  1. לערוך ניסויים עם הספירות חלקה של ההמונים קטרים שונים. בשביל זה, polyoxymethylene (למשל, דלרין) מטבע להכנת כדורי עובד טוב במיוחד ויש אין קו חלק עובש. למדוד גושים, קטרים עם איזון האנליטי, caliper ורניה, בהתאמה.
  2. לערוך ניסויים על טווח גבהים H כדי ליצור המהירות figure-protocol-1 בו figure-protocol-2 m/s2 הוא התאוצה בשל כוח המשיכה. למדוד את גובה עם קנה המידה חזותי בתוך מסגרת המצלמה.
    הערה: השתמש בתכונה אוטומטי מעקב בכלי ניתוח וידאו כפי שפורט בסעיף 7 כדי למדוד את המהירות.
  3. לערוך ניסויים עם נוזל תערובות של מים, פיתחה מתאים (למשל, גליצרין או סבון) כדי לשנות את מתח הפנים. מודדים מתח עם tensiometer פני השטח.
  4. לחשב את מספרי ריינולדס figure-protocol-3 ומספרים וובר figure-protocol-4 , שבו ρ היא צפיפות הנוזל, D הוא קוטר כדור, μ הוא צמיגות דינאמית של נוזל, σ מתח הפנים של הנוזל.

3. שמירה על תנאים סניטריים ניסיוני

  1. לערוך ניסויים בעת לבישת תעשייתי nitrile כפפות ולאחזר הספירות ממיכל מים עם סקופ מנוקה.
    התראה: העור באופן טבעי מייצרת שמנים אשר יכולים להשפיע על wettability של impactors. ויכתים תנאים נוזלים.
  2. לנקות את הכדורים עם 99% אלכוהול איזופרופיל ולאפשר לייבוש על 1 דקות בין ניסויים לצמצם את ההשפעה של זיהומים.
  3. אם באמצעות בדים כי להתפרק תוך כדי המכה, להחליף את המים במיכל אחרי כל משפט אם שאריות אין אפשרות לאסוף באופן ידני.
  4. בסוף הניסוי, לרוקן את המיכל ולהשאיר לו להתייבש.
  5. לפני ניסוי, לנקות את המיכל במים כדי להסיר כל הטומאות.

4. שכבות את השטח עם בדים נחדרת

  1. להפריד את הבד לתוך כיכר או עגולה עננים נים לקראת מבחנים ההשפעה. השתמש caliper ורניה דחוס עובי הבד.
    הערה: עובי הבד ישתנה כאשר הוא רטוב.
  2. לנוח בעדינות את המרקם יבש על גבי המשטח של הבריכה נוזלי. ודא עננים נים לא מתחילים את הירידה לפני שחרורו impactor להחליף בדים מיד לאחר התנגשות.
  3. השתמש סקופ מנוקה כדי למקם את הבד מתחת לרציף צירים לפני שחרור הספירות.
  4. (אופציונלי) לבצע את הבדיקות הבאות באמצעות דגימה בד עבור אפיון חומרים.
    1. לבצע בדיקות באמצעות כבודק מתיחה כדי לקבוע את הנפח של המדגם.
    2. השתמש מיקרוסקופ דיגיטלי כדי לקבל תצפית מיקרוסקופית של הבד, לקבוע אורך סיבים באמצעות כלי דימות.

5. הכנת הספירות כימית הידרופובי

  1. תרסיס הבסיס הידרופובי מעיל כ 15-30 ס מ פני כדור. הימנע לספוג את פני השטח. . תן לזה להתייבש 1\u20122 דקות לפני הוספת ציפויים נוספים. החלת שתי שכבות בסיס נוסף. לאפשר לו להתייבש במשך 30 דקות לפני החלת השכבה העליונה.
    הערה: המספר של השטח נוספים עשויים להשתנות בהתאם להמלצות יצרן המוצר.
  2. תרסיס העליון הידרופובי מעיל כ 15-30 ס מ מפני הקרקע. הימנע לספוג את פני השטח. . תן לזה להתייבש למשך 1-2 דקות לפני הוספת ציפויים נוספים. להחיל ציפוי עוד שניים או שלושה של המעיל העליון. אפשר להתייבש למשך 30 דקות לשימוש אור ו- h 12 לשימוש מלא.
    הערה: המספר של מעילים משטח נוספים עשויים להשתנות בהתאם להמלצות יצרן המוצר.
  3. לאחר כ-20 ניסויים, הופך ציפוי הידרופובי נפגעו עקב טיפול מופרז. להסיר את ציפוי עם 99% איזופרופיל וחזור על שלבים 5.1 ו- 5.2.

