Name: Magnetisch Induced Rotating Rayleigh-Taylor instabiliteit (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: Leer hoe rotatie de Rayleigh-Taylor-instabiliteit beïnvloedt in een tweelaags vloeistofsysteem met een dichte vloeistof boven een minder dichte vloeistof. Deze methode gebruikt een magnetisch veld om de stabiliteit te manipuleren.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

RJAH erkent de steun van EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS erkent financiering van EPSRC onder subsidienummer EP/K5035-4X/1.

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 van niet-standaard apparatuur <ol><li> Flotation boot <ol><li> Maken de grootte van het schip zodat het past comfortabel in de experimentele tank zonder het zijkanten. LET OP: De beursgang boot (zie afb. 3) bestaat uit polystyreen wanden en een spons basis. </li><li> Bescherm de spons met een laag strong vloeipapier. Opmerking: Het doel van het tissuepapier is zoveel impuls verticale afvoeren van het fluïdum in de boot mogelijk gegoten. </li></ol></li></ol> 2. Bereiding van Experiment <ol><li> Bereiding van vloeistoflagen <ol><li> Laat gedestilleerd water naar maximaal laboratorium temperatuur (22 ± 2 ° C) komen. Ongeveer 650 ml nodig voor elke experimentele uitvoering. Opmerking: het mengsel equilibreren voorkomt de vorming van bellen in het experiment vanwege exsolving lucht. </li><li> Scheid het gedestilleerde water in gelijke delen in twee afzonderlijke houders, A en B, die worden gebruikt om vloeibare respectievelijk bereiden op de dichte onderlaag en bovenlaag licht. </li><li> Ex-situ bereiding van dichte onderlaag. Om de inhoud van de verpakking A: <ol><li> Voeg NaCl tot een concentratie van 0,43 mol NaCl per liter water bereikt (ongeveer 25 g NaCl per literwater nodig zal zijn); </li><li> Voeg 0,33 g rood en blauw-water opsporen van kleurstoffen aan de onderste laag container (bijvoorbeeld, Cole-Parmer 00295-16 en -18); </li><li> Voeg 0,1 g L -1 fluoresceïne natrium. OPMERKING: De onderlaag wordt nu plaatsvindt ondoorzichtige en een dichtheid van ongeveer 1012,9 ± 1,2 kg m -3. </li></ol></li><li> Ex-situ bereiding van licht bovenlaag. Om de inhoud van de verpakking B: <ol><li> Voeg MnCl2 zout tot een concentratie van 0,06 mol bereiken MnCl2 per liter water (ongeveer 12 g MnCl2 per liter water). OPMERKING: De bovenlaag wordt transparant in verschijning en een dichtheid van ongeveer 998,2 ± 0,5 kg m -3. </li></ol></li><li> Om de viscositeit van de vloeistof lagen variëren, voeg glycerol C 3 H 8 O 3 in gelijke hoeveelheden op elke laag totdat de gewenste viscositeit wordt bereikt. typische viscosities liggen in het bereik van 1,00 × 10 -3 - 21,00 x 10 -3 Pa s. De viscositeit van elke laag hetzelfde. NB: De mengsels kunnen veilig in hun aparte containers worden opgeslagen totdat nodig. </li><li> Ex-situ bereiding van dichtheidsstratificatie. <ol><li> Voeg 300 ml van de inhoud van de verpakking het cilindrische binnentank (zie fig. 2). </li><li> Dompel spons de beursgang boot in vloeistof uit container B. LET OP: Na (2.1.6.2) de procedure is het tijd gevoelig is, dus niet uitvoeren van alle verdere stappen totdat alle de magneet en de verlichting, opname en mechanische mechanismen klaar zijn. </li><li> Til de flotatie boot uit de houder B, wanneer deze niet meer druipend plaats voorzichtig het drijvende boot bovenop de laag van dichte fluïdum in de binnenste cilindrische tank. </li><li> Gaan branden lagen fluïdum uit reservoir B toevoegen flotatie boot bij een stroomsnelheid van3 ml / min. Verhoog geleidelijk de stroomsnelheid als flotatie scheepsliften verwijderd van het grensvlak tussen de twee lagen. Handhaaf een langzaam genoeg debiet dat de interface niet wordt verstoord door de verhoogde dynamiek van de fluïdumstroom, maar snel genoeg dat dit proces niet meer dan 20 min. Blijven vullen totdat de bovenste laag bevat 320 ml vloeistof. OPMERKING: De onderlaag wordt op een diepte van ongeveer 33 mm en de bovenlaag zullen een diepte van ongeveer 39 mm. </li><li> Laat de tegenoverliggende Lucite deksel in de bovenste laag zodat de laag dieptes