Artykuł metodologiczny

Uderzenia swobodnie spadających kul w głębokim basenie cieczy ze zmienionymi warunkami powierzchni płynu i impaktora

6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59300

⸱

17 lutego 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół demonstruje podstawową konfigurację eksperymentalną dla eksperymentów z wejściem do wody z swobodnie spadającymi kulami. Omówiono metody zmiany powierzchni cieczy za pomocą przenikalnych tkanin, przygotowania kulek niezwilżających chemicznie oraz etapów wizualizacji rozprysków i ekstrakcji danych.

Streszczenie

Pionowe uderzenia kul w czystą wodę były przedmiotem licznych badań nad wejściem do wody, charakteryzujących powstawanie wgłębień, wznoszenie się korony rozpryskowej i stabilność strumienia Worthington. W tym miejscu ustalamy eksperymentalne protokoły badania dynamiki rozprysków, gdy gładkie, swobodnie opadające kule o różnej zwilżalności, masie i średnicy uderzają w swobodną powierzchnię głębokiego basenu cieczy zmodyfikowanego przez cienkie przepuszczalne tkaniny i ciekłe środki powierzchniowo czynne. Badania wnikania wody zapewniają dostępne, łatwe w montażu i wykonaniu eksperymenty do badania złożonej mechaniki płynów. Poniżej przedstawiamy przestrajalny protokół charakteryzowania wysokości rozprysków, wskaźników separacji przepływu i kinematyki impaktora, a także reprezentatywne wyniki, które można uzyskać, odtwarzając nasze podejście. Metody te mają zastosowanie, gdy charakterystyczne wymiary rozbryzgów pozostają poniżej około 0,5 m. Protokół ten może być jednak dostosowany do większych wysokości uwalniania i prędkości uderzenia, co dobrze wróży przełożeniu wyników na zastosowania morskie i przemysłowe.

Wprowadzenie

Charakterystyka dynamiki rozprysków wynikającej z pionowych uderzeń ciał stałych w głęboki basen z cieczą1 ma zastosowanie do zastosowań wojskowych, morskich i przemysłowych, takich jak wejście do wody pocisków balistycznych i lądowanie na powierzchni morza2,3,4,5. Pierwsze badania nad wnikaniem wody przeprowadzono ponad sto lat temu6,7. W tym miejscu ustalamy jasne, szczegółowe protokoły i najlepsze praktyki w celu osiągnięcia spójnych wyników badań dotyczących wnikania do wody. Aby ułatwić prawidłowy projekt eksperymentalny, przedstawiono metodę utrzymania warunków sanitarnych, zmiany warunków międzyfazowych, kontroli parametrów bezwymiarowych, modyfikacji chemicznej powierzchni impaktora oraz wizualizacji kinematyki rozbryzgów.

Pionowe uderzenia swobodnie spadających kul hydrofilowych na płyn w stanie spoczynku nie wykazują żadnych oznak uwięzienia powietrza przy niskich prędkościach8. Odkryliśmy, że umieszczenie cienkich, przepuszczalnych tkanin na powierzchni płynu powoduje tworzenie się ubytków w wyniku separacji wymuszonego przepływu1. Niewielka ilość materiału na powierzchni wzmacnia rozpryskiwanie w zakresie umiarkowanych liczb Webera, podczas gdy wystarczająca ilość warstw tłumi rozpryskiwanie, gdy kule pokonują opór przy wejściu płynu1. W tym artykule wyjaśniamy protokoły odpowiednie do ustalania wpływu wytrzymałości materiału na wnikanie kul hydrofilowych do wody.

8. W tym miejscu przedstawiamy podejście do uzyskania hydrofobowości poprzez chemiczną modyfikację powierzchni kulek hydrofilowych.

