Methodenartikel

Effecten van crashende bollen op een diep vloeibare zwembad met gewijzigde vloeistof en botslichaam oppervlakte voorwaarden

6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/59300

⸱

17 februari 2019

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Central Florida

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol blijkt de experimentele basisconfiguratie voor water binnenkomst experimenten met crashende bollen. Methoden voor het ombouwen van vloeistofoppervlak met stoffen penetrable, de voorbereiding van chemisch niet-bevochtiging bollen en stappen voor splash-visualisatie en data-extractie worden besproken.

Samenvatting

Verticale effecten van bollen op schoon water geweest het onderwerp van talrijke water binnenkomst onderzoeken holte formatie karakteriseren, plons kroon Hemelvaart en Worthington jet stabiliteit. We vestigen hier, experimentele protocollen voor de behandeling van splash dynamiek als gladde crashende van verschillende bevochtigbaarheid, massa en diameter invloed het vrije oppervlak van een diep vloeibare zwembad gewijzigd door dunne penetrable stoffen en vloeibare oppervlakteactieve stoffen gebieden. Water binnenkomst onderzoeken bieden toegankelijk, gemakkelijk gemonteerd en uitgevoerde experimenten voor de studie van complexe stromingsleer. Hierin presenteren wij een afstembare protocol voor het karakteriseren van splash height, stroom scheiding metrics, en botslichaam kinematica en representatieve resultaten die kunnen worden verworven als onze benadering te reproduceren. De methoden zijn van toepassing wanneer de afmetingen van de karakteristieke splash blijven onder de ongeveer 0.5 m. Echter dit protocol kan worden aangepast voor grotere botslichaam release hoogten en impact snelheden, die goed voorteken voor het vertalen van de resultaten naar Marine en industrie toepassingen.

Inleiding

De karakterisering van splash dynamiek als gevolg van verticale effecten van vaste voorwerpen op een diep vloeibare zwembad1 is van toepassing op militaire, Marine en industriële toepassingen zoals ballistische raketten ingang en zee wateroppervlak landing2, 3,4,5. De eerste studies van water plaatsing verliepen goed meer dan een eeuw geleden6,7. Hier stellen we duidelijk diepgaande protocollen en beste praktijken voor het bereiken van consistente resultaten voor water binnenkomst onderzoeken. Om steun geldig proefopzet, wordt een methode gepresenteerd voor het onderhoud van de hygiënische omstandigheden, het ombouwen van Interfaciale voorwaarden, de controle van dimensieloze parameters, de chemische modificatie van botslichaam oppervlak en visualisatie van splash kinematica.

Verticale effecten van crashende hydrofiele bollen op de rustige vloeistof geen teken van lucht-entrapment bij lage snelheden8worden weergegeven. Wij vinden dat de plaatsing van dunne penetrable stoffen bovenop de vloeibare oppervlakte holte vorming als gevolg van gedwongen stroom scheiding1 veroorzaakt. Een schamele bedrag van weefsel op het oppervlak versterkt spatten in een heel scala van gematigde Weber getallen terwijl voldoende gelaagdheid spatten verzwakt terwijl bollen overwinnen op vloeistof post1 sleept. In dit artikel leggen we uit protocollen die geschikt zijn voor de vaststelling van de gevolgen van materiële kracht voor de vermelding van de water van hydrofiele bollen.

Holte vorming van spatten van hydrofobe botslichamen Toon de Hemelvaart van de kroon van een goed ontwikkelde splash, gevolgd door het uitsteeksel van de primaire jet hoog boven het oppervlak in vergelijking met hun tegenhangers water-wens8. Hier presenteren we een aanpak voor het bereiken van de water-repellency via chemisch wijzigen van het oppervlak van hydrofiele bollen.

