磁気的に誘導された回転レイリー・テイラー不安定性

この実験の全体的な目標は、密度の低い流体の上に高密度の流体が重なる重力的に不安定なシステムに対する回転の影響を観察することです。この方法は、回転の安定化効果が重力の不安定化効果とどのように競合し、相互作用するかなど、流体力学における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な特徴は、安定した回転する2層システムを作成し、磁石を使用して各層の有効重量を操作し、不安定性を引き起こす能力です。

これが実験に用いた装置です。主な可視部品は、実験タンクの回転台、それを支える銅製シリンダー、室温内径超電導磁石です。シリンダーは磁石の穴と1.8テスラの磁場に下降します。

この回路図は、配置の追加の詳細を提供します。プラットフォームの回転は、鍵穴オリフィス付きのスリップベアリングを回転させる軸外モーターによって生成されます。銅製のシリンダーはキー型のドライブシャフトに取り付けられており、保持ピンを取り外すと自重で下降します。

完全なセットアップには、照明と画像をキャプチャするためのリモコンカメラが含まれています。タンクをプラットフォーム上の所定の位置に置き、ドライブシャフトを最も低い位置に移動します。ビデオカメラに、焦点が合っていて適切に照らされた実験のビューがあることを確認します。

実験の準備として、プラットフォームと銅製シリンダーを最も高い位置に置きます。保持ピンでシリンダーを所定の位置にロックします。他のすべてを設定したら、タンクを取り外して実験の準備をします。

ラボベンチで、タンク用の液体の準備を開始します。緻密な層には、250ミリリットルの室温蒸留水から始めて、約6.25グラムの塩化ナトリウムを水に加えます。ライト上層の成分は、325ミリリットルの室温蒸留水と、塩化マンガン、赤と青の水トレース染料です。

少量のフルオレセインナトリウムを加えて調製を完了します。これで、2つの流体を実験する準備が整いました。成層した液体は、透明な円筒形の容器に保持され、それに収まるルーサイトの蓋が付いています。

蓋にはブリード穴があり、液体と空気が流れるようになっています。容器と液体に加えて、浮遊艇を用意して使用してください。浮遊艇は、スポンジベースの上にスチロール壁で構成されています。

その内部の底は丈夫なティッシュペーパーで裏打ちされているべきです。ボートは、側面に触れることなく実験タンクに簡単に収まることができるはずです。次の手順に進むのは、実験を実行する準備ができてからにしてください。

高密度の液体から始めて、タンクに追加し始めます。300ミリリットルが追加されたら停止します。次に、低密度流体用のクランプとチューブを備えたヘッダータンクを準備します。

ヘッダータンクは少なくとも350ミリリットルを保持する必要があり、クランプは流体の流れを制御できるようにする必要があります。ヘッダータンクに低密度の液体を追加して進めます。次に、ヘッダータンクを実験タンクの上に取り付けて、高密度の流体表面の近くに流体を放出できるようにします。

浮遊艇を高密度流体面に置きます。ヘッダータンクのクランプを調整して、浮遊艇に低密度の液体を追加し、毎分約3ミリリットルを追加します。時間が経つにつれて、低密度の流体はスポンジを通って拡散し、高密度の流体の上に軽い流体層を形成します。

ボートが界面から離れるにつれて、流量を徐々に増やします。ヘッダータンクが空になるまで充填を続けます。流体が完全に吸い上げられたら、浮遊ボートをゆっくりと取り外して滴下を最小限に抑え、実験タンクの蓋をします。

蓋を所定の位置に置き、液体の上層に下げ始めます。各レイヤーの深さが等しくなり、気泡が閉じ込められなくなったら停止します。成功すると、同じ深さの流体の2つの層があり、それらの間には鋭いインターフェースがあります。

また、ルーサイトの蓋の上には低密度の液体の層があります。実験を迅速に進め、タンクを装置に慎重に移動します。実験タンクを磁石から遠ざけながら、プラットフォームに置きます。

モーターをオンにし、電源電圧を上げて回転速度をゆっくりと上げますtage目的の速度に達するまで。希望の回転数に達したら、ビデオ録画を開始し、保持ピンを取り外す位置に移動します。準備ができたら、ピンを取り外し、タンクを磁場に下降させます。

これらの画像は、4 つの異なる回転速度の流体インターフェースのスナップショットです。各列は異なる時間に対応し、半秒刻みで増加します。初期の頃、たとえば 1 秒のマークでは、回転速度ごとに、支配的な長さスケールを持つ界面への摂動があります。

回転速度が増加すると、ヘビのような構造の幅が狭くなります。これらの画像は、さまざまな流体粘度と固定回転速度を使用した一連の実験から得られたものです。各列は異なる時間に対応しています。

不安定性の観測された長さスケールは、粘度が低い値から高い値に増加するにつれて増加します。支配的な電波の長さを回転速度の関数としてプロットすると、不安定性のスケールに対するより低い閾値が観測可能になります。このデータでは、水のおおよその粘度を持つ流体層について、毎秒約4ラジアンの回転速度を超えると、下限閾値は約6ミリメートルです。

このテクニックを習得すると、適切に実行すれば1時間で実行できます。