6. סינכרון מצלמות להמחשת הפתיחה

  1. הניחו מצלמה במהירות גבוהה עם עדשה מתאימה בניצב לציר ההשפעה ואת בשורה עם פני השטח של הנוזל.
    הערה: 55 מ"מ עדשה מעולה מספק נקודת התחלה טובה.
  2. היכן בדים כדי לשמש, להוסיף מצלמת מהירות גבוהה נוספים הניסוי כדי לספק מבט מלמעלה על ההשפעות, כפי שניתן לראות באיור 1b.
  3. סנכרן מצלמות מרובות למחשב באמצעות השלבים הבאים.
    1. להתחבר משני המסופים פלט של המצלמה אופקית משני המסופים קלט של המצלמה נוספים באמצעות כבלים BNC.
    2. לחבר את המתג על ההדק למצלמה אופקי בלבד.
    3. מתחברים כבלי Ethernet של שתי המצלמות נתב מנותק מהרשת מחובר למחשב.
      הערה: בהעדר נתב, לחבר כבלי Ethernet של מצלמות כדי להפריד בין מחשבים.
  4. בתוכנה רכישה וידאו, להגדיר את המצלמות עם ההגדרות הבאות. לקבוע במסגרת שיעור מינימלי של 1,000 fps, להגדיר את רזולוציית המסך לרזולוציה הרצויה. הגדר את מהירות תריס 1 לכל מסגרת השני וקבעו מפעיל מצב לסיים.
  5. מהגובה המרבי שחרור מבצעים סדרת הניסיונות כדי להבטיח כי הג'טס וורת'ינגטון בתוך מסגרת הווידאו.
  6. להתאים את מיקום המצלמה ואת המיקוד בהתאם עד איכות ההדמיה הרצויה מושגת.
  7. לאחר ההקלטה, לחלץ מדידות קנטית ו גיאומטריות מ וידאו באמצעות כלי ניתוח וידאו מתאימים. להשתמש Tracker, כלי ניתוח פתוח או כל תוכנה של יכולת השוואתי.

7. דיגיטציה ההשפעה קינמטיקה עם תוכנת המעקב

  1. בחר כיול סטיק מארגז הכלים המעקב ולהתאים אותו הסולם חזותי (איור 2 א), שהופך את המקל ארוכה ככל האפשר.
  2. לחץ על כיול סטיק והגדר את הערך של שינוי קנה מידה לאורך הסולם חזותי שמקיפות את המקל. כלומר, אם המקל כיול משתרע על 1 ס מ על סולם חזותי, להגדיר קנה מידה ל- 1.
    הערה: פעולה זו מבטיחה המידות שנלקחו תוכנה הם לפי סדר סנטימטרים.
  3. החלף מצב וידאו השמעה על-ידי לחיצה על התחל והפסק ולהגדיר וידאו על המסגרת הרצויה.
  4. בחר מקל מדידה מארגז הכלים המעקב ולחלץ הפתיחה הכתר גובה k, חלל רוחב b, חלל עומק lווורת'ינגטון סילון גובה h, כפי שניתן לראות באיור 2b,c.
    הערה: מקל מדידה מתכוונן בשני קצותיו, וניתן להשתמש בו זמנית עם אזורים אחרים בארגז הכלים.
  5. בחר מד-זווית מארגז הכלים המעקב ומדידת זווית ההפרדה q של נוזל ביחס impactor, כפי שניתן לראות באיור 2b. מד מתכוונן בשני קצותיו, וניתן להשתמש בו זמנית עם אזורים אחרים בארגז הכלים.
  6. בחר את התכונה למעקב אוטומטי אחר התוכנה כדי להקליט את המיקום הזמני ונתונים מהירות. מתי מעקב הוא קטוע בגלל חוסר בהירות וידאו, שימוש ידנית שטרי עד בהירות מתקבל או למעקב אוטומטי אחר הוא חידש.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

זה הוקמה פרוטוקולים המתירים שמירה על הג'טס וורת'ינגטון הנובעים אנכי משפיע על מספר מגוון של וובר figure-results-1 כפי שניתן לראות באיור 2 c. תוצאות אלו מתפרסמים Watson et al.1, אשר ניתן להפנות עבור התנאים ניסיוני המדויק להשתמש בהם כדי לייצר את הנתונים שהוצגו במסמך זה. אנו מתמקדים הסרט מוארך הצר של נוזלים בולטות מעל פני השטח נוזל חופשי. באיור 3 אנו מראים שכמות...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

פרוטוקול זה מתאר את תכנון ניסויים ושיטות עבודה מומלצות עבור חקירות של כדורים צניחה חופשית אל בריכת עמוק נוזלי. נתחיל על-ידי סימון השלבים הנחוצים עבור קביעת תצורה של הניסוי על השפעות אנכי. זה חשוב ליצור סביבה הפתיחה האידיאלית עם השימוש ההתזה גדול מספיק כך קיר תופעות זניח9ו סולם חזותי מתאים עבור חילוץ קינמטיקה12,13,14 ,15,16,<...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אין לחשוף.