Met de komst van high-speed camera's, splash visualisatie en karakterisering geworden meer haalbare zijn. Zelfs zo, noemen gevestigde normen op het gebied voor het gebruik van een enkele camera loodrecht op de primaire as van reizen. We laten zien dat het gebruik van een extra hoge snelheid camera voor overhead uitzicht moeten toekennen bollen staking de beoogde locatie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. het configureren van het experiment voor verticale effecten

  1. Vul een transparante waterreservoir van afmeting ongeveer 60 cm x 30 cm x 36 cm (lengte x gewicht x diepte) met 32 L water en monteren van een liniaal ('visuele schaal') van de meter verticaal in de container zodanig dat de base bovenop de vloeistof zit, zoals te zien in Figuur 1a.
    Opmerking: Diepte en breedte van de tank moet groter zijn dan 20 maal de diameter van de grootste bollen gebruikt in het experiment om de effecten van de muur zijn te verwaarlozen9. Meer ingang snelheden dan die welke zijn beschreven hier zal vragen meer tank inbouwdiepte. De visuele schaal gebruikt om te bepalen van de daling van de hoogten en kalibratie van het bijhouden van software wordt besproken in hoofdstuk 7.
  2. Plaats een liniaal extra meter onder water, die optreden kan te vergroten van dimensies. Deze visuele schaal wordt gebruikt voor het kalibreren van het bijhouden van software voor onderwater metingen.
  3. Construeer een scharnierende platform ('release mechanisme') dat onderbreekt bollen boven de vloeistof en draait naar beneden, om te bereiken van tangentiële versnelling groter is dan de zwaartekracht op de locatie van het botslichaam wanneer vrijgegeven, zoals te zien in Figuur 1a. Snelle rotatie wordt bereikt door het aansluiten van de scharnierende platform naar het midden van de ondersteunende component met behulp van elastische banden. Het resultaat is een niet-ondersteunde en niet-draaiend botslichaam.
    Opmerking: Het platform is gemakkelijk vervaardigd met 3D-printer.
  4. Voor effect proeven, plaats je duim baseren van scharnierende platform te draaien 90° naar een horizontale positie voor plaatsing van bollen boven de vloeistof.
    Opmerking: Intrekking wordt geactiveerd als de duim wordt vrijgelaten uit de basis van het platform.
  5. Brengt de release mechanisme een retort staan, zodat het apparaat kan worden aangepast aan verschillende hoogten.
  6. Plaats de retort staan naast de tank, zodanig dat de release mechanisme binnen hetzelfde vlak als de schaal van visuele diepte. Voeg een gewicht aan de basis van de stand van de retort zo nodig om te voorkomen dat het omverwerpen.
  7. Aanpassen van de release mechanisme om de maximale gewenste experimentele valhoogte. Dit is noodzakelijk voor optimale splash visualisatie zoals beschreven in sectie 6 en zorgt ervoor dat de kenmerken van de plons van belang altijd in het kader van de weergave van de camera.
  8. Een multi LED licht aan een articulerende arm koppelen, zodat het licht boven de camera, kijkt neer op de splash zone is gemonteerd. Omgevingslicht alleen is onvoldoende voor de verlichting van de scène op de hoge framesnelheid moest uitpakken splash kinematica.
    Opmerking: Men kan nooit teveel licht hebben.
  9. Plaats een zwart scherm aan de achterkant van het waterreservoir op de steun van splash en holte visualisatie, zoals te zien in Figuur 2.
  10. Plaats een glas-bescherming schokdemper, zoals een spons gesloten cellen, aan de onderkant van het waterreservoir en affix met gewichten om te voorkomen dat resurfacing.
    Opmerking: De hoogte van de vloeistof in de tank moet zijn dusdanig dat het gebied vindt er geen interactie met shock absorber voorafgaand aan lucht holte snuifje uit10.

2. beheersing van de dimensieloze parameters

  1. Uitvoering van experimenten met gladde bollen van verschillende massa's en diameters. Hiervoor, polyoxymethylene (bijvoorbeeld Delrin) munt maken ballen bijzonder goed werken en hebben geen schimmel deel lijn. Meten van de massa's en diameters met een analytische balans en schuifmaat gemeten respectievelijk.
  2. Uitvoering van experimenten over een bereik van hoogten H voor het genereren van impact snelheden figure-protocol-1 waar figure-protocol-2 m/s2 is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht. De hoogte van de maatregel met de visuele schaal binnen het kader van de camera.
    Opmerking: Gebruik de Auto-Tracking functie in de video-Analysetool zoals besproken in hoofdstuk 7 voor het meten van impact snelheden.
  3. Uitvoering van experimenten met vloeibare mengsels van water en geschikte oppervlakteactieve stoffen (b.v., glycerine of zeep) te wijzigen van de oppervlaktespanning. Meet oppervlaktespanning met een oppervlak tensiometer.
  4. Berekenen van de Reynolds getallen figure-protocol-3 en Weber nummers figure-protocol-4 , waar ρ is de dichtheid van de vloeistof, D is de diameter van de bol, μ is de dynamische viscositeit van de vloeistof en σ de oppervlaktespanning van de vloeistof.