van elke laag gelijk. Laat vocht en lucht door de purgeergaten te stromen, zodat er geen lucht eronder zit gevangen. Let op een laag (ong. 6 mm) van heldere licht laagje vloeistof op de top van de Lucite deksel. Opmerking: Als het proces is voltooid er twee vloeistoflagen van gelijke diepte met een scherpe interface tussen hen. De dikte van de diffusielaag aan het grensvlak minder dan 2 m bedragenm in dit stadium. </li></ol></li><li> Vul het buitenste reservoir met schoon gedestilleerd water tot ongeveer 6 mm boven de Lucite deksel van de binnentank. Bij het observeren vierkante on er geen kromming geïnduceerde parallax ten gevolge van de inwendige cilindrische tank. Opmerking: omdat de vloeistof in elke laag continu diffusie over het grensvlak op dit punt, gaat direct naar de volgende stappen. </li></ol></li><li> Spin-up van de gelaagdheid <ol><li> Plaats de experimentele tank op het platform. </li><li> Plaats de afspraak met de koperen cilinder in de boring van de magneet, de aandrijfas door het sleutelgat opening in het spoor en de borgpen op zijn plaats. Zorgen dat de tank ver (60 cm) vanaf de magneet zodanig dat de magnetische krachten op de vloeistof verwaarloosbaar op deze positie. LET OP: Het dragen van de experimentele tank met de gelaagdheid geeft weinig problemen; lange, lage amplitude, ingesteld klotsende golven door het lopen met the tank weg verval heeft verwaarloosbare invloed op de kwaliteit van de interface bereikt wanneer de zwevende bovenste laag op. </li><li> Zet de motor, waardoor de rotatiesnelheid van 0,002 rad s -2, spinnen-de vloeistof naar de gewenste rotatiesnelheid. Voor de rotatiesnelheden in 16 de opstarttijd dit bedroeg 20 min - 60 min. LET OP: De snelste rotatiesnelheid gebruikt was 13,2 rad s-1. </li></ol></li></ol> 3. Uitvoering van Experiment <ol><li> Controleer of de magneet aangeeft een veldsterkte van 1,2 T, en dat de hoogte waarop de instabiliteit leidde de veldgradiënt (grad B 2) / 2 = -14,3 T 2 m -1, waarbij B de magnetische inductie . </li><li> Controleer of de videocamera zodanig is ingericht dat wanneer de aandrijfas in de laagste stand ofwel het zijaanzicht van het experiment is in focus, of een bovenaanzicht is scherpgesteld door een spiegel placed boven het experiment. </li><li> Zorg ervoor dat de sfeerverlichting op de juiste niveaus, zodanig dat geen van de gevangen genomen door de camera afbeelding is verzadigd, maar dat de volledige respons wordt gebruikt (grijstinten intensiteiten in het bereik 0-255). </li><li> Begin video-opname (240 fps). Gebruik een afstandsbediening om te voorkomen dat het bewegen van de camera tijdens het gebruik van de opnamefunctie. </li><li> Verwijder de borgpen, zodat de tank af te dalen, tijdens het draaien, in het magnetische veld. </li></ol> 4. Reset Experiment <ol><li> Reset experimentele rig <ol><li> Gebruik de afstandsbediening om de video-opname te stoppen. </li><li> Sla het filmbestand op schijf. </li><li> Hand, laat de spanning naar de motor zodat het vertraagt ​​tot stilstand. Voer deze geleidelijk om morsen te voorkomen. </li><li> Verwijder experimentele regeling uit magneet. </li><li> Gooi de gemengde vloeistof lagen op de juiste wijze (zie Mangaan Chloride tetrahydraat veiligheidsinformatieblad). </li><li> Spoel de tank met water (hethoeft niet te distilleren), totdat alle sporen van zouten weggespoeld. Vermijd direct huidcontact met vloeistoffen. </li><li> Droog de tank voorzichtig met papieren zakdoekje om ervoor te zorgen dat er geen residuen dat latere experimenten kan verontreinigen. </li></ol></li></ol> 5. Beeldverwerking <ol><li> Pak de afzonderlijke beelden van elke film frame en op te slaan in lossless .png formaat. Maskeren alle ongewenste delen van elk frame, bijvoorbeeld het platform of koperen cilinder. </li><li> Bereken de tweedimensionale autocorrelatiefunktie 16 van elk beeldframe 2 sec na aanvang van het gebruik van een discrete instabiliteit Fast Fourier Transform. Noteer de minimale, gemiddelde en maximale waarde van de waargenomen golflengte voor de draaiing van het experiment en de viscositeit van de vloeistof lagen. </li></ol>

