Name: Magnetycznie indukowana wirująca niestabilność Rayleigha-Taylora (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: Poznaj metodę indukowania niestabilności Rayleigha-Taylora w wirującym układzie dwuwarstwowym przy użyciu pola magnetycznego. Technika ta pozwala badać konkurencję między stabilizującą rotacją a destabilizującą grawitacją w dynamice płynów.

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 dziękuje za wsparcie od EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS potwierdza finansowanie z EPSRC w ramach grantu o numerze EP/K5035-4X/1.

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. Przygotowanie niestandardowego wyposażenia
<ol>
	<li>Łódź wypornościowa
	<ol>
		<li>Rozmiar łodzi powinien być taki, aby wygodnie mieściła się w zbiorniku eksperymentalnym bez dotykania boków. 
		UWAGA: Łódź wypornościowa (patrz rys. 3) składa się ze ścian ze styropianu i podstawy z gąbki.</li>
		<li>Zabezpiecz gąbkę warstwą mocnej bibuły. 
		UWAGA: Zadaniem bibuły jest rozproszenie jak największego pionowego pędu z płynu wlewanego do łodzi.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie eksperymentu
<ol>
	<li>Przygotowanie warstw cieczy
	<ol>
		<li>Pozwolić, aby woda destylowana osiągnęła temperaturę laboratoryjną (22 ± 2 °C). Do każdej realizacji eksperymentalnej potrzeba około 650 ml. 
		UWAGA: Pozostawienie mieszaniny do zrównoważenia zapobiega tworzeniu się pęcherzyków w eksperymencie z powodu rozpuszczania powietrza.</li>
		<li>Oddziel wodę destylowaną na równe objętości w dwóch oddzielnych pojemnikach, A i B, które zostaną użyte do przygotowania płynu odpowiednio dla gęstej dolnej warstwy i lekkiej górnej warstwy.</li>
		<li>Przygotowanie ex-situ gęstej dolnej warstwy. Do zawartości pojemnika A:
		<ol>
			<li>Dodaj NaCl, aby osiągnąć stężenie 0,43 mola NaCl na litr wody (wymagane będzie około 25 g NaCl na litr wody);</li>
			<li>Dodać 0,33 g czerwonych i niebieskich barwników wodnych do pojemnika z dolną warstwą (np. Cole-Parmer 00295-16 i -18);</li>
			<li>Dodać 0,1 g L-1 fluoresceiny sodu. 
			UWAGA: Dolna warstwa będzie teraz nieprzezroczysta i będzie miała gęstość około 1012,9 ± 1,2 kg m-3.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Przygotowanie ex-situ lekkiej warstwy wierzchniej. Do zawartości pojemnika B:
		<ol>
			<li>Dodaj sól MnCl2, aby osiągnąć stężenie 0,06 mol MnCl2 na litr wody (około 12 g MnCl2 na litr wody). 
			UWAGA: Górna warstwa będzie przezroczysta i będzie miała gęstość około 998,2 ± 0,5 kg m-3.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Aby zmienić lepkość warstw płynu, dodaj glicerol C3H8O3 w równych ilościach do każdej warstwy, aż do uzyskania pożądanej lepkości. Typowe lepkości mieszczą się w zakresie 1,00 × 10-3 - 21,00 × 10-3 Pa s. Lepkość każdej warstwy jest taka sama. 
		UWAGA: Mieszaniny mogą być bezpiecznie przechowywane w oddzielnych pojemnikach do czasu, gdy będą potrzebne.</li>
		<li>Przygotowanie ex-situ stratyfikacji gęstości.
		<ol>
			<li>Dodać 300 ml zawartości pojemnika A do cylindrycznego zbiornika wewnętrznego (patrz rys. 2).</li>
			<li>Zanurz gąbkę łodzi wypornościowej w płynie z pojemnika B. 
			UWAGA: Po (2.1.6.2) procedura jest zależna od czasu, więc nie wykonuj żadnych dalszych kroków, dopóki cały magnes i mechanizmy oświetleniowe, rejestrujące i mechaniczne nie będą gotowe.</li>
			<li>Podnieś łódź wypornościową z pojemnika B, a gdy przestanie kapać, ostrożnie umieść łódź wypornościową na warstwie gęstego płynu w wewnętrznym cylindrycznym zbiorniku.</li>
			<li>Rozpocznij dodawanie cieczy o lekkiej warstwie z pojemnika B do łodzi flotacyjnej z natężeniem przepływu 3 ml/min. Stopniowo zwiększaj to natężenie przepływu, gdy łódź flotacyjna odchodzi od granicy między dwiema warstwami. Utrzymuj na tyle wolne natężenie przepływu, aby granica faz nie została zakłócona przez zwiększony pęd przepływu płynu, ale na tyle szybko, aby proces ten trwał nie dłużej niż 20 minut. Kontynuuj napełnianie, aż górna warstwa będzie zawierała 320 ml płynu. 
			UWAGA: Dolna warstwa będzie na głębokości około 33 mm, a górna warstwa na głębokości około 39 mm.</li>
			<li>Ostrożnie opuść pokrywę lucytu do górnej warstwy, tak aby głębokość warstwy każdej warstwy była równa. Pozwól, aby płyn i powietrze przepływały przez otwory upustowe, upewniając się, że powietrze nie jest uwięzione pod spodem. Obserwuj warstwę (ok. 6 mm) przezroczystej, lekkiej warstwy cieczy na wierzchu pokrywy lucitu. 
