Name: חוסר יציבות הסיבוב המגנטי המושרית ריילי-טיילור (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: חקור את השפעת הסיבוב על מערכת נוזלית לא יציבה כבדית באמצעות שדה מגנטי מדרגתי. שיטה זו מאפשרת לחקור את התחרות בין אפקטי הייצוב של הסיבוב להשפעות הכבידה המפריעות בדינמיקת נוזלים.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

RJAH מכיר בתמיכה ממלגת EPSRC EP/I004599/1, MMS מכיר במימון מ-EPSRC תחת מענק מספר EP/K5035-4X/1.

הערה: הציוד המשמש לניסויים מוצג באופן סכמטי באיור. 2. החלק העיקרי של מנגנון מורכב של פלטפורמה מסתובבת (300 מ&quot;מ × 300 מ&quot;מ) רכוב על גליל נחושת (בקוטר 55 מ&quot;מ) היורד תחת כובד משקלו לתוך שדה מגנטי חזק של מגנט מוליך (1.8 T) עם חדר טמפרטורה נושא אנכי. הפלטפורמה נעשית כדי לסובב באמצעות מנוע מחוץ ציר שהופך תלושות נושאות עם פתח חור מנעול. הגליל נחושת מחובר פיר מפתח בצורת כונן שמסתובב זמנית, ויורד פעם החזקת פיני מוסר. 1. הכנת ציוד Non-Standard <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סירת הנפקה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפוך את גודל הסירה כך שהוא מתאים בנוחות בתוך הטנק הניסיוני בלי לגעת הצדדים. הערה: ספינת ההנפקה (. ראה איור 3) מורכבת קירות קלקר ובסיס ספוג. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגן על הספוג בשכבת stנייר טישו רונג. הערה: מטרת נייר הטישו היא להפיג עד כמה מומנטום אנכי מן הנוזל שפך לתוך הסירה ככל האפשר. </li></ol></li></ol> 2. הכנת הניסוי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכין שכבות נוזלות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אפשר מים מזוקקים לבוא עד לטמפרטורת מעבדה (22 ± 2 ° C). כ 650 מ&quot;ל נדרש עבור כל מימוש ניסיוני. הערה: כדי לאפשר את זרימת התערובת לאזן מונעת היווצרות של בועות בניסוי בשל exsolving אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפרד את המים המזוקקים לתוך כמויות שווות בשני מיכלים נפרדים, A ו- B, אשר ישמשו כדי להכין נוזל עבור השכבה תחתונה הצפופה שכבה עליונה אור בהתאמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנה אקס-באתרו של שכבה תחתונה צפופה. כדי תוכן של מיכל: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף NaCl כדי להשיג ריכוז של 0.43 mol NaCl לליטר מים (כ 25 גרם של NaCl לליטרמים יידרשו); </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף 0.33 גר &#39;אדום וכחול צבעים-התחקות מים למכל השכבה התחתונה (למשל, קול-בן זוג 00,295-16 &amp; -18); </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף 0.1 גרם ל -1 נתרן והעמסה. הערה: השכבה התחתונה תהיה עכשיו להיות אטום במראה יש צפיפות של כ 1012.9 ± 1.2 קילו מ -3. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנה אקס-באתרו של השכבה העליונה אור. לאמור מיכל B: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף MnCl 2 מלח כדי להשיג ריכוז של 0.06 mol MnCl 2 לליטר מים (כ 12 גרם של MnCl 2 לליטר מים). הערה: השכבה העליונה תהיה שקופה במראה יש צפיפות של כ 998.2 ± 0.5 קילו מ -3. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לגוון את הצמיגות של השכבות הנוזלות, להוסיף גליצרול C 3 H 8 O 3 בסכומים שווים לכל שכבה עד הצמיגות הרצויה מושגת. viscositie האופייניתs שקר בטווח 1.00 × 10 -3 - 21.00 × 10 -3 אבא של. הצמיגות של כל שכבה זהה. הערה: תערובות ניתן לאחסן בבטחה במיכלים נפרדים שלהם עד לרגע השימוש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנה אקס-באתרו של ריבוד צפיפות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הוספת 300 מ&quot;ל של תכולת מיכל למיכל הפנימי גלילי (ראה איור. 