<ol><li>Lewis, D. J. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/98515?seq=1#page_scan_tab_contents">The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II.</a> Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).</li>
<li>Read, K. I. <a target="_blank" href="https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:24064105">Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability.</a> Physica D. 12, 45-58 (1984).</li>
<li>Dimonte, G., Schneider, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Turbulent+Rayleigh-Taylor+instability+experiments+with+variable+acceleration%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+E%22%5BJournal%5D)">Turbulent Rayleigh-Taylor instability experiments with variable acceleration.</a> Phys. Rev. E. 54, 3740-3743 (1996).</li>
<li>Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/222484421_Rayleigh-Taylor_instability_experiments_with_image_analysis">Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis.</a> Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).</li>
<li>Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/237134510_Rayleigh-Taylor_instability_in_complex_stratifications">Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications.</a> J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).</li>
<li>Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231972595_Molecular_mixing_in_Rayleigh-Taylor_instability">Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability.</a> J. Fluid Mech. , 97-124 (1994).</li>
<li>Lord Rayleigh, <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1112/plms/s1-14.1.170/full">Investigation of the Character of the Equilibrium of an Incompressible Heavy Fluid of Variable Density.</a> Proc. Lon. Math. Soc. 14, 170-177 (1883).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/201/1065/192">The instability of fluid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I.</a> Proc. Roy. Soc., A. 201, 192-196 (1950).</li>
<li>Limat, L., Jenffer, P., Dagens, B., Touron, E., Fermigier, M., Wesfreid, J. E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/016727899290160O">Gravitational instabilities of thin liquid layers: dynamics of pattern selection.</a> Physica D. 61, 166-182 (1992).</li>
<li>Gelfand, J. D., Slane, P. O., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/703/2/2051/meta">A Dynamical Model for the Evolution of a Pulsar Wind Nebula Inside a Nonradiative Supernova Remnant.</a> Astrophys. J. 703, 2051-2067 (2009).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/94126?seq=1#page_scan_tab_contents">Experiments on the Motion of Solid Bodies in Rotating Fluids.</a> Proc. Roy. Soc., A. 104, 213-218 (1923).</li>
<li>Proudman, J. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/92/642/408">On the Motion of Solids in a Liquid Possessing Vorticity.</a> Proc. Roy. Soc., A. 92, 408-424 (1916).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/93/648/99">Motion of Solids in Fluids when the Flow is not lrrotational.</a> Proc. Roy. Soc., A. 93, 99-113 (1917).</li>
<li>Carlès, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh-Taylor+Instability+for+Immiscible+Fluids+of+Arbitrary+Viscosities%3A+A+Magnetic+Levitation+Investigation+and+Theoretical+Model%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model.</a> Phys. Rev. Lett. 96, 104501(2006).</li>
<li>Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carlès, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rayleigh-Taylor+Instability+Experiments+with+Precise+and+Arbitrary+Control+of+the+Initial+Interface+Shape%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 204502(2007).</li>
<li>Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Inhibition+of+the+Rayleigh-Taylor+Instability+by+Rotation%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation.</a> Sci. Rep. 5, 11706(2015).</li>
<li>Rossby, H. T. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/231879355_A_Study_of_Benard_Convection_With_and_Without_Rotation">A study of Bénard convection with and without rotation.</a> J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

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 (&lt;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...

