Przedstawiamy protokół przygotowania dwuwarstwowej cieczy o uwarstwionej gęstości, która może być rozpędzona do rotacji ciała stałego, a następnie indukowana do niestabilności Rayleigha-Taylora poprzez zastosowanie gradientowego pola magnetycznego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Magnetycznie indukowana wirująca niestabilność Rayleigha-Taylora
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Klasyczne techniki badania niestabilności Rayleigha-Taylora obejmują użycie sprężonych gazów1, rocketry2 lub liniowych silników elektrycznych3 do odwrócenia efektywnego kierunku grawitacji i przyspieszenia lżejszego płynu w kierunku gęstszego płynu. Inni autorzy,np. 4,5,6 oddzielili grawitacyjnie niestabilną stratyfikację barierą, która jest usuwana, aby zainicjować przepływ. Jednak paraboliczny interfejs początkowy w przypadku rotującej stratyfikacji narzuca eksperymentalnie znaczne trudności techniczne. Chcielibyśmy być w stanie rozkręcić stratyfikację do rotacji ciała stałego, a dopiero potem zainicjować przepływ, aby zbadać wpływ rotacji na niestabilność Rayleigha-Taylora. Podejście, które tutaj przyjęliśmy, polega na wykorzystaniu pola magnetycznego magnesu nadprzewodzącego do manipulowania efektywną masą dwóch cieczy w celu zainicjowania przepływu. Tworzymy stabilną grawitacyjnie dwuwarstwową stratyfikację przy użyciu standardowych technik flotacji. Górna warstwa jest mniej gęsta niż dolna, a więc system jest stabilny Rayleigha-Taylora. Ta stratyfikacja jest następnie rozkręcana, aż obie warstwy znajdą się w ruchu obrotowym ciała stałego i zaobserwuje się interfejs paraboliczny. W eksperymentach tych wykorzystuje się płyny o niskiej podatności magnetycznej, |χ| ~ 10-6 - 10-5, w porównaniu do ferrofluidów. Dominujący efekt pola magnetycznego przykłada siłę ciała do każdej warstwy, zmieniając ciężar efektywny. Górna warstwa jest słabo paramagnetyczna, podczas gdy dolna warstwa jest słabo diamagnetyczna. Po przyłożeniu pola magnetycznego dolna warstwa jest odpychana od magnesu, podczas gdy górna warstwa jest przyciągana w kierunku magnesu. Niestabilność Rayleigha-Taylora uzyskuje się poprzez zastosowanie pola magnetycznego o wysokim gradiencie. Ponadto zaobserwowaliśmy, że zwiększenie lepkości dynamicznej płynu w każdej warstwie zwiększa skalę długości niestabilności.
Wprowadzenie
System płynów warstwowych o gęstości, składający się z dwóch warstw, może być ułożony w polu grawitacyjnym w konfiguracji stabilnej lub niestabilnej. Jeśli gęsta ciężka warstwa leży u podstaw mniej gęstej, lekkiej warstwy, to system jest stabilny: zakłócenia na granicy są stabilne, przywracane przez grawitację, a fale mogą być podtrzymywane na interfejsie. Jeśli gruba warstwa nakłada się na lekką warstwę, system jest niestabilny i narastają zakłócenia interfejsu. Ta podstawowa niestabilność płynu to niestabilność Rayleigha-Taylora7,8. Dokładnie taką samą niestabilność można zaobserwować w układach nieobrotowyc....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
UWAGA: Aparatura doświadczalna jest pokazana schematycznie na Rys. 2. Główna część aparatury składa się z obrotowej platformy (300 mm × 300 mm) zamontowanej na miedzianym cylindrze (średnica 55 mm), który opada pod własnym ciężarem do silnego pola magnetycznego magnesu nadprzewodzącego (1,8 T) z pionowym otworem o temperaturze pokojowej. Platforma jest przystosowana do obracania się za pomocą silnika poza osią, który obraca łożysko ślizgowe z otworem w kształcie dziurki od klucza. Miedziany cylinder jest przymocowany do wału napędowego w kształcie klucza, który jednocześnie obraca się i opada po wyjęciu kołka mocującego.
1. P....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Rys. 4 przedstawia rozwój niestabilności Rayleigha-Taylora na granicy dwóch płynów dla czterech różnych prędkości obrotowych: Ω = 1.89 rad s-1 (górny rząd), Ω = 3.32 rad s-1, Ω = 4.68 rad s-1 oraz Ω = 8.74 rad s-1 (dolny rząd). Przedstawiono ewolucję granicy w czasie od t = 0 s (lewa kolumna) z przyrostami co 0.5 s do t = 3.0 s (prawa kolumna). Prawa kolumna reprezentuje zatem odpowiednio 0.90, 1.59, 2.23 i 4.17 pełnych.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W protokole istnieją dwa kluczowe kroki. Pierwszym z nich jest 2.1.6.4. Jeśli lekka warstwa zbyt szybko unosi się na gęstej warstwie, następuje nieodwracalne wymieszanie dwóch mieszających się warstw płynu. Istotne jest, aby tego uniknąć i uzyskać ostre (<2 mm) połączenie między dwiema warstwami. Drugim krytycznym krokiem jest 3.1.5. Jeżeli eksperyment jest uwalniany w kierunku magnesu bez pełnego rozkręcenia do obrotu ciała stałego lub bez aparatury do wizualizacji i przechwytywania obrazu w pozycji i w trybie czuwania,.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
RJAH dziękuje za wsparcie od EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS potwierdza finansowanie z EPSRC w ramach grantu o numerze EP/K5035-4X/1.
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Niebieski barwnik kalkulacyjny | Cole-Parmer | 00295-18 | |
| Czerwony barwnik kalkulacyjny | Cole-Parmer | 00295-16 | |
| Chlorek | >99% czystości | ||
| Czterowodny | Patrz MSDS | ||
| Sól sodowa fluoresceiny | |||
| Magnet | Cryogenic Ltd. Londyn |
Bibliografia
- Lewis, D. J. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II. Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).
- Read, K. I. Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability. Physica D. 12, 45-58 (1984).
- Dimonte, G., Schneider, M.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