			UWAGA: Jeśli proces się powiedzie, będą dwie warstwy cieczy o równej głębokości z ostrym interfejsem między nimi. Na tym etapie grubość warstwy dyfuzyjnej na granicy faz będzie mniejsza niż 2 mm.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Napełnij zbiornik zewnętrzny czystą wodą destylowaną do wysokości 6 mm powyżej pokrywy lucytowej zbiornika wewnętrznego. Obserwując prostopadłość, nie będzie paralaksy wywołanej krzywizną wynikającej z wewnętrznego cylindrycznego zbiornika. 
		UWAGA: Ponieważ w tym momencie ciecze w każdej warstwie w sposób ciągły dyfundują przez interfejs, należy natychmiast przejść do następujących kroków.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozkręcanie stratyfikacji
	<ol>
		<li>Umieść zbiornik doświadczalny na platformie.</li>
		<li>Ustaw układ z miedzianym cylindrem w otworze magnesu, wałem napędowym przez otwór w kształcie dziurki od klucza w szynie i kołkiem mocującym na miejscu. Upewnij się, że zbiornik znajduje się daleko (60 cm) od magnesu, tak aby siły magnetyczne działające na ciecze były w tym miejscu znikome. 
		UWAGA: Przenoszenie eksperymentalnego zbiornika zawierającego stratyfikację nie nastręcza wielu trudności; Długie, chlupoczące fale o niskiej amplitudzie, które powstają podczas chodzenia ze zbiornikiem, zanikają, co ma znikomy wpływ na jakość interfejsu osiąganą podczas unoszenia się na górnej warstwie.</li>
		<li>Włącz silnik, zwiększając prędkość obrotową do 0,002 rad s-2, rozkręcając płyn do żądanej prędkości obrotowej. Dla szybkości rotacji w 16 czas rozkręcania był rzędu 20 min - 60 min. 
		UWAGA: Najszybsza zastosowana prędkość obrotowa wynosiła 13,2 rad s-1.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Przeprowadzenie eksperymentu
<ol>
	<li>Upewnij się, że magnes wskazuje natężenie pola 1.2 T i że na wysokości, na której inicjowana jest niestabilność, gradient pola wynosi (grad B2)/2 = -14.3 T2 m-1, gdzie B jest indukcją magnetyczną.</li>
	<li>Upewnij się, że kamera wideo jest ustawiona w taki sposób, że gdy wał napędowy znajduje się w najniższym położeniu, albo widok z boku eksperymentu jest ostry, albo widok z planu jest ostry przez lustro umieszczone nad eksperymentem.</li>
	<li>Upewnij się, że oświetlenie otoczenia jest na odpowiednim poziomie, tak aby żaden obraz uchwycony przez kamerę nie był nasycony, ale aby wykorzystana została pełna reakcja (intensywność skali szarości w zakresie 0-255).</li>
	<li>Rozpocznij nagrywanie wideo (240 kl./s). Użyj pilota zdalnego sterowania, aby zapobiec przesuwaniu aparatu podczas korzystania z funkcji nagrywania.</li>
	<li>Usuń kołek mocujący, pozwalając zbiornikowi opaść się, obracając się, w pole magnetyczne.</li>
</ol>
4. Eksperyment resetowania
<ol>
	<li>Zresetuj platformę eksperymentalną
	<ol>
		<li>Użyj pilota, aby zatrzymać nagrywanie wideo.</li>
		<li>Zapisz plik filmowy na dysku.</li>
		<li>Ręcznie obniż napięcie silnika, aby zwolnił do zatrzymania. Rób to stopniowo, aby zapobiec rozlaniu.</li>
		<li>Usuń układ eksperymentalny z magnesu.</li>
		<li>Wymieszane warstwy cieczy należy usunąć w odpowiedni sposób (patrz karta charakterystyki czterowodnego chlorku manganu).</li>
		<li>Wypłucz zbiornik wodą (nie trzeba go destylować), aż wszystkie ślady soli zostaną zmyte. Unikać bezpośredniego kontaktu skóry z płynami.</li>
		<li>Ostrożnie osusz zbiornik bibułą, aby upewnić się, że nie pozostały żadne pozostałości, które mogłyby zanieczyścić kolejne eksperymenty.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Przetwarzanie obrazu
<ol>
	<li>Wyodrębnij pojedyncze obrazy z każdej klatki filmu i zapisz je w bezstratnym formacie .png. Zamaskuj wszelkie niechciane obszary każdej ramy, na przykład platformę lub miedziany cylinder.</li>
	<li>Oblicz dwuwymiarową funkcję automatycznej korelacji16 każdej klatki obrazu przez 2 s po zainicjowaniu niestabilności za pomocą dyskretnej szybkiej transformaty Fouriera. Zapisz minimalną, średnią i maksymalną wartość obserwowanej długości fali dla szybkości rotacji eksperymentu i lepkości warstw płynu.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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,...