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את הספוג של סירת ההנפקה בנוזל מהמכל B. הערה: לאחר (2.1.6.2) ההליך הוא בתקופה רגישה, ועל כן אין לבצע כל צעדים נוספים עד שכל המגנט תאורה, הקלטה ומנגנונים מכניים מוכנים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הרם את סירת ההנפקה מתוך המכולה B ו-, כשזה הפסיק לטפטף, למקם את סירת ההנפקה בזהירות על גבי השכבה של נוזל סמיך במכל הגלילי הפנימי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתחיל להוסיף נוזל אור שכבתי מהמכל B לסירת ההנפקה בקצב זרימה של3 מ&quot;ל / דקה. בהדרגה להגדיל את שיעור הזרימה הזו כשהסירה הנפקה מרים הרחק ממשק בין שתי השכבות. לשמור על קצב איטי מספיק לזרום שהממשק אינו מופרע על ידי התאוצה המוגברת של זרימת הנוזל, אבל מהר מספיק כי תהליך זה לוקח לא יותר מ -20 דקות. שמור מילוי עד השכבה העליונה מכילה 320 מיליליטר של נוזל. הערה: השכבה התחתונה תהיה בעומק של כ 33 מ&quot;מ, ואת השכבה העליונה תהיה בעומק של כ 39 מ&quot;מ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הורד בזהירות את מכסת פייברגלס לתוך השכבה העליונה כך במעמקי השכבה של כל שכבה שווים. אפשר נוזל לאוויר לזרום דרך החורים לדמם, להבטיח כי אין אוויר לכוד מתחת. שימו שכבה (כ. 6 מ&quot;מ) של נוזל שכבת אור בהיר על גבי מכסה פרספקס. הערה: אם התהליך הצליחה תהיינה שתי שכבות של נוזל עומק שווה עם ממשק חד ביניהם. העובי של שכבת דיפוזיה על הממשק יהיה פחות מ -2 מ &#39;מ &#39;בשלב זה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מלא את המכל החיצוני עם מים מזוקקים ברורים עד לגובה 6 מ&quot;מ מעל המכסה פייברגלס של המכל הפנימי. לאחר התבוננות מרובעת על לא תהיה פרלקסה הנגרמת עקמומיות הנובעים מיכל הגלילי הפנימי. הערה: מאז נוזלים בכל שכבה הם לשדר ללא הרף על פני הממשק בשלב זה, יש לפנות מייד את הפעולות הבאות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ספין-אפ של ריבוד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מיכל ניסיוני על הרציף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מקם את ההסדר עם גליל הנחושת הנישאת של המגנט, פיר הכונן דרך פתח חור המנעול במסלול ופין ההחזקה בעמדה. ודא כי המיכל הוא רחוק (60 ס&quot;מ) מן מגנט כזה כי כוחות מגנטיים על נוזלים הם זניחים בעמדה זו. הערה: נשיאת טנק ניסיוני המכיל את ריבוד מציגה מעט קשיים; משרעת ארוכה, נמוכה, גליים משתכשכים להגדיר על ידי הליכה עם המיכל הדואר יתפרק משם, שיש להם השפעה זניחה על איכות הממשק המושג כאשר צפו השכבה העליונה על. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את המנוע, להגדיל את שיעור סיבוב ב 0.002 rad s -2, מסובב את הנוזל לשיעור הסיבוב הרצוי. לקבלת שיעורי הסיבוב 16 זמן הספין-אפ היה הצו 20 דק &#39;- דקות 60. הערה: שיעור הסיבוב המהיר ביותר היה בשימוש -1 s 13.2 rad. </li></ol></li></ol> ביצוע 3. ניסוי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא המגנט מורה על עוצמת השדה של 1.2 T, וכי בשיא שבו חוסר היציבות הוא יזם את שיפוע השדה הוא (גראד B 2) / 2 = -14.3 T 2 מ -1, שבו B הוא השטף המגנטי . </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא כי מצלמת הווידאו מסודרת כזה שכאשר פיר הכונן נמצא בעמדה הנמוכה ביותר גם בתצוגה בצד של הניסוי היא בפוקוס, או נוף תכנית הוא בפוקוס באמצעות pl במראהaced מעל הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא התאורה המפוזרת היא ברמות הנכונות, כך שאף אחד בתמונה שצולמה באמצעות המצלמה רוויה, אך שהתגובה המלאה משמשת (עוצמות בגוונים אפורות בטווח 0-255). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין הקלטת וידאו (240 fps). השתמש בשלט רחוק כדי למנוע הזזת המצלמה תוך הפעלת פונקצית השיא. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את פין ההחזקה, המאפשר הטנק לרדת, תוך כדי סיבוב, לתוך השדה המגנטי. </li></ol> 4. ניסוי איפוס <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> איפוס אסדת ניסיוני <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בשלט הרחוק כדי להפסיק את הקלטת וידאו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור את קובץ הסרט לדיסק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ביד, להנמיך את המתח של המנוע כך שהוא מאט לנקודת קיפאון. בצע את זה בהדרגה כדי למנוע spillages. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סר הסדר ניסיוני מן המגנט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השלך את שכבות נוזל המעורבות כראוי (ראה מנגנים כלוריד tetrahydrate MSDS). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המיכל עם מים (זהלא צריך להיות מזוקק), עד שכל העקבות של מלחים נשטפו. יש להימנע ממגע העור ישיר עם נוזלים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לייבש את הטנק בקפידה בנייר טישו, כדי לוודא ששום שאריות שנשארו עלול לזהם בניסויים הבאים. </li></ol></li></ol> עיבוד תמונה 5. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חלץ את התמונות הבודדות מתוך כל מסגרת סרט ולשמור lossless .png. להסוות את כל אזורים לא רצויים של כל מסגרת, למשל צילינדר הפלטפורמה או נחושת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חישוב הפונקציה דו ממדי אוטומטי מתאם 16 של כל מסגרת תמונה עבור 2 שניות לאחר תחילת חוסר היציבות באמצעות פורייה מהירה דיסקרטית מרה. רשום את המינימום, כלומר, ואת הערך מקסימאלי של הגל שנצפה עבור קצב סיבובה של הניסוי ואת הצמיגות של השכבות הנוזלות. </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>
<li>Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/222484421_Rayleigh-Taylor_instability_experiments_with_image_analysis">Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis.</a> Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).</li>
<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>
<li>Lord Rayleigh, <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1112/plms/s1-14.1.170/full">Investigation of the Character of the Equilibrium of an Incompressible Heavy Fluid of Variable Density.</a> Proc. Lon. Math. Soc. 14, 170-177 (1883).</li>
<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>
<li>Limat, L., Jenffer, P., Dagens, B., Touron, E., Fermigier, M., Wesfreid, J. E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/016727899290160O">Gravitational instabilities of thin liquid layers: dynamics of pattern selection.</a> Physica D. 61, 166-182 (1992).</li>
<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>

