Drijfkracht en weerstand op ondergedompelde lichamen
0 weergaven·11:30 min.
1. Fabricage van gasinjectietestsectie (zie schema en foto, Fig. 2)
Boor een gat in de bodem van een hoge, platwandige kunststof container. Installeer een doorlopende wandmontage door dit gat. Installeer een reducerende fitting voor een ~3,2 mm buiscompressieaansluiting in de uitlaat van de wandmontage. Dit wordt de injectiepoort voor bellen/druppels.
Plaats een korte lengte (~1 cm) van 3,2 mm diameter zachte rubberen koord in de compressieaansluiting en draai de fittingmoer vast. Gebruik een naainaald om een dun gaatje in het rubberen koord te prikken. Dit wordt de klep voor het injecteren van bellen/druppels in de vloeistofcontainer.
Vul de container met glycerine tot een niveau van ~25 cm. Giet de glycerine langzaam als een film langs de zijwand van de container om belvorming in de container te helpen verminderen. Wacht ongeveer 2 uur om grotere bellen uit de container te laten stijgen.
Monteer een videocamera op een statief met de bovenste portie van de vloeistof in beeld. Monteer een felle lichtbron aan de andere kant van de container, gericht op de camera (achtergrondverlichting). Plaats een diffuusvel tussen het licht en de container om gelijkmatige verlichting te garanderen.
2. Experimenten uitvoeren
Plaats een liniaal of vlak object van bekende grootte in de glycerinecontainer, boven de injectiepoort, gericht naar de camera. Neem een korte video van het object op. Dit zal dienen als schaal om te meten van belgrootte in px en stijgsnelheid in px s-1 naar m en m s-1, respectievelijk.
Gebruik een spuit met een dunne naald (bijv., 20 gauge). Injecteer gasbellen van verschillende groottes door de rubberen klep in de vloeistof. Gebruik de camera om video's van de bellen te maken terwijl ze door de vloeistof stijgen.
Meng olie-gebaseerde voedselkleurstof met sojaolie (of andere laag-viskeuze plantaardige olie). Gebruik de spuit om gekleurde oliedruppels van verschillende groottes in de glycerinecontainer te injecteren. Neem video's op van de druppels terwijl ze stijgen.
3. Analyse
Gebruik software zoals VLC media player om afbeeldingen uit het video van de liniaal (Stap 2.1) te exporteren. Meet de pixelstrook van een bekende lengte van het apparaat in een afbeeldingsbewerkingssoftware. De lengte schaalfactor kan dan worden bepaald als , waar Lm de fysische lengte van het object in meters is en Lpx de lengte van het object in pixels in de afbeelding is.
Voor elk video van de stijgsnelheid van bellen of druppels, exporteer afbeeldingen uit het moment dat de bellen/druppels het zichtvenster van de camera binnenkomen en verlaten. Meet de diameter (horizontaal) van de belletjes/druppels in een afbeeldingsbewerkingssoftware (Dpx). Meet de gemiddelde stijgsnelheden (Upx) als het verschil in de neusposities van de belletjes/druppels gedeeld door de verstreken tijd tussen de begin- en eindafbeeldingen. Converteer deze pixelwaarden naar fysische waarden als: D = sDpx en U = sUpx.
Bereken de Reynolds getallen voor bellen en druppels () en sleepcoëfficiënten (Eqn. 2). Plot deze waarden en vergelijk met theoretische resultaten uit Eqn. 3. Vloeistofeigenschappen bij kamertemperatuur (22°C) zijn:
• Glycerine: ρf = 1300 kg m-3, µf = 3,7 kg m-1 s-1
• Lucht: ρb = 1,19 kg m-3
• Sojaolie: ρb = 920 kg m-3
Figuur 2: (a) Schematisch en (b) foto van experimentele faciliteit.
Bron: Alexander S Rattner en Sanjay Adhikari; Afdeling Mechanische en Nucleaire Techniek, The Pennsylvania State University, University Park, PA