<html> 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 optreden in niet-roterende systemen die worden versneld naar de zwaardere laag. Vanwege het fundamentele karakter van de instabiliteit wordt opgemerkt in heel veel stromen die ook sterk variëren in omvang: van kleinschalige dunne film verschijnselen 9 tot astrofysische schaal functies waargenomen in, bijvoorbeeld, de krab nevelef &quot;&gt; 10, waar de vinger-achtige structuren worden waargenomen, gecreëerd door pulsar wind wordt versneld door dichter supernovaresten. Het is een open vraag hoe de Rayleigh-Taylor instabiliteit kan worden gecontroleerd of beïnvloed zodra de eerste instabiele dichtheidsverschil is geweest gevestigd te interface. een mogelijkheid is om bulk rotatie van het systeem beoordelen. het doel van de experimenten om het effect van rotatie te onderzoeken op het systeem, en of dit kan een route naar stabilisatie. We beschouwen een vloeistofsysteem dat uit twee lagen zwaartekracht onstabiele stratificatie onder constante rotatie om een ​​as evenwijdig aan de richting van de zwaartekracht. Een storing van een instabiele tweelaags dichtheidsstratificatie leidt tot barocliene generatie vorticiteit, dwz kantelen, aan het grensvlak neiging break-up verticale structuren. Er is echter een roterende vloeistof bekend om zichzelf te organiseren in samenhangende verticale structures uitgelijnd met de rotatieas, zogenaamde &quot;Taylor kolommen 11. Vandaar dat het systeem in onderzoek ondergaat concurrentie tussen de stabiliserende werking van de rotatie, dat is het organiseren van de stroom in verticale structuren en het voorkomen van de twee lagen kantelen, en de destabiliserende effect van de dichtere vloeistof bovenop de lichtere vloeistof die het kantelmoment beweging genereert op het grensvlak . Met verhoogde rotatiesnelheid van het vermogen van de vloeistoflagen radiaal bewegen, met tegengestelde zin aan elkaar, om zich te herschikken in een stabielere configuratie steeds geremd door de Taylor-Proudman stelling 12, 13: de radiale beweging wordt verminderd en de waargenomen structuren die materialiseren als de instabiliteit ontwikkelt zijn kleiner in omvang. Fig. 1 toont kwalitatief het effect van de rotatie op de wervels die vorm als instabiliteit ontstaat. In debeeld linkerhand er geen rotatie en de stroom is een benadering van klassieke niet roterende Rayleigh-Taylor instabiliteit. beeld de rechterhand in alle experimentele parameters identiek beeld de linker uitgezonderd dat het systeem wordt geroteerd om een ​​verticale as uitgelijnd met het midden van de tank. Te zien is dat het effect van de rotatie om de grootte van de wervels die gevormd worden verminderen. Dit op zijn beurt resulteert in een instabiliteit die langzamer ontwikkelen dan de niet-roterende tegenhanger. De magnetische effecten die de spanningstensor in het fluïdum te wijzigen kunnen worden geacht op te treden op dezelfde wijze als een gemodificeerde zwaartekrachtveld. We zijn dus in staat om een ​​zwaartekracht stabiele gelaagdheid maken en draaien het op in vast lichaam rotatie. Het magnetische orgaan krachten opgewekt door het opleggen van het gradiënt magnetisch veld nabootsen dan tot gevolg dat het gravitatieveld. Dit maakt de interface instabiele zodat het vloeistofsysteem behaves, een goede benadering als klassiek Rayleigh-Taylor instabiliteit onder rotatie. Deze benadering is eerder gepoogd tweedimensionaal zonder rotatie 14, 15. Voor een aangelegd magnetisch gradiëntveld met geïnduceerde magneetveld, het lichaam kracht op een vloeistof van constant volume magnetische susceptibiliteit χ wordt gegeven door f = grad (χ B 2 / μ 0), waarin B = | B | en μ 0 = 4π x 10 -7 NA -2 is de magnetische permeabiliteit van vrije ruimte. We kunnen beschouwen daarvoor de magneet om de effectieve gewicht van elke vloeistoflaag, wanneer het werkelijke gewicht per volume-eenheid van een fluïdum dichtheid ρ in een gravitatieveld kracht G wordt gegeven door ρ g manipuleren - χ (∂ B 2 / ∂ z ) / (2 μ 0).