החוקרים אין לי מה לחשוף.

ישנם שני שלבים קריטיים בתוך הפרוטוקול. הראשונה היא 2.1.6.4. אם אור השכבה הוא צף על השכבה הצפופה מדי במהירות ואז ערבוב בלתי הפיך של שתי שכבות נוזל בליל מתרחש. זה חיוני כי זה הוא נמנע וכי ממשק חד (&lt;2 מ&quot;מ) בין שתי השכבות מושגת. השלב הקריטי השני הוא 3.1.5. אם הניסוי הוא שוחרר לכיוון המגנט מבלי סובב במלואן לתוך סיבוב גוף מוצק או בלי המנגנון הלכיד להדמיה ותמונה בעמדה על מתנה ואז לחזור על התהליך (2.1.6). הרכב של...

<html> מערכת נוזל ריבוד צפיפות מורכבת משתי שכבות ניתן לארגן בשדה הכביד או אורווה או תצורה יציבה. אם שכבת הכבד הצפופה ביסוד פחות צפופה, שכבת האור אז המערכת היא יציבה: הפרעות לממשק יציבות, שוחזר על ידי כוח הכביד, וגלים עשויים להיות נתמכים על הממשק. אם שכבת כבד שכבות שכבת האור אז המערכת אינה יציבה ו פרעות אל grow הממשק. חוסר יציבות נוזל יסוד זו היא חוסר יציבות 7 ריילי-טיילור, 8. בדיוק אותו חוסר היציבות הזה עלול להיות שנצפה מערכות שאינן מסתובבות מואצים לקראת השכבה הכבדה. בשל אופיו הבסיסי של חוסר היציבות הוא ציין בתזרים רב מאוד כי גם להשתנות במידה רבה בקנה מידה: מתופעות סרט דק בקנה מידה קטנה 9 לתכונות מידה אסטרופיסיקאליות שנצפו, למשל, ערפילי הסרטןEF &quot;&gt; 10, שבו מבנים דמויי אצבע הם נצפו, נוצרו על ידי רוחות פולסר שיואץ שאריות סופרנובה צפופות. זוהי שאלה פתוחה היא כיצד חוסר יציבות ריילי-טיילור ניתן לשלוט או משפיע פעם הבדל הצפיפות היציב הראשוני היה אפשרות הוקמה ב ממשק. אחת היא לשקול סיבוב הארי של המערכת. מטרת הניסויים היא לחקור את השפעת הסיבוב על המערכת, והאם זו יכולה להיות דרך כדי ייצוב. אנו רואים מערכת נוזל שמורכבת ריבוד יציבה דו שכבתית כבידתית כי כפופה סיבוב קבוע על ציר מקביל לכיוון הכח הכביד. הפרעות כדי ריבוד צפיפות דו שכבתית יציבה מובילות דור baroclinic של ערבוליות, כלומר, התהפכות, על קו התפר, נוטים התפרקות כל מבנים אנכיים. עם זאת, נוזל מסתובב ידוע יתארגן אנכי רח קוהרנטיתructures מיושר עם ציר הסיבוב, מה שנקרא &#39;עמודות טיילור&#39; 11. לפיכך המערכת תחת החקירה עוברת תחרות בין ההשפעה המייצבת של הסיבוב, כי מארגן את הזרימה לתוך מבנים אנכיים ומניעת שתי שכבות התהפכות, ואת ההשפעה המערערת של הנוזל הצפוף שמעל נוזל ההצתה שיוצר תנועת התהפכות על הממשק . עם שיעור סיבוב הגדיל את היכולת של שכבות הנוזלות להעביר רדיאלית, עם חוש מול זה לזה, על מנת לארגן מחדש את עצמם לתוך תצורה יציבה יותר, היא עצורה יותר ויותר על ידי משפט טיילור-Proudman 12, 13: תנועת המחוגים מצטמצמת ואת המבנים ציינו כי יתממשו כמו חוסר יציבות המפתחת הם קטנים בקנה מידה. תאנה. מופעים 1 איכותי השפעת הסיבוב על המערבולות נוצרות כאשר היציבות מתפתחת. בתוך התמונה ביד שמאל אין סיבוב הזרימה היא קירוב לאי יציבות קלאסית הלא מסתובבת ריילי-טיילור. בתמונת יד ימין את כל הפרמטרים של הניסוי זהים תמונה ביד שמאל חוץ מזה המערכת מתבצעת לסובב סביב ציר אנכי מיושר עם המרכז של הטנק. ניתן לראות כי ההשפעה של הסיבוב היא להפחית את גודל המערבולות כי נוצר. זה, בתורו, גורם לחוסר יציבות שמתפתח לאט יותר מאשר עמיתו הלא מסתובב. ההשפעות המגנטיות שמשנות את טנזור המאמץ בנוזל עשויות להיחשב מתנהג באותה הצורה כמו שדה הכביד שונה. לכן אנחנו מסוגלים ליצור ריבוד יציב כבידתית ומסובב אותו לתוך סיבוב גוף מוצק. כוחות הגוף המגנטי שנוצר על ידי הטלת השדה המגנטי שיפוע אז לחקות את השפעת שינוי שדה הכבידה. זה הופך את הממשק היציב כך Beha מערכת הנוזליםves, כדי קירוב טוב, כמו חוסר יציבות קלאסית ריילי-טיילור תחת סיבוב. גישה זו כבר ניסתה בעבר בשני ממדים ללא סיבוב 14, 15. עבור שדה מגנטי שיפוע להחיל עם B שדה מגנטי מושרה, כוח הגוף להחיל נוזל של χ רגישות נפח מגנטי הקבוע ניתן על ידי f = גראד (χ B 2 / μ 0), שבו B = | B | ו μ 0 = 4π × 10 -7 NA -2 היא החדירות המגנטית של מקום פנוי. ניתן אפוא לשקול המגנט כדי לתפעל את המשקל היעיל של כל שכבה נוזלת, שבו המשקל היעיל ליחידת נפח של נוזל של ρ צפיפות בשדה הכבידה של g הכח ניתן על ידי g ρ - χ (∂ B 2 / ∂ z ) / (2 μ 0).

