חוסר יציבות הסיבוב המגנטי המושרית ריילי-טיילור

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.

המטרה הכוללת של ניסוי זה היא לבחון את השפעת הסיבוב על מערכת לא יציבה מבחינה כבידתית המורכבת מנוזל צפוף המכסה נוזל פחות צפוף. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בדינמיקת זורמים, כגון כיצד ההשפעה המייצבת של סיבוב מתחרה ומקיימת אינטראקציה עם ההשפעה המערערת של כוח הכבידה. המאפיין העיקרי של טכניקה זו הוא היכולת ליצור מערכת דו-שכבתית מסתובבת יציבה ולאחר מכן להשתמש במגנט כדי לתפעל את המשקולות האפקטיביות של כל שכבה, מה שמפעיל את חוסר היציבות.

זהו המנגנון ששימש לניסוי. הרכיבים הגלויים העיקריים הם פלטפורמה מסתובבת למיכל הניסוי, גליל נחושת התומך בו ומגנט מוליך-על בטמפרטורת החדר. הגליל יורד לתוך קדח המגנט ושדה מגנטי של 1.8 טסלה.

סכימה זו מספקת פרטים נוספים על הסידור. סיבוב הפלטפורמה מיוצר על ידי מנוע מחוץ לציר שמסובב מיסב החלקה עם פתח חור מנעול. גליל הנחושת מחובר לציר ההינע בצורת מפתח ויורד תחת משקלו כאשר מסירים את סיכת האחיזה.

ההתקנה המלאה כוללת תאורה ומצלמה בשלט רחוק לצילום תמונות. כשהמיכל במקומו על הרציף, הזז את פיר ההינע למקומו הנמוך ביותר. ודא שלמצלמת הווידאו תהיה תצוגה של הניסוי ממוקדת ומוארת כראוי.

כדי להתכונן לניסוי, הנח את הפלטפורמה ואת גליל הנחושת במיקום הגבוה ביותר שלהם. נעל את הצילינדר במקומו בעזרת סיכת האחיזה. כשכל השאר מוכן, הסר את המיכל כדי להכין אותו לניסוי.

בספסל מעבדה, התחל להכין את הנוזלים למיכל. לשכבה הצפופה, התחל עם 250 מיליליטר מים מזוקקים בטמפרטורת החדר, והוסף כ-6.25 גרם נתרן כלורי למים. מרכיבי השכבה העליונה הקלה הם 325 מיליליטר מים מזוקקים בטמפרטורת החדר, יחד עם מנגן כלוריד וצבעי מעקב אחר מים אדומים וכחולים.

הוסף כמות קטנה של נתרן פלואורסצאין להשלמת ההכנה. שני הנוזלים מוכנים כעת לניסוי. הנוזלים המרובדים יוחזקו במיכל גלילי שקוף, בעל מכסה לוציט שיכול להיכנס לתוכו.

למכסה יש חורי דימום כדי לאפשר לנוזל ולאוויר לזרום דרכו. בנוסף למיכל ולנוזלים, הכינו סירת ציפה מוכנה לשימוש. סירת הציפה מורכבת מקירות סטירן על בסיס ספוג.

יש לרפד את החלק התחתון של החלק הפנימי שלו בנייר טישו חזק. הסירה אמורה להיות מסוגלת להיכנס בקלות למיכל הניסוי מבלי לגעת בצדדים. המשך בשלבים הבאים רק כאשר אתה מוכן לבצע את הניסוי.

התחל עם הנוזל בצפיפות גבוהה והתחל להוסיף אותו למיכל. עצור כאשר נוספו 300 מיליליטר. לאחר מכן, הכינו מיכל כותרת עם מהדק וצינורות לנוזל בצפיפות נמוכה.

מיכל הכותרת צריך להכיל לפחות 350 מיליליטר והמהדק צריך לאפשר שליטה על זרימת הנוזל. המשך על ידי הוספת נוזל בצפיפות נמוכה למיכל הכותרת. לאחר מכן, התקן את מיכל הכותרת מעל מיכל הניסוי כדי לאפשר שחרור נוזל ליד משטח הנוזל בצפיפות גבוהה.

הנח את סירת הציפה על משטח הנוזל בצפיפות גבוהה. כוונן את המהדק על מיכל הכותרת כדי להוסיף נוזל בצפיפות נמוכה לסירת הציפה, והוסף כשלושה מיליליטר לדקה. עם הזמן, הנוזל בצפיפות נמוכה מתפזר דרך הספוג ויוצר שכבת נוזל קלה מעל הנוזל בצפיפות גבוהה.

כאשר הסירה מתרחקת מהממשק, הגדל בהדרגה את קצב הזרימה. המשך למלא עד לריקון מיכל הכותרת. לאחר שהנוזל נשאב לחלוטין, הסר את סירת הציפה באיטיות כדי למזער את הטפטוף וקבל את המכסה למיכל הניסוי.

הניחו את המכסה במקומו והתחילו להוריד אותו לשכבת הנוזל העליונה. עצור כאשר העומקים של כל שכבה שווים, ואין בועות אוויר כלואות. אם יצליח, יהיו שתי שכבות של נוזל בעומק שווה עם ממשק חד ביניהן.

תהיה גם שכבה של נוזל בצפיפות נמוכה על גבי מכסה הלוציט. המשך במהירות לביצוע הניסוי והעבר בזהירות את המיכל למנגנון. הנח את מיכל הניסוי על הרציף, תוך הרחקתו מהמגנט.

הפעל את המנוע והגדל את קצב הסיבוב לאט על ידי הגדלת מתח אספקת החשמל עד להגעה לקצב הרצוי. לאחר הגעה לקצב הסיבוב הרצוי, התחל להקליט וידאו והיכנס למצב כדי להסיר את סיכת האחיזה. כשהוא מוכן, הסר את הסיכה ואפשר למיכל לרדת לשדה המגנטי.

תמונות אלה הן תמונות של ממשק הנוזל עבור ארבעה קצבי סיבוב שונים. כל עמודה מתאימה לזמן אחר ועולה במרווחים של חצי שנייה. בזמנים מוקדמים, למשל בסימן של שנייה אחת, עבור כל קצב סיבוב, יש הפרעה לממשק עם סולם אורך דומיננטי.

עם הגדלת קצב הסיבוב, רוחב המבנים דמויי הנחש פוחת. תמונות אלה הן מסדרה של ניסויים עם צמיגות נוזלים משתנה וקצב סיבוב קבוע. כל עמודה מתאימה לזמן אחר.

סולם האורך הנצפה של חוסר היציבות גדל ככל שהצמיגות עולה מערכים נמוכים יותר לערכים גבוהים יותר. על ידי התוויית אורך גלי הרדיו הדומיננטי כפונקציה של קצב הסיבוב, ניתן לראות סף נמוך יותר לסולם חוסר היציבות. בנתונים אלה עבור שכבות נוזל עם צמיגות משוערת של מים, מעל קצבי סיבוב של כארבעה רדיאנים לשנייה, הסף התחתון הוא כשישה מילימטרים.

לאחר שליטה, טכניקה זו יכולה להתבצע תוך שעה אחת אם היא מבוצעת כראוי.