Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

Questo protocollo dimostra esperimenti di iniezione d'acqua con sfere a caduta libera. Vengono discusse le alternanze di superfici liquide con tessuti penetrati, la preparazione di sostanze chimiche in sfere emergenti, la visualizzazione degli spruzzi e l'estrazione dei dati. Queste tecniche forniscono informazioni sulla ricerca fondamentale sulla fluidodinamica orientata alla comprensione delle interazioni interfacciale tra oggetti solidi e corpi fluidi.

A dimostrare la procedura saranno Joshua Bom e Jeremy Stephen, studenti universitari dell'Alberta. Indossare guanti in nitrile di grado industriale durante questa procedura per evitare di contaminare l'acqua e i dispositivi di impatto con oli per la pelle. Per iniziare pulire accuratamente il serbatoio trasparente con acqua del rubinetto e detersivo.

Quindi riempilo con 32 litri di acqua del rubinetto. Pulire due righelli metrici con alcol isopropile al 99% e lasciarli asciugare per un minuto. Montare un righello rivolto verso la parte anteriore del serbatoio con la base che tocca solo l'acqua.

Fissare il secondo righello verticalmente sott'acqua. Quindi fissare una piattaforma incernierata sopra il serbatoio in modo che la piattaforma si trova all'interno dello stesso piano di profondità del righello dell'acqua di cui sopra rispetto alla parte anteriore del serbatoio. Regolare la piattaforma alla massima altezza di caduta desiderata, quindi attaccata una luce multi LED a un braccio articolato e posizionare la luce sopra e davanti al serbatoio per illuminare completamente la zona splash sotto la piattaforma.

Impostare una schermata nera sul retro del serbatoio per facilitare la visualizzazione di spruzzi e cavità. Posare un ammortizzatore pulito senza olio come una spugna a celle chiuse sul fondo del serbatoio e tenerlo in posizione con pesi puliti. Quindi, montare una telecamera ad alta velocità rivolta verso il serbatoio in linea con la superficie del fluido.

Collegare un interruttore di attivazione alla fotocamera, se lo si desidera. Collegare la fotocamera a un computer e configurare la fotocamera per una frequenza fotogrammi di almeno 1.000 fotogrammi al secondo. Scegliere la risoluzione desiderata e impostare la velocità dell'otturatore su una al secondo incorniciata.

Se applicabile, impostare la modalità trigger su Fine. Quindi, pulire una piccola pallina e sfere di metanolo di poliossido con alcool isopropile al 99% per rimuovere oli per la pelle e altri contaminanti. Lasciare asciugare le sfere e lo scoop per un minuto.

Preforma le prove di test e regola la posizione, la messa a fuoco e la risoluzione della fotocamera per ottenere la qualità di visualizzazione ottimale per l'evento splash. Quindi recuperare le sfere con uno scoop e pulire le sfere e raccogliere con alcol isopropile. Quando è pronto per iniziare l'esperimento inizia a filmare il serbatoio.

Sollevare la piattaforma della cerniera in posizione e poggiare una sfera asciutta pulita sulla piattaforma. Rilasciare la base della piattaforma per far cadere la sfera nel serbatoio. Quindi interrompi le riprese, salva il file video e taglia il video per mostrare solo l'evento splash.

Quando sei pronto per procedere al test successivo recupera la sfera con lo scoop. Pulire la sfera con alcol isopropile e lasciarla asciugare per un minuto prima di ripetere il test. Quando l'esperimento è finito svuotare il serbatoio e lasciarlo asciugare.

Per preparare tessuti penetrabili per il test separare i tessuti desiderati in strati quadrati o rotondi e utilizzare pinze Vernier per misurare lo spessore compresso del tessuto asciutto. Quando si imposta l'esperimento, montare una seconda telecamera ad alta velocità sopra il serbatoio per fornire una visione dall'alto verso il basso della sfera che influenza il tessuto. Collegare le uscite orizzontali della telecamera ai terminali di ingresso della telecamera aerea con i cavi BNC.

Collegare un interruttore di attivazione alla fotocamera orizzontale. Quindi utilizzare i cavi Ethernet per collegare entrambe le fotocamere a un router offline collegato al computer della fotocamera. Mettere a fuoco e configurare entrambe le telecamere come al solito.