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 nieobrotowych, które są przyspieszane w kierunku cięższej warstwy. Ze względu na fundamentalną naturę niestabilności obserwuje się ją w bardzo wielu przepływach, które różnią się również znacznie pod względem skali: od zjawisk cienkich warstw na małą skalę9 do cech skali astrofizycznej obserwowanych na przykład w mgławicy Krab10, gdzie obserwuje się struktury przypominające palce, tworzone przez wiatry pulsarowe przyspieszane przez gęstsze pozostałości po supernowej. Otwartym pytaniem jest, w jaki sposób niestabilność Rayleigha-Taylora może być kontrolowana lub wpływać na nią, gdy początkowa niestabilna różnica gęstości została ustalona na granicy faz. Jedną z możliwości jest rozważenie masowej rotacji systemu. Celem eksperymentów jest zbadanie wpływu rotacji na układ i czy może to być droga do stabilizacji.
Rozważamy system płynów, który składa się z dwuwarstwowej grawitacyjnie niestabilnej stratyfikacji, która podlega stałemu obrotowi wokół osi równoległej do kierunku grawitacji. Zaburzenie niestabilnej dwuwarstwowej stratyfikacji gęstości prowadzi do baroklinicznego generowania wirowości, tj. przewracania się na granicy faz, z tendencją do rozbijania wszelkich struktur pionowych. Wiadomo jednak, że wirujący płyn organizuje się w spójne pionowe struktury wyrównane z osią obrotu, tak zwane 'kolumny Taylora'11. W związku z tym badany system podlega konkurencji między stabilizującym efektem rotacji, czyli organizowaniem przepływu w struktury pionowe i zapobieganiem przewróceniu się dwóch warstw, a destabilizującym efektem gęstszego płynu nakładającego się na lżejszy płyn, który generuje ruch przewracający na granicy faz. Wraz ze wzrostem prędkości rotacji zdolność warstw płynu do poruszania się promieniowo, z przeciwstawnym względem siebie sensem, w celu przegrupowania się w bardziej stabilną konfigurację, jest coraz bardziej hamowana przez twierdzenie Taylora-Proudmana12,13: ruch promieniowy jest zmniejszony, a obserwowane struktury, które materializują się wraz z rozwojem niestabilności, mają mniejszą skalę. Rys. 1 przedstawia jakościowo wpływ rotacji na wiry, które tworzą się wraz z rozwojem niestabilności. Na zdjęciu po lewej stronie nie ma rotacji, a przepływ jest przybliżeniem do klasycznej nieobrotowej niestabilności Rayleigha-Taylora. Na zdjęciu po prawej stronie wszystkie parametry eksperymentalne są identyczne jak na zdjęciu po lewej stronie, z wyjątkiem tego, że system jest obracany wokół osi pionowej wyrównanej ze środkiem zbiornika. Można zauważyć, że efektem rotacji jest zmniejszenie wielkości powstających wirów. To z kolei powoduje niestabilność, która rozwija się wolniej niż nieobrotowy odpowiednik.
Efekty magnetyczne, które modyfikują tensor naprężeń w płynie, mogą być uważane za działające w taki sam sposób, jak zmodyfikowane pole grawitacyjne. Jesteśmy zatem w stanie stworzyć stabilną grawitacyjnie stratyfikację i rozkręcić ją do rotacji ciała stałego. Siły ciała magnetycznego generowane przez nałożenie gradientowego pola magnetycznego naśladują następnie efekt modyfikacji pola grawitacyjnego. To sprawia, że interfejs jest niestabilny w taki sposób, że układ płynów zachowuje się, w dobrym przybliżeniu, jak klasyczna niestabilność Rayleigha-Taylora podczas rotacji. To podejście zostało wcześniej wypróbowane w dwóch wymiarach bez rotacji14,15. Dla przyłożonego gradientowego pola magnetycznego z indukowanym polem magnetycznym B, siła ciała przyłożona do płynu o stałej podatności objętościowej χ jest określona wzorem f = grad(χB2/μ0), gdzie B = |B| a μ0 = 4π × 10-7 N A-2 to przenikalność magnetyczna wolnej przestrzeni. Możemy zatem uznać, że magnes manipuluje efektywną masą każdej warstwy płynu, gdzie efektywna masa na jednostkę objętości płynu o gęstości ρ w polu grawitacyjnym o natężeniu g jest określona przez ρg - χ (∂B2/∂z)/(2 μ0).