3. behoud van de hygiënische omstandigheden van de experimentele

  1. Uitvoering van de experimenten tijdens het dragen van industriële nitril handschoenen en bollen te halen uit de watertank met een gezuiverde bolletje.
    Let op: De huid natuurlijk produceert oliën die kunnen gevolgen hebben voor de spuitbaarheid van botslichamen taint vloeistof voorwaarden.
  2. Reinig de bollen met 99% isopropyl alcohol en laten drogen voor 1 min tussen proeven te sluiten van de invloed van verontreinigingen.
  3. Als met behulp van stoffen die tijdens botsing splitsen, vervangt u het water in de tank na elke proef als kladjes kunnen niet handmatig worden verzameld.
  4. Aan het einde van het experiment, legen van de tank en laat ze drogen.
  5. Voordat een experiment, reinigen van de tank met water te verwijderen alle onzuiverheden.

4. gelaagdheid het oppervlak met stoffen penetrable

  1. Scheiden van het weefsel in vierkante of ronde plies ter voorbereiding van de proeven van de gevolgen. Gebruik een schuifmaat gemeten om te verkrijgen van gecomprimeerde dikte van het weefsel.
    Opmerking: De dikte van het weefsel zal veranderen als het nat is.
  2. Zachtjes rusten de droge stof bovenop het oppervlak van de vloeibare zwembad. Zorg ervoor dat de lagen niet afdaling voor botslichaam release beginnen en vervangen van stoffen onmiddellijk na de botsing.
  3. Gebruik een gezuiverde primeur om de positie van de stof onder het scharnierende platform voor het vrijgeven van de bollen.
  4. (Optioneel) Voeren de volgende tests met behulp van een steekproef stof voor materiële karakterisering.
    1. Treksterkte testen bepalen de elasticiteitsmodulus van het monster met een treksterkte tester uitvoeren.
    2. Gebruik een digitale Microscoop verkrijgen een microscopische weergave van het weefsel te bepalen van de lengte van de vezel met behulp van een imaging tool.

5. voorbereiding chemisch hydrofobe bollen

  1. Spray de hydrofobe base coat ongeveer 15-30 cm van het oppervlak van het gebied. Vermijd inweken van het oppervlak. Laat het drogen voor 1\u20122 min voor het toevoegen van extra coatings. Twee meer base coats van toepassing. Laat het drogen voor 30 min. alvorens de toplaag.
    Opmerking: Het aantal extra oppervlak kan variëren op basis van aanbevelingen van de fabrikant van het product.
  2. Spray de hydrofobe top coat ongeveer 15-30 cm van het oppervlak. Vermijd inweken van het oppervlak. Laat het drogen voor 1-2 min voor het toevoegen van extra coatings. Toepassing van twee of drie meer coatings van de toplaag. Laten drogen voor 30 min voor licht gebruik en 12 h voor optimaal gebruik.
    Opmerking: Het aantal extra oppervlakte jassen kan variëren op basis van aanbevelingen van de fabrikant van het product.
  3. Na ongeveer 20 proeven, wordt de hydrofobe coating aangetast als gevolg van buitensporige behandeling. Verwijder coating met 99% isopropyl en herhaal stap 5.1 en 5.2.

