Presentiamo un protocollo per la preparazione di un liquido stratificato in densità a due strati che può essere centrifugato in rotazione di corpo solido e successivamente indotto nell'instabilità di Rayleigh-Taylor applicando un campo magnetico a gradiente.
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Articolo metodologico
Indotta magneticamente rotante di Rayleigh-Taylor instabilità
* These authors contributed equally
In questo articolo
Sommario
Abstract
Tecniche classiche per investigare l'instabilità di Rayleigh-Taylor includono l'utilizzo di gas compressi 1, rocketry 2 o motori elettrici lineari 3 per invertire la direzione d'azione della gravità, e accelerare il fluido più leggero verso il fluido più denso. Altri autori ad esempio, 4, 5, 6 sono separate una stratificazione gravitazionalmente instabile con una barriera che viene rimosso per avviare il flusso. Tuttavia, l'interfaccia iniziale parabolica nel caso di una stratificazione rotante impone notevoli difficoltà tecniche sperimentalmente. Vogliamo essere in grado di spin-up la stratificazione in rotazione solid-body e solo allora avviare il flusso al fine di indagare gli effetti della rotazione su l'instabilità di Rayleigh-Taylor. L'approccio che abbiamo adottato è quello di utilizzare il campo magneticoun magnete superconduttore per manipolare il peso effettivo dei due liquidi di avviare il flusso. Creiamo un gravitazionalmente stabile stratificazione a due strati con tecniche di flottazione standard. Lo strato superiore è meno denso del livello inferiore e quindi il sistema è Rayleigh-Taylor stabile. Questa stratificazione viene poi filata-entro due strati sono in rotazione corpo solido e si osserva una interfaccia parabolica. Questi esperimenti utilizzano fluidi a bassa suscettibilità magnetica, | χ | ~ 10 -6 - 10 -5, rispetto ad un ferrofluidi. L'effetto dominante del campo magnetico applicato un corpo-forza per ogni strato cambiando il peso effettivo. Lo strato superiore è debolmente paramagnetico mentre lo strato inferiore è debolmente diamagnetico. Quando il campo magnetico viene applicato, lo strato inferiore viene respinto dal magnete mentre lo strato superiore viene attratto verso il magnete. Una instabilità Rayleigh-Taylor è ottenuta con l'applicazione di un campo magnetico elevato gradiente. Abbiamo osservato, inoltre, che increasing la viscosità dinamica del fluido in ciascuno strato, aumenta la lunghezza scala dell'instabilità.
Introduzione
Un sistema fluido densità stratificato costituito da due strati può essere organizzato in un campo gravitazionale sia in una stabile o una configurazione instabile. Se lo strato pesante denso base della meno densa, strato chiaro allora il sistema è stabile: perturbazioni all'interfaccia sono stabili, restaurata per gravità, e le onde può essere supportato sull'interfaccia. Se lo strato pesante sovrappone alla leggero strato allora il sistema è instabile e perturbazioni al crescere interfaccia. Questa instabilità fluido fondamentale è l'instabilità di Rayleigh-Taylor 7, 8. Esattamente la stes....
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Protocollo
NOTA: L'apparato sperimentale è mostrato schematicamente in Fig. 2. La parte principale del dispositivo consiste di una piattaforma girevole (300 mm x 300 mm) montato su un cilindro di rame (diametro 55 mm) che scende sotto il proprio peso nel forte campo magnetico di un magnete superconduttore (1,8 T) con una camera temperatura foro verticale. La piattaforma viene fatto ruotare mediante un motore fuori asse che trasforma un slip-cuscinetto con un orifizio serratura. Il cilindro di rame è attaccata ad un albero motore a forma di chiave che ruota simultaneamente, e scende volta l'azienda pin viene rimosso.
1. Prepara....
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Risultati
Figura. 4 mostra lo sviluppo dell'instabilità Rayleigh-Taylor all'interfaccia tra i due fluidi, per quattro differenti tassi di rotazione: Ω = 1.89 rad s -1 (riga superiore), Ω = 3.32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1, e Ω = 8,74 rad s -1 (riga in basso). L'interfaccia è mostrata in evoluzione nel tempo da t = 0 s (colonna di sinistra), con incrementi di 0,5 s a t = 3,0 s (colonna di destra). La colonna di destr.......
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Discussione
Ci sono due fasi critiche all'interno del protocollo. Il primo è 2.1.6.4. Se il livello di luce è flottato sullo strato denso troppo rapidamente poi miscelazione irreversibile dei due strati fluidi miscibili avviene. È essenziale che questo sia evitata e che si ottiene un netto (<2 mm) interfaccia tra i due strati. Il secondo passo fondamentale è 3.1.5. Se l'esperimento viene rilasciato verso il magnete senza essere pienamente spun-up in rotazione corpo solido o senza l'apparato di cattura e visualizzazio.......
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
RJAH riconosce il supporto della Fellowship EPSRC EP/I004599/1, MMS riconosce il finanziamento da EPSRC con il numero di sovvenzione EP/K5035-4X/1.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Colorante tracciante acqua blu | Cole-Parmer | 00295-18 | |
| Colorante tracciante acqua rossa | Cole-Parmer | 00295-16 | |
| Cloruro di | >99% purezza | ||
| Cloruro di manganese tetraidrato | Vedi scheda di sicurezza Sale | ||
| sodico fluoresceina | |||
| Magnet | Cryogenic Ltd. Londra |
Riferimenti
- Lewis, D. J. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II. Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).
- Read, K. I. Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability. Physica D. 12, 45-58 (1984).
- Dimonte, G., Schneider, M.
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Ristampe e permessi
Tag
Manipolazione del campo magneticoSistema di fluidi rotantiApplicazione di magneti superconduttoriTecnica di stratificazione dei fluidiAnalisi dell effetto della viscositMisurazione dell instabilit dell interfacciaSeparazione degli strati di densitConfigurazione dell apparato sperimentaleRicerca in dinamica dei fluidi