<table><tbody><tr><td>Niebieski barwnik kalkulacyjny</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>Czerwony barwnik kalkulacyjny</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>Chlorek</td><td></td><td></td> sodu<td>>99% czystości</td></tr><tr><td>Czterowodny</td><td></td><td></td> chlorek manganu <td>Patrz MSDS</td></tr><tr><td>Sól sodowa fluoresceiny&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnet</td><td>Cryogenic Ltd. Londyn</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

magnetycznie indukowana wirująca niestabilność rayleigha-taylora

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

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.

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...

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.

Magnetycznie indukowana wirująca niestabilność Rayleigha-Taylora

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

Ogólnym celem tego doświadczenia jest obserwacja wpływu rotacji na system niestabilny grawitacyjnie, składający się z gęstego płynu znajdującego się nad płynem o mniejszej gęstości. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu dynamiki płynów, takie jak sposób, w jaki stabilizujący efekt rotacji konkuruje i oddziałuje z destabilizującym efektem grawitacji. Główną cechą tej techniki jest możliwość stworzenia stabilnego, rotującego systemu dwuwarstwowego, a następnie wykorzystanie magnesu do manipulowania efektywną wagą każdej z warstw w celu wywołania niestabilności.Jest to aparat wykorzystany w eksperymencie. Głównymi widocznymi komponentami są obrotowa platforma dla zbiornika eksperymentalnego, miedziany cylinder, który go podtrzymuje, oraz nadprzewodzący magnes z otworem pracujący w temperaturze pokojowej. Cylinder opuszczany jest do otworu magnesu i pola magnetycznego o natężeniu 1.8 tesla.Ten schemat przedstawia dodatkowe szczegóły układu. Obrót platformy jest generowany przez silnik pozaosiowy, który obraca łożyskiem ślizgowym z otworem w kształcie dziurki od klucza. Miedziany cylinder jest przymocowany do wału napędowego w kształcie klucza i opada pod własnym ciężarem po usunięciu bolca blokującego.Kompletna konfiguracja obejmuje oświetlenie oraz kamerę sterowaną zdalnie do przechwytywania obrazów. Po ustawieniu zbiornika na platformie, przesuń wał napędowy do najniższej pozycji. Upewnij się, że kamera wideo ma widok na eksperyment, który jest ostry i odpowiednio oświetlony.Aby przygotować się do eksperymentu, ustaw platformę i miedziany cylinder w najwyższej pozycji. Zablokuj cylinder za pomocą bolca mocującego. Po ustawieniu pozostałych elementów wyjmij zbiornik, aby przygotować go do eksperymentu.Przy stole laboratoryjnym rozpocznij przygotowanie cieczy do zbiornika. W celu przygotowania warstwy gęstej odmierz 250 ml wody destylowanej w temperaturze pokojowej i dodaj do niej około 6,25 g chlorku sodu. Składnikami lekkiej warstwy górnej są 325 ml wody destylowanej w temperaturze pokojowej, chlorek manganu oraz czerwony i niebieski barwnik do śledzenia przepływu wody.Dodaj niewielką ilość fluoresceiny sodowej, aby dokończyć przygotowanie. Oba płyny są teraz gotowe do eksperymentu. Rozwarstwione ciecze zostaną umieszczone w przezroczystym cylindrycznym pojemniku z dopasowaną pokrywą z lucytu.Pokrywa posiada otwory odpływowe, które umożliwiają przepływ cieczy i powietrza. Oprócz pojemnika i płynów należy przygotować do użycia łódkę wypornościową. Łódka wypornościowa składa się ze styrenowych ścianek