Quando è pronto per preformare l'esperimento appoggia delicatamente il tessuto asciutto sulla superficie del liquido nel serbatoio. Assicurarsi che il tessuto non inizi ad affondare prima dell'inizio della prova. Utilizzare uno scoop pulito e privo di olio per posizionare il tessuto sotto la piattaforma incernierata.

Utilizzare l'interruttore trigger per avviare contemporaneamente le riprese della zona splash con entrambe le telecamere prima di impostare la collisione. Rimuovere il tessuto immediatamente dopo la collisione. Se il tessuto si frammenta all'impatto e gli graffi non possono essere raccolti manualmente vuoti e pulire il serbatoio dopo ogni prova per assicurarsi che tutto il tessuto venga rimosso.

Per iniziare a preparare sfere chimicamente idrofobiche inserire una sfera di mentolo di poliossido in un supporto acrilico. Il posizionamento delle sfere per un rivestimento superficiale è l'aspetto più difficile di questo protocollo. Il posizionamento è controllato con fogli acrilici a strato che hanno fori leggermente più larghi rispetto alle sfere.

Spruzzare la sfera con un rivestimento di base idrofobico da circa 15 a 30 centimetri di distanza senza immergere la superficie della sfera. Successivamente, spruzzare la sfera con la mano superiore idrofobica da circa 15 a 30 centimetri di distanza senza immergere la superficie e lasciarla asciugare per uno o due minuti. Applicare altri due o tre rivestimenti top allo stesso modo.

Lasciare asciugare la sfera per 30 minuti per un uso leggero o circa 12 ore per il pieno utilizzo. Quando si preformano i test d'impatto lasciare asciugare completamente la sfera dopo ogni prova piuttosto che risciacquarla con alcol isopropile. Il rivestimento idrofobico si degrada dopo circa 20 prove.

Per riutilizzare questa sfera rimuovere il rivestimento con alcool isopropile al 99% e riapplicare la base e le mani superiore come descritto in precedenza. Per iniziare l'analisi importare un video ad alta velocità di evento splash in un software di analisi video. Usa gli strumenti di ridimensionamento per impostare il valore di ridimensionamento in centimetri in base all'area visibile del righello.

Avanza attraverso il video per trovare un fotogramma adatto che mostri l'ascensione della corona splash e l'intrappolamento dell'aria. Misurare l'altezza della corona degli spruzzi, la larghezza della cavità e la profondità della cavità. Utilizzate lo strumento di misurazione dell'angolo per determinare l'angolo di separazione.

Avanza ulteriormente nel video per trovare un fotogramma adatto che mostri la formazione di Worthington Jet e misurare l'altezza del Worthington Jet. Infine, utilizzate la funzione di tracciamento automatico per estrarre la posizione temporale e la data di velocità per il dispositivo di impatto. Se il tracciamento viene interrotto, utilizzare il tracciamento manuale fino a quando il tracciamento automatico non può riprendere.

Qui questa procedura è stata utilizzata per valutare gli effetti del tessuto sugli schizzi da impatti verticali. L'altezza dello spruzzo con uno strati è stata amplificata rispetto all'altezza dello spruzzo senza tessuto. L'altezza dello spruzzo con due strati era all'incirca equivalente all'altezza dello spruzzo senza tessuto.

Lo spruzzo è stato pesantemente attenuato con tre e quattro strati. È stata osservata una variazione minima tra i numeri Weber per profondità della cavità, altezza del terreno iniziale e larghezza della cavità da sfere che hanno un impatto su un singolo ply di tessuto. Le sfere posizioni verticali sono state tracciate sott'acqua permettendo l'osservazione di maggiori diminuzioni della velocità sottomarina con ogni ply aggiuntivo di tessuto.

Gli investigatori devono prestare particolare attenzione al mantenimento delle condizioni sperimentali sanitarie durante l'esperimento per ottenere risultati coerenti e validi. Questa tecnica non si limita ai materiali qui presentati e può essere intraprendendo con materiali di funzionalità e capacità simili. Con l'introduzione di un serbatoio elevato come un siring, questa procedura può essere upped per le indagini sugli impatti verticali delle goccioline liquide su superfici solide o liquide.

Questo protocollo può anche essere preformato su scala più ampia a velocità di impatto più grandi generiche e una gamma di parametri adimensionale che vanno tutti bene per applicazioni navali e industriali.