<table><tbody><tr><td>צבע מעקב אחר מים כחולים</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>צבע איתור מים אדום</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>נתרן כלורי</td><td></td><td></td> <td>>99% טוהר</td></tr><tr><td>מנגן כלוריד טטרהידרט</td><td></td><td></td><td>ראה MSDS</td></tr><tr><td>פלואורסצאין מלח נתרן&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>מגנט</td><td>קריוגני בע"מ לונדון</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

חוסר יציבות הסיבוב המגנטי המושרית ריילי-טיילור

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

טכניקות קלסיות חוקר את חוסר יציבות ריילי-טיילור כוללות שימוש גזי דחוסים 1, טילים 2 או מנועים ליניאריים חשמליים 3 להפוך את הכיוון היעיל כובד, ולהאיץ את הנוזל המצית לעבר הנוזל הצפוף. מחברים אחרים כגון 4, 5, 6 נפרדו ריבוד יציב כבידתית עם מחסום כי הוא הסיר כדי ליזום את הזרימה. עם זאת, הממשק הראשוני פרבוליות במקרה של ריבוד מסתובבת מטילה קשיים טכניים משמעותיים באופן ניסיוני. אנו רוצים להיות מסוגלים ספין את ריבוד לתוך סיבוב מוצק גוף ורק אז ליזום את הזרימה כדי לחקור את ההשפעות של סיבוב על חוסר יציבות ריילי-טיילור. הגישה שאימצנו כאן היא להשתמש בשדה המגנטי שלמגנט מוליך כדי לתפעל את המשקל היעיל של שני הנוזלים ליזום את הזרימה. אנו יוצרים ריבוד דו שכבתי יציבת כבידתית שימוש בטכניקות הנפקה סטנדרטיות. השכבה העליונה היא פחות צפוף מאשר השכבה התחתונה וכך המערכת היא יציבה ריילי-טיילור. ריבוד זה ואז סובב-עד שני השכבות נמצאות סיבוב מוצק גוף וממשק פרבוליות הוא ציין. ניסויים אלה להשתמש בנוזל עם רגישות מגנטית נמוכה, | χ | ~ 10 -6 - 10 -5, לעומת ferrofluids. ההשפעה הדומיננטית של השדה המגנטי חלה גוף-כוח לכל שכבה לשנות את המשקל היעיל. השכבה העליונה היא פאראמגנטיים חלושות בעוד השכבה התחתונה היא diamagnetic חלושה. כאשר השדה המגנטי מוחל, השכבה התחתונה היא דחויה מן המגנט בעוד השכבה העליונה נמשכת לכיוון המגנט. אי יציבות ריילי-טיילור מושג עם יישום של שדה מגנטי שיפוע גבוה. עוד ראינו כי increasing הצמיגות הדינמית של הנוזלים בכל שכבה, מגדיל את קנה באורך של חוסר היציבות.

תאנה. 4 מציג את ההתפתחות של אי יציבות ריילי-טיילור על הממשק בין שני הנוזלים, במשך ארבעה שיעורי סיבוב שונים: Ω = 1.89 rad s -1 (בשורה העליונה), Ω = 3.32 rad s -1, Ω = 4.68 s rad - 1, ו Ω = 8.74 rad s -1 (בשורה התחתונה). הממשק מוצג מתפתח בזמן מן t = 0 s (העמודה הימנית) בקפיצות של 0.5 s ל- t = 3.0 s (בעמודה הימנית). בעמודה הימנית ולכן מייצג 0.90, 1.59, 2.23, ו 4.17 מהפכות מלאות בהתא...