Wraz z pojawieniem się szybkich kamer, wizualizacja i charakteryzacja rozprysków stały się bardziej osiągalne. Mimo to ustalone standardy w tej dziedzinie wymagają użycia pojedynczej kamery prostopadłej do głównej osi ruchu. Pokazujemy, że użycie dodatkowej szybkiej kamery do obserwacji z góry jest konieczne, aby ocenić, czy kule uderzają w zamierzone miejsce.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Konfiguracja eksperymentu dla uderzeń pionowych

  1. Napełnij przezroczysty zbiornik z wodą o wymiarach około 60 cm x 30 cm x 36 cm (długość x szerokość x głębokość) 32 L wody i zamocuj pionowo wewnątrz pojemnika linijkę metrową („skalę wizualną”) w taki sposób, aby jej podstawa spoczywała na powierzchni cieczy, jak pokazano na Rysunku 1a.
    UWAGA: Głębokość i szerokość zbiornika muszą być ponad 20 razy większe od średnicy największych kul użytych w eksperymencie, aby zapewnić pomijalny wpływ ścianek9. Większe prędkości wlotowe niż opisane tutaj będą wymagały większej głębokości zbiornika. Skala wizualna służąca do określania wysokości upadku i kalibracji oprogramowania śledzącego jest omówiona w sekcji 7.
  2. Umieść dodatkową linijkę metrową pod wodą, która może służyć do powiększenia wymiarów. Ta skala wizualna jest wykorzystywana do kalibracji oprogramowania śledzącego dla pomiarów podwodnych.
  3. Zbuduj zawiasową platformę („mechanizm uwalniający”), która zawiesza kule nad cieczą i obraca się w dół, aby po zwolnieniu uzyskać przyspieszenie styczne w miejscu uderzenia większe od przyspieszenia grawitacyjnego, jak pokazano na Rysunku 1a. Szybką rotację uzyskuje się poprzez połączenie zawiasowej platformy z centrum elementu wsporczego za pomocą gumek recepturek. Wynikiem jest niepodparte i niewykręcone uderzenie.
    UWAGA: Platformę można łatwo wykonać za pomocą drukarki 3D.
  4. Do prób uderzeniowych przyciśnij kciuk do podstawy zawiasowej platformy i obróć ją o 90° do pozycji poziomej, aby umieścić kule nad cieczą.
    UWAGA: Cofnięcie zostaje wywołane po zwolnieniu kciuka z podstawy platformy.
  5. Przymocuj mechanizm uwalniający do statywu laboratoryjnego w taki sposób, aby urządzenie można było regulować na różne wysokości.
  6. Ustaw statyw laboratoryjny obok zbiornika tak, aby mechanizm uwalniający znajdował się w tej samej płaszczyźnie głębokości co skala wizualna. W razie potrzeby dodaj obciążenie do podstawy statywu, aby zapobiec jego przewróceniu.
  7. Ustaw mechanizm uwalniający na maksymalną pożądaną eksperymentalną wysokość upadku. Jest to niezbędne dla optymalnej wizualizacji rozbryzgu, co omówiono w sekcji 6, i zapewnia, że interesujące cechy rozbryzgu zawsze znajdują się w kadrze kamery.
  8. Zamocuj wielo-LED-owe źródło światła na ramieniu przegubowym tak, aby światło znajdowało się powyżej kamery i było skierowane w dół na strefę rozbryzgu. Samo światło otoczenia jest niewystarczające do oświetlenia sceny przy wysokich częstotliwościach klatek niezbędnych do wyodrębnienia kinematyki rozbryzgu.
    UWAGA: Światła nigdy nie jest za dużo.
  9. Umieść czarny ekran z tyłu zbiornika z wodą, aby ułatwić wizualizację rozbryzgu i kawitacji, jak pokazano na Rysunku 2.
  10. Umieść amortyzator chroniący szkło, np. gąbkę o zamkniętych komórkach, na dnie zbiornika z wodą i przymocuj go obciążnikami, aby zapobiec jego wypłynięciu na powierzchnię.
    UWAGA: Wysokość cieczy w zbiorniku powinna być taka, aby kula nie weszła w interakcję z amortyzatorem przed zamknięciem się kawerny powietrznej10.