na bazie z gąbki.Dno jego wnętrza powinno być wyłożone mocnym papierem bibułkowym. Łódka powinna swobodnie mieścić się w zbiorniku eksperymentalnym, nie dotykając jego ścianek. Przejdź do kolejnych kroków dopiero w momencie gotowości do przeprowadzenia eksperymentu.Zacznij od cieczy o wysokiej gęstości i zacznij wlewać ją do zbiornika. Przerwij proces po dodaniu 300 milliliters. Następnie przygotuj zbiornik wyrównawczy z zaciskiem i drenem dla cieczy o niskiej gęstości.Zbiornik wyrównawczy powinien pomieścić co najmniej 350 mililitrów, a zacisk powinien umożliwiać kontrolę przepływu cieczy. Następnie należy wlać ciecz o niskiej gęstości do zbiornika wyrównawczego. Potem zamocuj zbiornik wyrównawczy nad zbiornikiem eksperymentalnym, aby umożliwić uwalnianie cieczy w pobliżu powierzchni cieczy o wysokiej gęstości.Umieść łódkę flotacyjną na powierzchni cieczy o wysokiej gęstości. Przesuń zacisk w zbiorniku nagłownym, aby dodać do łódki flotacyjnej ciecz o niskiej gęstości, w tempie około trzech mililitrów na minutę. Z czasem ciecz o niskiej gęstości dyfunduje przez gąbkę, tworząc lekką warstwę cieczy nad cieczą o wysokiej gęstości.W miarę jak łódź unosi się znad powierzchni styku, stopniowo zwiększaj szybkość przepływu. Kontynuuj napełnianie, aż zbiornik wyrównawczy zostanie opróżniony. Po całkowitym odessaniu cieczy powoli wyjmij pływającą łódź, aby zminimalizować skapywanie, a następnie przygotuj pokrywę zbiornika eksperymentalnego.Nałożyć pokrywkę i powoli opuszczać ją do górnej warstwy cieczy. Przerwać proces, gdy głębokości obu warstw będą równe i nie zostaną uwięzione pęcherzyki powietrza. W przypadku powodzenia powstaną dwie warstwy cieczy o tej samej głębokości z wyraźną granicą między nimi.Na powierzchni pokrywy z lucytu znajdzie się również warstwa płynu o niskiej gęstości. Należy szybko przystąpić do przeprowadzenia eksperymentu i ostrożnie przenieść zbiornik do aparatury. Umieść zbiornik eksperymentalny na platformie, utrzymując go w dużej odległości od magnesu.Włącz silnik i powoli zwiększaj prędkość obrotową poprzez zwiększanie napięcia zasilania, aż do osiągnięcia pożądanej wartości. Po osiągnięciu żądanej prędkości obrotowej rozpocznij nagrywanie wideo i ustaw się w pozycji umożliwiającej usunięcie bolca blokującego. Po przygotowaniu usuń bolec i pozwól zbiornikowi opaść w pole magnetyczne.Zdjęcia te przedstawiają migawki powierzchni cieczy dla czterech różnych prędkości obrotowych. Każda kolumna odpowiada innemu momentowi czasowemu, zwiększającemu się w odstępach pół sekundy. W początkowych fazach, na przykład w pierwszej sekundzie, dla każdej prędkości obrotowej widoczne jest zaburzenie powierzchni o dominującej skali długości.Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej szerokość struktur przypominających węże zmniejsza się. Obrazy te pochodzą z serii eksperymentów z różną lepkością cieczy i stałą prędkością obrotową. Każda kolumna odpowiada innemu momentowi czasowemu.Obserwowana skala długości niestabilności wzrasta wraz ze wzrostem lepkości z wartości niższych do wyższych. Poprzez wykreślenie dominującej długości fali radiowej jako funkcji szybkości obrotu, możliwa staje się obserwacja niższego progu skali niestabilności. W tych danych dla warstw cieczy o lepkości zbliżonej do lepkości wody, powyżej szybkości obrotu wynoszącej około 4 rad/s, próg dolny wynosi w przybliżeniu 6 mm.Po opanowaniu tej techniki można ją przeprowadzić w ciągu jednej godziny, o ile zostanie ona wykonana prawidłowo.