אנו מציגים פרוטוקול להכנת נוזל מרובד בצפיפות דו-שכבתית שניתן לסובב אותו לסיבוב גוף מוצק ולאחר מכן לגרום לחוסר יציבות ריילי-טיילור על ידי הפעלת שדה מגנטי שיפוע.

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

המטרה הכללית של ניסוי זה היא לצפות בהשפעה של סיבוב על מערכת שאינה יציבה גרביטציונית, המורכבת מנוזל דחוס המונח מעל נוזל פחות דחוס. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בדינמיקה של נוזלים, כגון האופן שבו ההשפעה המייצבת של הסיבוב מתחרה ומתקשרת עם ההשפעה המערערת של כוח הכבידה. המאפיין המרכזי של טכניקה זו הוא היכולת ליצור מערכת דו-שכבתית מסובבת ויציבה, ולאחר מכן להשתמש במגנט כדי לשנות את המשקלים האפקטיביים של כל שכבה, ובכך לעורר את חוסר היציבות.זהו המכשיר המשמש לניסוי. הרכיבים העיקריים הנראים הם פלטפורמה מסתובבת עבור מיכל הניסוי, גליל נחושת התומך בה, ומגנט מולי-על עם חלל פנימי בטמפרטורת החדר. הגליל יורד אל תוך חלל המגנט ואל שדה מגנטי של 1.8 tesla.סכימה זו מספקת פרטים נוספים על הסידור. סיבוב הפלטפורמה מופעל על ידי מנוע מחוץ לציר המסיבב מיסב החלקה עם פתח בצורת חור מנעול. גליל הנחושת מחובר לציר ההנעה בצורת מפתח ויורד תחת משקלו העצמי כאשר פין העיגון מוסר.המערך המלא כולל תאורה ומצלמה בשליט רחוק לצילום תמונות. כאשר המיכל ממוקם על הפלטפורמה, העבירו את ציר ההנעה למצב הנמוך ביותר שלו. ודאו שמצלמת הווידאו מספקת תצפית על הניסוי שהיא ממוקדת ומוארת כראוי.כדי להכין את הניסוי, מקמו את הפלטפורמה ואת גליל הנחושת במיקום הגבוה ביותר שלהם. נעלו את הגליל במקומו באמצעות פין החבירה. לאחר שכל השאר הוגדרו, הוציאו את המיכל כדי להכינו לניסוי.בסביבת שולחן המעבדה, התחילו להכין את הנוזלים עבור המיכל. עבור השכבה הצפופה, התחילו עם 250 milliliters של מים מזוקקים בטמפרטורת החדר, והוסיפו למים כ-6.25 grams של sodium chloride. רכיבי השכבה העליונה הקלה הם 325 milliliters של מים מזוקקים בטמפרטורת החדר, יחד עם manganese chloride וצבעי מעקב למים בצבעי אדום וכחול.הוסף כמות קטנה של fluorescein sodium כדי להשלים את ההכנה. שני הנוזלים מוכנים כעת לניסוי. הנוזלים המרובדים יישמרו במיכל גלילי שקוף, בעל מכסה לוסיט שמתאים לו.למכסה יש חורי ניקוז המאפשרים זרימה של נוזלים ואוויר. בנוסף למכל ולנוזלים, הכין סירת ציפה לשימוש. סירת הציפה מורכבת מדפנות סטרן על בסיס ספוג.יש לבطن את תחתיתו של החלק הפנימי בנייר רקמה חזק. הסירה צריכה להתאים בקלות למיכל הניסוי מבלי לגעת בדפנות. המשיכו לשלבים הבאים רק כאשר אתם מוכנים לביצוע הניסוי.