<table><tbody><tr><td>Blauw water traceerkleurmiddel</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>Rood water traceerkleurmiddel</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>Natriumchloride</td><td></td><td></td><td>>99% zuiverheid</td></tr><tr><td>Mangaanchloride tetrahydraat</td><td></td><td></td><td>Zie MSDS</td></tr><tr><td>Fluoresceïne natriumzout&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magneet</td><td>Cryogenic Ltd. Londen</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

magnetisch induced rotating rayleigh-taylor instabiliteit

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

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.

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,...

We presenteren een protocol voor het bereiden van een tweedelige dichtheidsgestratificeerde vloeistof die kan worden opgestart in vaste lichaamsrotatie en vervolgens kan worden geïnduceerd in Rayleigh-Taylor instabiliteit door een gradiëntmagnetisch veld toe te passen.

Magnetisch Induced Rotating Rayleigh-Taylor instabiliteit

Classical techniques for investigating the Rayleigh-Taylor instability include using compressed gasses1, rocketry2 or linear electric motors3 to reverse ...

Het algemene doel van dit experiment is om het effect van rotatie te observeren op een gravitatie-onstabiel systeem dat bestaat uit een dichte vloeistof bovenop een minder dichte vloeistof. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de vloeistofdynamica, zoals de wijze waarop het stabiliserende effect van rotatie concurreert en interacteert met het destabiliserende effect van de zwaartekracht. Het belangrijkste kenmerk van deze techniek is de mogelijkheid om een stabiel roterend systeem met twee lagen te creëren en vervolgens een magneet te gebruiken om het effectieve gewicht van elke laag te manipuleren, waardoor de instabiliteit wordt getriggerd.Dit is de opstelling die voor het experiment wordt gebruikt. De belangrijkste zichtbare componenten zijn een roterend platform voor de experimentele tank, een koperen cilinder die dit ondersteunt en een kamertemperatuur-bore supergeleidende magneet. De cilinder daalt af in de bore van de magneet en een magnetisch veld van 1,8 tesla.Dit schema biedt aanvullende details van de opstelling. De rotatie van het platform wordt veroorzaakt door een motor buiten de as die een glijlager met een sleutelgatopening aandrijft. De koperen cilinder is bevestigd aan de sleutelvormige aandrijfas en daalt onder eigen gewicht naar beneden wanneer de borgpen wordt verwijderd.De complete opstelling omvat de verlichting en een op afstand bestuurbare camera om beelden vast te leggen. Verplaats de aandrijfas naar de laagste positie terwijl de tank op het platform staat. Zorg ervoor dat de videocamera een scherp beeld van het experiment heeft en dat de verlichting adequaat is.Om het experiment voor te bereiden, plaatst u het platform en de koperen cilinder in hun hoogste positie. Zet de cilinder vast met de houderspin. Wanneer alles verder is ingesteld, verwijdert u de tank om deze voor te bereiden op het experiment.Bereid op de labtafel de vloeistoffen voor de tank voor. Begin voor de dichte laag met 250 milliliters gedestilleerd water op kamertemperatuur en voeg ongeveer 6,25 grams natriumchloride toe aan het water. De componenten van de lichte bovenlaag zijn 325 milliliters gedestilleerd water op kamertemperatuur, samen met mangaanchloride en rode en blauwe kleurstoffen voor watertracering.Voeg een kleine hoeveelheid fluoresceïnenatrium toe om de bereiding te voltooien. De twee vloeistoffen zijn nu klaar voor het experiment. De gestratificeerde vloeistoffen worden gehouden in een transparante cilindrische houder, voorzien van een lucidedeksel dat hierop past.Het deksel is voorzien van ontluchtingsgaten om de doorstroming van vloeistof en lucht mogelijk te maken. Zorg dat, naast de container en vloeistoffen, een drijver klaarstaat voor gebruik. De drijver bestaat uit styreenwanden op een sponsbasis.De bodem van de binnenkant moet bekleed zijn met stevig vloeipapier. Het bootje moet