2. Kontrola parametrów bezwymiarowych

  1. Przeprowadź eksperymenty z gładkimi sferami o różnych masach i średnicach. W tym celu szczególnie dobrze sprawdzają się kulki z polioksymetylenu (np. Delrin) przeznaczone do wyrobów monetowych, które nie posiadają linii podziału formy. Masę i średnice zmierz odpowiednio za pomocą wagi analitycznej i suwmiarki.
  2. Przeprowadź eksperymenty dla zakresu wysokości H, aby uzyskać prędkości uderzenia Wzór stanu równowagi statycznej, U≈√(2gH), wyrażenie matematyczne dla koncepcji energii potencjalnej., gdzie Równanie przyspieszenia grawitacyjnego \(g=9.81\); fizyka; wartość stała; formuła naukowa.m/s2 jest przyspieszeniem ziemskim. Wysokość zmierz za pomocą skali wizualnej w kadrze kamery.
    UWAGA: Aby zmierzyć prędkości uderzenia, użyj funkcji Auto-Tracking w narzędziu do analizy wideo, zgodnie z opisem w sekcji 7.
  3. Przeprowadź eksperymenty z mieszaninami cieczy składającymi się z wody i odpowiednich surfaktantów (np. gliceryny lub mydła) w celu zmodyfikowania napięcia powierzchniowego. Napięcie powierzchniowe zmierz za pomocą tensiometru.
  4. Oblicz liczby Reynoldsa Równanie liczby Reynoldsa Re=ρUD/μ, dynamika płynów, analiza przepływu, równanie oceny stabilności. oraz liczby Webera Równanie liczby Webera We=ρU²D/σ; koncepcja dynamiki płynów; ilustracja formuły., gdzie ρ to gęstość cieczy, D to średnica sfery, μ to lepkość dynamiczna cieczy, a σ to napięcie powierzchniowe cieczy.

3. Utrzymywanie sanitarnych warunków eksperymentalnych

  1. Przeprowadź eksperymenty w przemysłowych rękawicach nitrylowych i wyjmij sfery ze zbiornika z wodą za pomocą zdezynfekowanej chochli.
    OSTROŻNIE: Skóra naturalnie wydziela tłuszcze, które mogą wpłynąć na zwilżalność uderzaczy i zanieczyścić warunki cieczowe.
  2. Oczyść sfery 99% alkoholem izopropylowym i pozostaw do wyschnięcia na 1 min pomiędzy próbami, aby wykluczyć wpływ zanieczyszczeń.
  3. W przypadku użycia tkanin, które rozpadają się podczas uderzenia, wymień wodę w zbiorniku po każdej próbie, jeśli resztki materiału nie mogą zostać zebrane ręcznie.
  4. Po zakończeniu eksperymentu opróżnij zbiornik i pozostaw go do wyschnięcia.
  5. Przed eksperymentem oczyść zbiornik wodą, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia.

4. Warstwowanie powierzchni tkaninami przepuszczalnymi

  1. Podziel tkaninę na kwadratowe lub okrągłe warstwy w ramach przygotowania do prób uderzeniowych. Użyj suwmiarki Verniera, aby zmierzyć grubość tkaniny po ściskaniu.
    UWAGA: Grubość tkaniny ulegnie zmianie po namoczeniu.
  2. Ostrożnie połóż suchą tkaninę na powierzchni lustra cieczy. Upewnij się, że warstwy nie zaczną opadać przed zwolnieniem uderzacza; wymieniaj tkaniny niezwłocznie po kolizji.
  3. Użyj sterylnej łyżki, aby umieścić tkaninę pod ruchomą platformą przed zwolnieniem kul.
  4. (Opcjonalnie) Przeprowadź następujące testy na próbce tkaniny w celu charakterystyki materiału.
    1. Wykonaj próbę rozciągania za pomocą maszyny do prób rozciągania, aby określić moduł sprężystości próbki.
    2. Użyj mikroskopu cyfrowego, aby uzyskać obraz mikroskopowy tkaniny i określ długość włókien za pomocą narzędzia do analizy obrazu.