התחילו עם הנוזל בעל הצפיפות הגבוהה והוסיפו אותו למכל. הפסיקו כאשר הוספו 300 milliliters. לאחר מכן, הכינו מכל רזרבי (header tank) עם סרט תפיסה (clamp) ופיתול (tubing) עבור הנוזל בעל הצפיפות הנמוכה.מיכל הכותרת (header tank) צריך להכיל לפחות 350 milliliters והתפס צריך לאפשר שליטה על זרימת הנוזל. המשיכו בהוספת נוזל בעל דחיפות נמוכה למיכל הכותרת. לאחר מכן, התקינו את מיכל הכותרת מעל מיכל הניסוי כדי לאפשר שחרור של הנוזל סמוך לפני השטח של הנוזל בעל הדחיפות הגבוהה.הנח את סירת הציפה על פני הנוזל בעל הצפיפות הגבוהה. כוונן את התפס במיכל הראשי כדי להוסיף נוזל בעל צפיפות נמוכה לסירת הציפה, בקצב של כ-3 milliliters per minute. עם הזמן, הנוזל בעל הצפיפות הנמוכה מפעפף דרך הספוג ויוצר שכבת נוזל קלה מעל הנוזל בעל הצפיפות הגבוהה.בעוד הסירה עולה מהממשק, הגבירו בהדרגה את קצב הזרימה. המשיכו במילוי עד שמיכל המקור יתרוקן. לאחר שהנוזל נשאב לחלוטין, הסירו את סירת הציפה באיטיות כדי לצמצם את הטפטוף והביאו את המכסה עבור מיכל הניסוי.מקם את המכסה, והתחל להורידו אל השכבה העליונה של הנוזל. עצור כאשר העומקים של כל שכבה שווים, ואין בועות אוויר כלואות. אם הפעולה הצליחה, ייווצרו שתי שכבות נוזל בעומק שווה עם ממשק חד בין השתיים.יהיה גם שכבה של נוזל בעל צפיפות נמוכה מעל למכסה הלוסייט. פעלו במהירות לביצוע הניסוי והעבירו בזהירות את המיכל אל המכשיר. הניחו את מיכל הניסוי על הפלטפורמה, תוך שמירתו במרחק מהמגנט.הפעילו את המנוע והגבירו את קצב הסיבוב לאט על ידי העלאת מתח אספקת הכוח עד להגעה לקצב הרצוי. לאחר הגעה לקצב הסיבוב הרצוי, התחילו בהקלטת וידאו והתמקמו כדי להסיר את פין העיגון. כאשר תהיו מוכנים, הסירו את הפין ואפשרו למיכל לרדת אל תוך השדה המגנטי.תמונות אלו הן צילומי רגע של הממשק הנוזלי עבור ארבעה קצבי סיבוב שונים. כל עמודה תואמת לזמן שונה ועולה במרווחים של חצי שנייה. בזמנים מוקדמים, למשל בסימון של שנייה אחת, עבור כל קצב סיבוב, קיימת הפרעה לממשק עם קנה מידה אורך דומיננטי.עם הגברת קצב הסיבוב, רוחב המבנים דמויי הנחש קטן. תמונות אלו לקוחות מסדרת ניסויים עם צמיגות נוזל משתנה וקצב סיבוב קבוע. כל עמודה תואמת לזמן אחר.קנה המידה הנצפה של חוסר היציבות גדל ככל שהצמיגות עולה מערכים נמוכים לערכים גבוהים יותר. על ידי שרטוט אורך גל הרדיו הדומיננטי כפונקציה של קצב הסיבוב, ניתן להבחין בסף נמוך יותר עבור קנה המידה של חוסר היציבות. בנתונים אלו, עבור שכבות נוזל בעלות צמיגות מקורבת לזו של מים, מעל קצבי סיבוב של כארבעה רדיאנים לשנייה, הסף הנמוך הוא בערך ששה מילימטרים.לאחר השליטה בטכניקה, ניתן לבצעה בשעה אחת אם היא מבוצעת כהלכה.