gemakkelijk in het experimentele tankje passen zonder de wanden te raken. Ga pas door met de volgende stappen wanneer u klaar bent om het experiment uit te voeren.Begin met de vloeistof met hoge dichtheid en voeg deze toe aan het tank. Stop wanneer er 300 milliliters is toegevoegd. Bereid vervolgens een buffertank voor met een klem en slang voor de vloeistof met lage dichtheid.Het reservoir moet ten minste 350 milliliters kunnen bevatten en de klem moet controle over de vloeistofstroom mogelijk maken. Ga verder door vloeistof met een lage dichtheid aan het reservoir toe te voegen. Monteer vervolgens het reservoir boven het experimentele tank om de afgifte van vloeistof nabij het oppervlak van de vloeistof met een hoge dichtheid mogelijk te maken.Plaats de drijver op het oppervlak van de vloeistof met hoge dichtheid. Pas de klem op de voorraadtank aan om vloeistof met lage dichtheid aan de drijver toe te voegen, met een snelheid van ongeveer drie milliliters per minuut. Na verloop van tijd diffundeert de vloeistof met lage dichtheid door de spons, waardoor er een lichte vloeistoflaag boven de vloeistof met hoge dichtheid ontstaat.Terwijl de boot van de interface af komt, wordt de stroomsnelheid geleidelijk verhoogd. Blijf vullen tot de voorraadtank leeg is. Zodra de vloeistof volledig is afgeheveld, wordt de drijvende boot langzaam verwijderd om lekken te minimaliseren en wordt het deksel voor de experimentele tank gepakt.Plaats het deksel en begin het langzaam in de bovenste vloeistoflaag te laten zakken. Stop wanneer de dieptes van elke laag gelijk zijn en er geen luchtbellen zijn ingesloten. Indien succesvol, zullen er twee vloeistoflagen van gelijke diepte ontstaan met een scherpe interface tussen beide.Er zal ook een laag laag-densiteitsvloeistof bovenop het lucite deksel aanwezig zijn. Voer het experiment snel uit en verplaats het reservoir voorzichtig naar het apparaat. Plaats het experimentele reservoir op het platform, waarbij u het ver uit de buurt van de magneet houdt.Zet de motor aan en verhoog de rotatiesnelheid langzaam door de spanning van de voeding te verhogen tot de gewenste snelheid is bereikt. Zodra de gewenste rotatiesnelheid is bereikt, start u de video-opname en neemt u positie in om de borgpen te verwijderen. Verwijder de pen wanneer u klaar bent en laat de tank in het magnetische veld zakken.Deze afbeeldingen zijn momentopnamen van de vloeistofinterface voor vier verschillende rotatiesnelheden. Elke kolom komt overeen met een ander tijdstip en neemt toe in stappen van een halve seconde. Op vroege tijdstippen, bijvoorbeeld bij het één-seconde-merk, is er voor elke rotatiesnelheid een perturbatie van de interface met een dominante lengteschaal.Bij een toenemende rotatiesnelheid neemt de breedte van de slangachtige structuren af. Deze afbeeldingen zijn afkomstig uit een reeks experimenten met variërende vloeistofviscositeit en een vaste rotatiesnelheid. Elke kolom komt overeen met een ander tijdstip.De waargenomen lengteschaal van de instabiliteit neemt toe naarmate de viscositeit stijgt van lagere naar hogere waarden. Door de dominante radiogolfgolflengte uit te zetten als functie van de rotatiesnelheid, wordt een lagere drempelwaarde voor de schaal van de instabiliteit waarneembaar. In deze gegevens voor vloeistoflagen met een viscositeit die ongeveer gelijk is aan die van water, ligt bij rotatiesnelheden boven de vier radialen per seconde de lagere drempelwaarde op ongeveer zes millimeter.Zodra deze techniek beheerst is, kan deze in één uur worden uitgevoerd mits deze correct wordt toegepast.

magnetically-induced-rotating-rayleigh-taylor-instability

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Magnetic resonance imaging (MRI) is een krachtig hulpmiddel om de effectiviteit van procesapparatuur te evalueren tijdens de werking. We bespreken het gebruik van MRI te visualiseren mengen in een statische mixer. De applicatie is relevant voor producten voor persoonlijke verzorging, maar kan worden toegepast op een breed scala aan voedingsmiddelen-, chemische, biomassa en biologische vloeistoffen.