6. synchroniseren camera's voor splash visualisatie

  1. Plaats een high-speed camera met een geschikte lens loodrecht op de as van de invloed en in lijn met het oppervlak van de vloeistof.
    Opmerking: Een uitstekende 55 mm-lens biedt een goed uitgangspunt.
  2. Wanneer stoffen moeten worden gebruikt, voeg een extra snelle camera aan het experiment het geven van een top-down-blik op de effecten, zoals te zien in Figuur 1b.
  3. Het synchroniseren van meerdere camera's op een computer met behulp van de volgende stappen uit.
    1. Beide-uitgangen van de horizontale camera verbinden met beide ingangen van de extra camera met behulp van BNC kabels.
    2. De trigger-switch verbinden met de horizontale camera alleen.
    3. Ethernet-kabels van beide camera's aansluiten op een off-netwerk-router aangesloten op de computer.
      Opmerking: In de afwezigheid van een router, verbinding maken met Ethernet-kabels voor camera's om te scheiden van de computers.
  4. In de video acquisitie software, de camera's met de volgende instellingen te configureren. Framesnelheid tot een minimum van 1.000 fps, schermresolutie ingesteld op de gewenste resolutie. De sluitertijd ingesteld op 1 per frame tweede en trigger modus te beëindigen.
  5. Voeren van de hoogte van de maximale vrijlating, een reeks test proeven om ervoor te zorgen dat de Worthington jets binnen het videoframe.
  6. De camerapositie en focus dienovereenkomstig aanpassen totdat de visualisatie van de gewenste kwaliteit is bereikt.
  7. Na de opname, uittreksel u kinematische en geometrische metingen uit video's met behulp van een geschikte video analysetool. Gebruik Tracker, een open source Analysetool of software van vergelijkende vermogen.

7. het digitaliseren van invloed cinematica met tracker software

  1. Selecteer kalibratie stok in de Tracker gereedschapset en om de visuele schaal (Figuur 2a), overeenkomen met de stok zo lang mogelijk te maken.
  2. Klik op kalibratie stok en de schaalwaarde ingesteld op de lengte van de visuele schaal overspannen door de stick. Dat wil zeggen, als de kalibratie-stick 1 cm op visuele schaal omvat, instellen schalen de waarde 1.
    Opmerking: Dit zorgt voor metingen van software zijn in de volgorde van centimeters.
  3. Afspelen van video in-/ uitschakelen door te klikken op starten en stoppen en stel de video naar het gewenste frame.
  4. Selecteer het meten van de stick in de Tracker gereedschapset en haal splash kroon hoogte k, spouw breedte b, Holte diepte len Worthington jet hoogte h, zoals te zien in Figuur 2b,c.
    Opmerking: De meet stick is verstelbaar aan beide uiteinden en tegelijkertijd met andere selecties toolbox kan worden gebruikt.
  5. Selecteer gradenboog in de Tracker gereedschapset en meet de scheiding hoek q van vloeistof ten aanzien van het botslichaam, zoals te zien in Figuur 2b. De gradenboog is verstelbaar aan beide uiteinden en tegelijkertijd met andere selecties toolbox kan worden gebruikt.
  6. Selecteer de Auto-Tracking functie in de software voor het registreren van tijdelijke positie en snelheid. Wanneer tracking wordt onderbroken als gevolg van gebrek aan duidelijkheid in de video, gebruik Handmatige tracking totdat duidelijkheid is verkregen en auto-tracking is hervat.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Dit gevestigde protocollen toestaan voor het naleven van de Worthington jets die voortvloeien uit verticale effecten over een bereik van Weber getallen figure-results-1 zoals te zien in Figuur 2 c. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Watson et al.1, waarnaar kan worden verwezen voor de exacte experimentele omstandigheden gebruikt om de hier vermelde gegevens te produceren. Richten we on...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit protocol beschrijft de proefopzet en aanbevolen procedures voor het onderzoeken van crashende bollen op een diep vloeibare zwembad. We beginnen door te wijzen op vereiste stappen voor het configureren van het experiment voor verticale effecten. Het is belangrijk een omgeving te creëren ideale plons met het gebruik van een voldoende grote plons zone zodanig dat muur effecten zijn te verwaarlozen9, en een geschikte visuele schaal voor het extraheren van kinematica12,...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteurs wil erkennen de College of Engineering en Computer Wetenschappen (LME) aan de University of Central Florida voor de financiering van dit project, Joshua Bom en Chris Souchik voor splash beelden en Nicholas Smith voor waardevolle feedback.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D PrinterFlashForgeCreator ProDual Extrusion
AlcoholSwanM31499% Isopropyl
BNC CablesThorlabs2249-C-24
CaliperAnytime Tools203185Dial
CameraPhotronMini AX-10016GB Ram
ComputerDellWindows 7 Pro
FabricGeorgia Pacific19378Toilet Paper
FabricKleenex10036000478478Tissue
Laser CutterGlowforgeBasic
LightsGS VitecLT-V9-15Multi-LED
MicroscopeKeyenceVHX-900FDigital
Retort StandVWRVWRF08530.083
RouterASUSRT-N12Off Network
RulerWestcott10432Meter Ruler
SoftwareOpen-SourceTrackerVideo Analysis
SoftwarePhotronFastcam ViewerVideo Recording
SphereAmazon8DELSETDelrin
SprayRust-Oleum274232Water Repelling
SurfactantDawn37000973782Liquid Soap
SurfactantUSP Kosher5 GallonsGlycerin
Tensile TesterMTSModel 42
Trigger SwitchCustom Made
Water TankMr. AquaMA-730Non-Tempered Glass