magnetically-induced-rotating-rayleigh-taylor-instability

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

דימות תהודה מגנטית (MRI) מספק כלי רב עוצמה כדי להעריך את היעילות של ציוד תהליך במהלך המבצע. אנו דנים את השימוש של ה-MRI כדי להמחיש ערבוב במערבל סטטי. היישום הרלוונטי מוצרי טיפוח, אבל יכול להיות מיושם על מגוון רחב של נוזלים, מזון כימי, ביומסה וביולוגיים.

כימות ערבוב באמצעות תהודה מגנטית

שתלי סטנט בעקמומיות עורקים היצרות מועדים לכשלים "מסוג IV" הכוללים שבר רוחבי מלא של סטנטים ותזוזה ליניארית של החלקים השבורים. אנו מציגים פרוטוקול לזיהוי מבני זרימה משנית (מערבולת) במודל עורק עקום, במורד הזרם של כשלים בסטנטים "סוג IV" רלוונטיים מבחינה קלינית.

חקירה ניסויית של מבנים זרימה משני Downstream של כישלון IV סטנט דגם הקלד סעיף מבחן עורק 180 ° מפותל

כאן, אנו מתארים הליך המשתמש בטכניקת שלירן בקנה מידה מיקרו כדי למדוד אי הומוגניות ערבוב במכשיר מיקרופלואידי. באמצעות כיול ניתן לגזור את התפלגות שיפוע הריכוז מתמונת המיקרו-שלירן.

ניתוח inhomogeneity ערבוב במכשיר microfluidic על ידי טכניקת microscale Schlieren

אנו משתמשים בהדפסת תלת מימד כדי לייצר חלקיקים אנזוטרופיים בצורות של שקעים, צלבים, טטרדות ושלישיות, שניתן למדוד את היישור והסיבובים שלהם בזרימת נוזל סוערת ממספר תמונות וידאו בו זמנית.

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence

אנו מציגים פרוטוקול ליצירת סרט בזמן אמת של חבילת גל סיבוב מולקולרי באמצעות מערך הדמיית פיצוץ קולומב ברזולוציה גבוהה.

הדמיה ישירה של סיבוב מולקולרי מהיר ליזר מונחה

שתי שיטות שונות עבור אפיון של חלקיק התחלתית של חרוז אחד כפונקציה של הגיאומטריה מיטה משקעים מן למינריות לזרימה מערבולות מוצגים.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

כתב יד זה מתאר שיטות שמטרתה מדידת מקדמי העברה מקומית נקודתית חום הולכת חום בתוך זרם צינור בודד או שני שלבים. גם מוצגת שיטה אופטי פשוטה כדי לקבוע את האורך ואת את מהירות התפשטות של בועת אוויר מוארך (טיילור) נע במהירות קבועה.

מדידות של העברת החום הולכת חום מקומי מיידי בתוך צינור - יחיד, דו-שלבית זרימה

כאן, אנו מציגים שיטה ניסיונית עבור decoupling כוח קוריוליס בתלות ואפקטים ציפה סיבוב על העברת חום מלא-שדה הפצות ערוץ מסתובב.

כוח קוריוליס uncoupling ואפקטים ציפה מסתובב על שדה מלא חום להעביר את המאפיינים של ערוץ מסתובב

מבנה הלהקה של פוטטון מאפשר להבין כיצד מופצים מצבים אלקטרומגנטיים מוגבלים בתוך גביש פוטוני. בקריסטלים פוטוני המשלבים אלמנטים מגנטיים, מצבים אופטיים כאלה ומוגנטים, מלווים בפעילות מגנטית-אופטית משופרת ושונתה. אנו מתארים הליך מדידה כדי לחלץ את המבנה להקה אופטית מגנטו על ידי מיקרוסקופ חלל פורייה.

מגנטו-אופטיים ומשולשים-אפיון של מבנים ננוטוני

טכניקה מהירה ואמינה מוצעת לשליטה בתנודות הצורה של בועה אקוסטית אחת לכודה המבוססת על טכניקת התלכדות בין שתי בועות. תנודות צורת הבועה במצב יציב ומבוקרות סימטריה מאפשרות ניתוח של זרימת הנוזל הנוצרת בקרבת ממשק הבועות.

השראת מיקרו-סטרימינג על ידי תנודות בועות לא כדוריות במערכת ריחוף אקוסטית

חקור את השפעת הסיבוב על מערכת נוזלית לא יציבה כבדית באמצעות שדה מגנטי מדרגתי. שיטה זו מאפשרת לחקור את התחרות בין אפקטי הייצוב של הסיבוב להשפעות הכבידה המפריעות בדינמיקת נוזלים.

חוסר יציבות הסיבוב המגנטי המושרית ריילי-טיילור

גלה סרטונים נוספים