자기적으로 유도된 회전 Rayleigh-Taylor 불안정성

우리는 구배 자기장을 적용하여 고체회전으로 스핀업한 후 Rayleigh-Taylor 불안정성으로 유도될 수 있는 2층 밀도 층화 액체를 준비하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

이 실험의 전반적인 목표는 밀도가 낮은 유체 위에 밀도가 높은 유체로 구성된 중력적으로 불안정한 시스템에 대한 회전의 영향을 관찰하는 것입니다. 이 방법은 회전의 안정화 효과가 중력의 불안정 효과와 어떻게 경쟁하고 상호 작용하는지와 같은 유체 역학의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 특징은 안정적인 회전 2층 시스템을 만든 다음 자석을 사용하여 각 층의 유효 가중치를 조작하여 불안정성을 유발하는 기능입니다.

이것은 실험에 사용되는 장치입니다. 눈에 보이는 주요 구성 요소는 실험 탱크를 위한 회전 플랫폼, 이를 지지하는 구리 실린더 및 실온 보어 초전도 자석입니다. 실린더는 자석의 구멍과 1.8 테슬라 자기장으로 내려갑니다.

이 회로도는 배열에 대한 추가 세부 정보를 제공합니다. 플랫폼의 회전은 열쇠 구멍 오리피스가 있는 슬립 베어링을 회전시키는 축외 모터에 의해 생성됩니다. 구리 실린더는 키 모양의 구동축에 부착되어 고정 핀을 제거하면 자체 무게로 하강합니다.

전체 설정에는 조명과 이미지를 캡처하기 위한 원격 제어 카메라가 포함됩니다. 탱크를 플랫폼의 위치에 놓고 구동축을 가장 낮은 위치로 이동합니다. 비디오 카메라가 초점이 맞고 적절하게 조명이 비춰진 실험을 볼 수 있는지 확인합니다.

실험을 준비하기 위해 플랫폼과 구리 실린더를 가장 높은 위치에 놓으십시오. 고정 핀으로 실린더를 제자리에 잠급니다. 다른 모든 것이 설정되면 탱크를 제거하여 실험을 준비합니다.

실험실 벤치에서 탱크에 대한 액체를 준비하기 시작합니다. 조밀한 층의 경우 실온 증류수 250ml로 시작하고 물에 약 6.25g의 염화나트륨을 추가합니다. 가벼운 상층의 구성 요소는 325ml의 실온 증류수와 염화망간, 적색 및 청색 물 추적 염료입니다.

소량의 플루오레세인 나트륨을 첨가하여 준비를 완료합니다. 이제 두 유체가 실험에 사용할 준비가 되었습니다. 성층화된 액체는 들어갈 수 있는 루사이트 뚜껑이 있는 투명한 원통형 용기에 보관됩니다.

뚜껑에는 액체와 공기가 통과할 수 있도록 블리드 구멍이 있습니다. 용기와 유체 외에도 부양 보트를 사용할 준비가 되어 있습니다. 부양 보트는 스폰지 바닥에 스티렌 벽으로 구성되어 있습니다.

내부 바닥에는 튼튼한 티슈 페이퍼를 깔아야 합니다. 보트는 측면을 건드리지 않고 실험 탱크에 쉽게 들어갈 수 있어야 합니다. 실험을 수행할 준비가 된 경우에만 다음 단계를 진행하십시오.

고밀도 유체로 시작하여 탱크에 추가하기 시작하십시오. 300밀리리터가 추가되면 중지합니다. 다음으로, 저밀도 유체를 위한 클램프와 튜브가 있는 헤더 탱크를 준비합니다.

헤더 탱크는 최소 350밀리리터를 담을 수 있어야 하며 클램프는 유체 흐름을 제어할 수 있어야 합니다. 헤더 탱크에 저밀도 유체를 추가하여 진행합니다. 그런 다음 실험 탱크 위에 헤더 탱크를 장착하여 고밀도 유체 표면 근처에서 유체가 방출될 수 있도록 합니다.

부양 보트를 고밀도 유체 표면에 놓습니다. 헤더 탱크의 클램프를 조정하여 부양 보트에 저밀도 유체를 추가하고 분당 약 3밀리리터를 추가합니다. 시간이 지남에 따라 저밀도 유체는 스펀지를 통해 확산되어 고밀도 유체 위에 가벼운 유체 층을 형성합니다.

보트가 인터페이스에서 멀어짐에 따라 점차적으로 유속을 높입니다. 헤더 탱크가 비워질 때까지 계속 채우십시오. 유체가 완전히 흡수되면 부양 보트를 천천히 제거하여 물방울을 최소화하고 실험 탱크의 뚜껑을 가져옵니다.

뚜껑을 제자리에 놓고 액체의 상층으로 낮추기 시작합니다. 각 레이어의 깊이가 같고 갇힌 기포가 없을 때 중지합니다. 성공하면 그 사이에 날카로운 계면이 있는 동일한 깊이의 두 개의 유체 층이 있습니다.

또한 루사이트 뚜껑 위에 저밀도 유체 층이 있을 것입니다. 실험을 수행하기 위해 신속하게 진행하고 탱크를 장치로 조심스럽게 옮깁니다. 실험용 탱크를 자석에서 멀리 유지하면서 플랫폼에 놓습니다.

모터를 켜고 원하는 속도에 도달할 때까지 전원 공급 장치 전압을 높여 회전 속도를 천천히 높입니다. 원하는 회전 속도에 도달하면 비디오 녹화를 시작하고 고정 핀을 제거할 위치로 이동합니다. 준비가 되면 핀을 제거하고 탱크가 자기장 속으로 내려가도록 합니다.

이 이미지는 4가지 다른 회전 속도에 대한 유체 인터페이스의 스냅샷입니다. 각 열은 서로 다른 시간에 해당하며 30초씩 증가합니다. 초기에는 예를 들어 1초 표시에서 각 회전 속도에 대해 지배적인 길이 스케일로 계면에 섭동이 있습니다.

회전 속도가 증가하면 뱀과 같은 구조물의 너비가 줄어듭니다. 이 이미지는 다양한 유체 점도와 고정된 회전 속도를 사용한 일련의 실험에서 얻은 것입니다. 각 열은 서로 다른 시간에 해당합니다.

관측된 불안정성의 길이 척도는 점도가 낮은 값에서 높은 값으로 증가함에 따라 증가합니다. 지배적인 전파 길이를 회전 속도의 함수로 플로팅하면 불안정성 규모에 대한 더 낮은 임계값을 관찰할 수 있습니다. 물의 대략적인 점도를 가진 유체층에 대한 이 데이터에서 초당 약 4라디안의 회전 속도 이상에서 하한 임계값은 약 6mm입니다.

이 기술을 숙달하면 제대로 수행하면 1시간 안에 수행할 수 있습니다.