5. Przygotowanie chemicznie hydrofobowych sfer

  1. Nanieś natryskowo hydrofobową warstwę bazową z odległości około 15–30 cm od powierzchni sfery. Unikaj nadmiernego zwilżenia powierzchni. Pozostaw do wyschnięcia na 1‒2 min przed nałożeniem kolejnych warstw. Nanieś dwie kolejne warstwy bazowe. Pozostaw do wyschnięcia na 30 min przed nałożeniem warstwy wykończeniowej.
    UWAGA: Liczba dodatkowych warstw może się różnić w zależności od zaleceń producenta produktu.
  2. Nanieś natryskowo hydrofobową warstwę wykończeniową z odległości około 15–30 cm od powierzchni. Unikaj nadmiernego zwilżenia powierzchni. Pozostaw do wyschnięcia na 1–2 min przed nałożeniem kolejnych warstw. Nanieś dwie lub trzy kolejne warstwy wykończeniowe. Pozostaw do wyschnięcia na 30 min przed lekkim użytkowaniem oraz na 12 h przed pełnym użytkowaniem.
    UWAGA: Liczba dodatkowych warstw wykończeniowych może się różnić w zależności od zaleceń producenta produktu.
  3. Po około 20 próbach powłoka hydrofobowa ulega uszkodzeniu w wyniku intensywnego użytkowania. Usuń powłokę za pomocą 99% izopropanolu i powtórz kroki 5.1 oraz 5.2.

6. Synchronizacja kamer do wizualizacji rozbryzgów

  1. Umieść kamerę wysokiej rozdzielczości z odpowiednim obiektywem prostopadle do osi uderzenia i w linii z powierzchnią cieczy.
    UWAGA: Obiektyw stałoogniskowy 55 mm stanowi dobry punkt wyjścia.
  2. W przypadku użycia tkanin, do eksperymentu należy dołączyć dodatkową kamerę wysokiej rozdzielczości, aby uzyskać widok uderzeń z góry, jak pokazano na Rysunku 1b.
  3. Zsynchronizuj wiele kamer z komputerem, wykonując następujące kroki:
    1. Połącz oba terminale wyjściowe kamery poziomej z oboma terminalami wejściowymi dodatkowej kamery za pomocą kabli BNC.
    2. Podłącz przełącznik wyzwalający wyłącznie do kamery poziomej.
    3. Podłącz kable Ethernet z obu kamer do routera poza siecią, który jest połączony z komputerem.
      UWAGA: W przypadku braku routera podłącz kable Ethernet kamer do osobnych komputerów.
  4. W oprogramowaniu do akwizycji wideo skonfiguruj kamery z następującymi ustawieniami: ustaw częstotliwość klatek na minimum 1 000 fps, a rozdzielczość ekranu na pożądaną wartość. Ustaw czas otwarcia migawki na 1 na sekundę klatki i ustaw tryb wyzwalania na koniec (end).
  5. Z maksymalnej wysokości zwolnienia przeprowadź serię prób testowych, aby upewnić się, że jety Worthingtona znajdują się w kadrze wideo.
  6. Odpowiednio dostosuj pozycję i ostrość kamery, aż do uzyskania pożądanej jakości wizualizacji.
  7. Po nagraniu wyodrębnij pomiary kinematyczne i geometryczne z filmów za pomocą odpowiedniego narzędzia do analizy wideo. Użyj Tracker, otwartoźródłowego narzędzia analitycznego, lub dowolnego oprogramowania o porównywalnych możliwościach.

