Magnetisch Induced Rotating Rayleigh-Taylor instabiliteit

Summary

We present a protocol for preparing a two-layer density-stratified liquid that can be spun-up into solid body rotation and subsequently induced into Rayleigh-Taylor instability by applying a gradient magnetic field.

Abstract

Klassieke technieken voor het onderzoeken van de Rayleigh-Taylor instabiliteit zijn het gebruik van gecomprimeerde gassen ^{1, 2} raketten of lineaire elektromotoren ³ om de effectieve richting van de zwaartekracht te keren, en versnelling van de lichtere vloeistof in de richting van de dichtere vloeistof. Andere auteurs ^{bv 4, 5, 6} hebben een zwaartekracht onstabiele stratificatie gescheiden door een barrière die wordt verwijderd om de stroom te leiden. De parabolische eerste interface bij een roterende stratificatie legt aanzienlijke technische problemen experimenteel. We willen kunnen draaien-de vakken met solid-body rotatie pas dan de stroom teneinde de effecten van de rotatie van de Rayleigh-Taylor instabiliteit onderzoeken. De aanpak die we hier hebben aangenomen is om het magnetisch veld van de te gebruikeneen supergeleidende magneet voor het op gewicht van de twee vloeistoffen te manipuleren om de stroom te leiden. We creëren een zwaartekracht stabiele tweelaags stratificatie met behulp van standaard flotatietechnieken. De bovenste laag heeft een lagere dichtheid dan de onderlaag en zo het systeem Rayleigh-Taylor stabiel. Deze gelaagdheid wordt vervolgens gesponnen-up totdat beide lagen zijn in solid-body rotatie en een parabolische-interface wordt waargenomen. Deze experimenten gebruiken vloeistoffen met een lage magnetische susceptibiliteit, | χ | ~ 10 ^-6 - 10 ^-5, vergeleken met een ferrovloeistoffen. De dominante effect van het magnetische veld brengt een lichaam kracht om elke laag verandert de effectieve gewicht. De bovenste laag is zwak paramagnetisch terwijl de onderste laag is zwak diamagnetisch. Wanneer het magnetische veld wordt toegepast, wordt de onderlaag afgestoten van de magneet terwijl de bovenlaag wordt aangetrokken naar de magneet. Een Rayleigh-Taylor instabiliteit wordt bereikt met toepassing van een hoge gradiënt magnetisch veld. Verder hebben we geconstateerd dat increasing de dynamische viscositeit van het fluïdum in elke laag, verhoogt de lengte-omvang van de instabiliteit.

Introduction

Een dichtheid gestratificeerd vloeistofsysteem met twee lagen kunnen worden aangebracht in een zwaartekrachtveld ofwel een stabiele of onstabiele configuratie. Indien de dichte zware laag ten grondslag aan de minder dichte, dun laagje dan het systeem stabiel: storingen aan de interface stabiel, gerestaureerd door zwaartekracht en golven worden ondersteund op de interface. Als de zware laag overlays de lichte laag dan is het systeem instabiel en storingen aan de interface groeien. Deze fundamentele vloeistof instabiliteit is de Rayleigh-Taylor instabiliteit ^{7, 8.} Precies hetzelfde kunnen trillingen optre....

Protocol

OPMERKING: De experimentele inrichting is schematisch weergegeven in Fig. 2. Het grootste deel van de inrichting bestaat uit een roterend platform (300 mm x 300 mm) aangebracht op een koperen cilinder (55 mm diameter) die onder zijn eigen gewicht daalt in het sterke magnetische veld van een supergeleidende magneet (1,8 T) met een kamer temperatuur verticale boring. Het platform is gemaakt om te draaien via een off-as motor die een slip-dragend met een sleutelgat opening draait. De koperen cilinder is een key-vormige aandrijfas die tegelijkertijd draait, en daalt zodra de holding-pin wordt verwijderd bevestigd.

1. Bereiding ....

Results

Fig. 4 toont de ontwikkeling van de Rayleigh-Taylor instabiliteit bij het grensvlak tussen de twee vloeistoffen, vier verschillende rotatiesnelheden: Ω = 1,89 rad ^s-1 (bovenste rij), Ω = 3,32 rad ^s-1, Ω = 4,68 rad s ^{- 1,} en Ω = 8,74 rad ^s-1 (onderste rij). De interface wordt getoond evolueert in de tijd van t = 0 s (linkerkolom), in stappen van 0,5 s naar t = 3,0 s (rechterkolom). De rechter kolom geeft daarom 0,90, 1,.......

Discussion

Er zijn twee belangrijke stappen in het protocol. De eerste is 2.1.6.4. Als het lampje laag is geïntroduceerd op de dichte laag te snel dan onomkeerbaar mengen van beide mengbare vloeistof lagen plaatsvindt. Het is essentieel dat dit wordt voorkomen en dat een scherpe (<2 mm) grensvlak tussen de twee lagen verkregen. De tweede belangrijke stap is 3.1.5. Als het experiment wordt losgelaten in de richting van de magneet, zonder volledig wordt gesponnen-up in vaste lichaam rotatie of zonder de visualisatie en beeld vast.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Blue water tracing dye	Cole-Parmer	00295-18
Red water tracing dye	Cole-Parmer	00295-16
Sodium Chloride			>99% purity
Manganese Chloride Tetrahydrate			See MSDS
Fluorescein sodium salt
Magnet	Cryogenic Ltd. London