Referenties

  1. Watson, D. A., Stephen, J. L., Dickerson, A. K. Jet amplification and cavity formation induced by penetrable fabrics in hydrophilic sphere entry. Physics of Fluids. 30, 082109(2018).
  2. Truscott, T. T. Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles. , Massachusetts Institute of Technology. Doctor of Philosophy Thesis (2009).
  3. Truscott, T., Techet, A. Water entry of spinning spheres. Journal of Fluid Mechanics. 625, 135(2009).
  4. Techet, A., Truscott, T. Water entry of spinning hydrophobic and hydrophilic spheres. Journal of Fluids and Structures. , 716(2011).
  5. Zhao, S., Wei, C., Cong, W. Numerical investigation of water entry of half hydrophilic and half hydrophobic spheres. Mathematical Problems in Engineering. 2016, 1-15 (2016).
  6. Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 137, 137(1897).
  7. Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Paper II. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. , 175(1900).
  8. Duez, C., Ybert, C., Clanet, C., Bocquet, L. Making a splash with water repellency. Nature Physics. 3, 180-183 (2007).
  9. Tan, B. C. W., Thomas, P. J. Influence of an upper layer liquid on the phenomena and cavity formation associated with the entry of solid spheres into a stratified two-layer system of immiscible liquids. Physics of Fluids. 30, 064104(2018).
  10. Shin, J., McMahon, T. A. The tuning of a splash. Physics of Fluids. 2, 1312-1317 (1990).
  11. Krishnan, S. R., Seelamantula, C. S. On the selection of optimum Savitzky-Golay filters. IEEE Transactions on Signal Processing. 61, 380-391 (2013).
  12. Cheny, J., Walters, K. Extravagant viscoelastic effects in the Worthington jet experiment. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 67, 125-135 (1996).
  13. Castillo-Orozco, E., Davanlou, A., Choudhur, P. K., Kumar, R. Droplet impact on deep liquid pools: Rayleigh jet to formation of secondary droplets. Physical Review E. 92, (2015).
  14. Aristoff, J. M., Truscott, T. T., Techet, A. H., Bush, J. W. M. The water entry cavity formed by low bond number impacts. Physics of Fluids. 20, 091111(2008).
  15. Aristoff, J., Bush, J. Water entry of small hydrophobic spheres. Journal of Fluid Mechanics. 619, 45-78 (2009).
  16. Aristoff, J., Truscott, T., Techet, A., Bush, J. The water entry of decelerating spheres. Physics of Fluids. 22, (2010).
  17. Truscott, T., Epps, B., Techet, A. Unsteady forces on spheres during free-surface water entry. Journal of Fluid Mechanics. 704, 173-210 (2012).
  18. Truscott, T. T., Epps, B. P., Belden, J. Water entry of projectiles. Annual Review of Fluid Mechanics. 46, 355-378 (2013).
  19. Gekle, S., Gordillo, J. M. Generation and breakup of Worthington jets after cavity collapse part 1. Journal of Fluid Mechanics. 663, 293-330 (2010).
  20. Cross, R., Lindsey, C. Measuring the drag force on a falling ball. The Physics Teacher. 169, (2014).
  21. Cross, R. Vertical impact of a sphere falling into water. The Physics Teacher. , 153(2016).
  22. Dickerson, A. K., Shankles, P., Madhavan, N., Hu, D. L. Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (25), 9822-9827 (2012).
  23. Dickerson, A. K., Shankles, P., Hu, D. L. Raindrops push and splash flying insects. Physics of Fluids. 26, 02710(2014).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Impact op vloeistofbadspatdynamicapenetratie in textielhydrofobe coatinghogesnelheidsfotografiecaviteitsvormingWorthington jetimpactkinematicavloeistofmechanica

Gerelateerde artikelen