תודות

המחברים רוצה להכיר את המכללה האקדמית להנדסה ואת המחשב מדעי (CECS)-אוניברסיטת מרכז פלורידה למימון הפרויקט, יהושע Bom, כריס Souchik עבור התזה דימויים וסמית ניקולס למשוב יקרי ערך.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מדפסת תלת מימדFlashForgeCreator Proשחול כפול
אלכוהולברבורM31499% איזופרופיל
BNC כבליםThorlabs2249-C-24
קליפרבכל עת כלים203185מצלמת חיוג
PhotronMini AX-10016GB מחשב זיכרון RAM
DellWindows 7 Pro
בדג'ורג'יה פסיפיק19378נייר טואלט
בדKleenex10036000478478רקמות
חותך לייזרGlowforgeאורות בסיסיים
GS VitecLT-V9-15מיקרוסקופ רב LED
KeyenceVHX-900F
מעמד רטרטVWRVWRF08530.083
נתבASUSRT-N12כבוי
סרגלWestcott10432מטר סרגל
תוכנהגששקוד פתוחתוכנת ניתוח וידאו
PhotronFastcam Viewerהקלטת וידאו
כדוראמזון8DELSETDelrin
ספרייחלודה-אוליאום274232דוחה מים
פעילי שטחשחר37000973782סבון נוזלי
פעילי שטחUSP כשר5 ליטרגליצרין
בודק מתיחהMTSדגם 42
מתג הדקמיכל מים בהתאמה אישית
מר אקווהMA-730זכוכית לא מחוסמת
דיגיטלי רשת

מקורות

  1. Watson, D. A., Stephen, J. L., Dickerson, A. K. Jet amplification and cavity formation induced by penetrable fabrics in hydrophilic sphere entry. Physics of Fluids. 30, 082109(2018).
  2. Truscott, T. T. Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles. , Massachusetts Institute of Technology. Doctor of Philosophy Thesis (2009).
  3. Truscott, T., Techet, A. Water entry of spinning spheres. Journal of Fluid Mechanics. 625, 135(2009).
  4. Techet, A., Truscott, T. Water entry of spinning hydrophobic and hydrophilic spheres. Journal of Fluids and Structures. , 716(2011).
  5. Zhao, S., Wei, C., Cong, W. Numerical investigation of water entry of half hydrophilic and half hydrophobic spheres. Mathematical Problems in Engineering. 2016, 1-15 (2016).
  6. Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 137, 137(1897).
  7. Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Paper II. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. , 175(1900).
  8. Duez, C., Ybert, C., Clanet, C., Bocquet, L. Making a splash with water repellency. Nature Physics. 3, 180-183 (2007).
  9. Tan, B. C. W., Thomas, P. J. Influence of an upper layer liquid on the phenomena and cavity formation associated with the entry of solid spheres into a stratified two-layer system of immiscible liquids. Physics of Fluids. 30, 064104(2018).
  10. Shin, J., McMahon, T. A. The tuning of a splash. Physics of Fluids. 2, 1312-1317 (1990).
  11. Krishnan, S. R., Seelamantula, C. S. On the selection of optimum Savitzky-Golay filters. IEEE Transactions on Signal Processing. 61, 380-391 (2013).
  12. Cheny, J., Walters, K. Extravagant viscoelastic effects in the Worthington jet experiment. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 67, 125-135 (1996).
  13. Castillo-Orozco, E., Davanlou, A., Choudhur, P. K., Kumar, R. Droplet impact on deep liquid pools: Rayleigh jet to formation of secondary droplets. Physical Review E. 92, (2015).
  14. Aristoff, J. M., Truscott, T. T., Techet, A. H., Bush, J. W. M. The water entry cavity formed by low bond number impacts. Physics of Fluids. 20, 091111(2008).
  15. Aristoff, J., Bush, J. Water entry of small hydrophobic spheres. Journal of Fluid Mechanics. 619, 45-78 (2009).
  16. Aristoff, J., Truscott, T., Techet, A., Bush, J. The water entry of decelerating spheres. Physics of Fluids. 22, (2010).
  17. Truscott, T., Epps, B., Techet, A. Unsteady forces on spheres during free-surface water entry. Journal of Fluid Mechanics. 704, 173-210 (2012).
  18. Truscott, T. T., Epps, B. P., Belden, J. Water entry of projectiles. Annual Review of Fluid Mechanics. 46, 355-378 (2013).
  19. Gekle, S., Gordillo, J. M. Generation and breakup of Worthington jets after cavity collapse part 1. Journal of Fluid Mechanics. 663, 293-330 (2010).
  20. Cross, R., Lindsey, C. Measuring the drag force on a falling ball. The Physics Teacher. 169, (2014).
  21. Cross, R. Vertical impact of a sphere falling into water. The Physics Teacher. , 153(2016).
  22. Dickerson, A. K., Shankles, P., Madhavan, N., Hu, D. L. Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (25), 9822-9827 (2012).
  23. Dickerson, A. K., Shankles, P., Hu, D. L. Raindrops push and splash flying insects. Physics of Fluids. 26, 02710(2014).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Worthington Jet

מאמרים קשורים