Kwantificeren mengen met behulp van Magnetic Resonance Imaging

Stentimplantaten in vernauwde arteriële bochten zijn vatbaar voor "Type IV"-storingen waarbij de volledige transversale breuk van stents en lineaire verplaatsing van de gebroken delen betrokken zijn. We presenteren een protocol voor de detectie van secundaire stroming (vorticale) structuren in een gebogen slagadermodel, stroomafwaarts van klinisch relevante "Type IV" stentstoringen.

Experimenteel onderzoek van secundaire Flow Structures Stroomafwaarts van een Model Type IV Stent Niet in een 180 ° Gebogen Artery proefvak

Hier beschrijven we een procedure die de microschalige schlieren-techniek gebruikt om mengingsongelijkheid in een microfluïdisch apparaat te meten. Door middel van kalibratie kan de verdeling van de concentratiegradiënt worden afgeleid uit de micro-schlieren-afbeelding.

Het analyseren van Mengen Inhomogeniteit in een microfluïdische apparaat door Microscale Schlieren Technique

We gebruiken 3D-printen om anisotrope deeltjes in de vormen van kegelkappen, kruisen, tetraden en triaden te fabriceren, waarvan de uitlijningen en rotaties in turbulente vloeistofstroming kunnen worden gemeten vanuit meerdere gelijktijdige videobeelden.

Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence

We presenteren een protocol voor het creëren van een realtime film van een moleculair rotatiegolfpakket met behulp van een hoogwaardige Coulomb-explosie-beeldvormingsopstelling.

Direct Imaging van Laser-driven Ultrasnelle Moleculaire Rotation

Twee verschillende methoden voor het karakteriseren van de motie van de beginnende deeltje van een enkele kraal als een functie van de geometrie van het sediment bed van laminaire naar een turbulente stroming worden gepresenteerd.

Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden

Dit manuscript wordt beschreven methoden gericht op het meten van de lokale momentane convectie warmte overdracht coëfficiënten in een stroom van één of twee fasen pijp. Een eenvoudige optische methode om te bepalen van de lengte en de snelheid van de voortplanting van een verlengde (Taylor)-luchtbel rijdt met een constante snelheid wordt ook gepresenteerd.

Metingen van lokale momentane convectieve warmteoverdracht in een pijp - één en twee fasen Flow

Hier presenteren we een experimentele methode voor de ontkoppeling van de onderling afhankelijke Coriolis-force en roterende-drijfvermogen effecten op volledige-veld warmte overdracht distributies van een roterende kanaal.

Ontkoppelingseiwit Coriolis kracht en roterende drijfvermogen effecten op Full-veld warmte overdracht van eigenschappen van een roterende kanaal

De Photonic bandstructuur maakt het mogelijk om te begrijpen hoe beperkt elektromagnetische modi zich verspreiden in een fotonisch kristal. In fotonische kristallen die magnetische elementen bevatten, gaan dergelijke beperkte en resonerende optische modi gepaard met een verbeterde en gewijzigde Magneto-optische activiteit. We beschrijven een meetprocedure om de Magneto-optische bandstructuur uit te pakken door Fourier-ruimte microscopie.

Spectrale en hoek-opgeloste Magneto-optische karakterisatie van fotonische nanostructuren

Een snelle en betrouwbare techniek wordt voorgesteld om de vormoscillaties van een enkele, gevangen akoestische bel te regelen die is gebaseerd op coalescentietechniek tussen twee bellen. De steady-state, symmetrie-gecontroleerde bubbelvormoscillaties maken analyse mogelijk van de vloeistofstroom die wordt gegenereerd in de buurt van de belinterface.

Inductie van microstreaming door niet-bolvormige bubbeloscillaties in een akoestisch levitatiesysteem

Leer hoe rotatie de Rayleigh-Taylor-instabiliteit beïnvloedt in een tweelaags vloeistofsysteem met een dichte vloeistof boven een minder dichte vloeistof. Deze methode gebruikt een magnetisch veld om de stabiliteit te manipuleren.

Magnetisch Induced Rotating Rayleigh-Taylor instabiliteit

Meer video's verkennen