7. Digitalizacja kinematyki uderzenia za pomocą oprogramowania Tracker

  1. Wybierz narzędzie calibration stick (pręt kalibracyjny) z zestawu narzędzi programu Tracker i dopasuj go do skali wizualnej (Rysunek 2a), czyniąc pręt tak długim, jak to możliwe.
  2. Kliknij calibration stick i ustaw wartość skalowania na długość skali wizualnej objętą przez pręt. Przykładowo, jeśli pręt kalibracyjny obejmuje 1 cm na skali wizualnej, ustaw wartość skalowania na 1.
    UWAGA: Zapewnia to, że pomiary dokonywane przez oprogramowanie będą wyrażone w centymetrach.
  3. Przełączaj odtwarzanie wideo, klikając start oraz stop, i ustaw wideo na żądaną klatkę.
  4. Wybierz narzędzie measuring stick (pręt pomiarowy) z zestawu narzędzi programu Tracker i wyznacz wysokość korony rozbryzgu k, szerokość kawerny b, głębokość kawerny l oraz wysokość strumienia Worthingtona h, jak pokazano na Rysunku 2b,c.
    UWAGA: Pręt pomiarowy jest regulowany z obu końców i może być używany jednocześnie z innymi narzędziami z zestawu.
  5. Wybierz narzędzie protractor (kątomierz) z zestawu narzędzi programu Tracker i zmierz kąt rozdzielenia cieczy q względem impaktora, jak pokazano na Rysunku 2b. Kątomierz jest regulowany z obu końców i może być używany jednocześnie z innymi narzędziami z zestawu.
  6. Wybierz funkcję Auto-Tracking w oprogramowaniu, aby zarejestrować dane dotyczące pozycji i prędkości w czasie. W przypadku przerwania śledzenia z powodu braku wyraźności obrazu w wideo, stosuj śledzenie ręczne do momentu odzyskania wyraźności i wznowienia automatycznego śledzenia.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Niniejsze uznane protokoły pozwalają na obserwację strumieni Worthingtona powstających w wyniku uderzeń pionowych dla zakresu liczb Webera równowaga statyczna; ΣFx=0; schemat; analiza ramienia dźwigni; bilans sił; fizyka edukacyjna, co przedstawiono na Rysunku 2c. Wyniki te zostały opublikowane w pracy Watson i wsp.1, do które...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Protokół ten opisuje projekt eksperymentalny i najlepsze praktyki w zakresie badań swobodnie spadających kul na głęboki basen cieczy. Zaczynamy od wyróżnienia kroków niezbędnych do skonfigurowania eksperymentu pod kątem oddziaływań pionowych. Ważne jest, aby stworzyć idealne środowisko rozbryzgu z wykorzystaniem wystarczająco dużej strefy rozbryzgu, tak aby efekty ścian były znikome9, oraz odpowiedniej skali wizualnej do wyodrębnienia kinematyki 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować College of Engineering and Computer Sciences (CECS) na University of Central Florida za finansowanie tego projektu, Joshua Bom i Chris Souchik za zdjęcia portretowe oraz Nicholas Smith za cenne opinie.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Drukarka 3DFlashForgeCreator ProPodwójna ekstruzja
alkoholowaSwanM31499% BNC izopropylowe
Thorlabs2249-C-24
SuwmiarkaNarzędzia w dowolnym momencie 203185Kamera
PhotronMini AX-10016GB Ram
KomputerDellWindows 7 Pro
TkaninaGeorgia Pacific19378Tkanina papieru toaletowego
Kleenex10036000478478
Wycinarka laserowado tkanek GlowforgePodstawowe
światłaGS VitecLT-V9-15Multi-LED
KeyenceVHX-900F
Cyfrowy stojak retortowyVWRVWRF08530.083
RouterASUSRT-N12Off Network
LinijkaWestcott10432Miernik Linijka
OprogramowanieOpen-SourceTrackerOprogramowanie do analizy wideo
PhotronFastcam ViewerNagrywanie wideo
SphereAmazon8DELSETDelrin
SprayRust-Oleum274232Wodoodporny
środek powierzchniowo czynnyDawn37000973782Mydło w płynie
SurfaktantUSP Koszernyglicerynypojemności 5 galonów
MTSModel 42
Przełącznik spustowyWykonany na zamówienie
zbiornik na wodęMr. AquaMA-730Szkło niehartowane
wybierania Mikroskop tester rozciągania o

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Uderzenie w lustro cieczydynamika rozbryzg wpenetracja tkaninypow oka hydrofobowaobrazowanie wysokich pr dko citworzenie si kawitacjistrumie Worthingtonakinematyka uderzeniamechanika p yn w

Powiązane artykuły