magnetically-induced-rotating-rayleigh-taylor-instability

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) stanowi potężne narzędzie do oceny skuteczności urządzeń procesowych podczas ich pracy. Omówiono wykorzystanie MRI do wizualizacji mieszania w mieszalniku statycznym. Zastosowanie to jest istotne w przypadku produktów higieny osobistej, ale może być odniesione do szerokiego zakresu płynów spożywczych, chemicznych, biomasy oraz płynów biologicznych.

Ilościowe określanie mieszania za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym

Implanty stentów w zwężonych krzywiznach tętnic są podatne na awarie "typu IV" polegające na całkowitym złamaniu poprzecznym stentów i liniowym przemieszczeniu złamanych części. Przedstawiamy protokół wykrywania struktur przepływu wtórnego (wirowego) w modelu tętnicy zakrzywionej, po klinicznie istotnych awariach stentów "typu IV".

Eksperymentalne badanie wtórnych struktur przepływu za modelowym uszkodzeniem stentu typu IV w odcinku testowym tętnicy zakrzywionej pod kątem 180°

Tutaj opisujemy procedurę, która wykorzystuje technikę schlierena w mikroskali do pomiaru niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym. Dzięki kalibracji można wyprowadzić rozkład gradientu stężeń na podstawie obrazu mikro-schlierena.

Analiza niejednorodności mieszania w urządzeniu mikroprzepływowym za pomocą mikroskalowej techniki Schliarenna

Używamy druku 3D do wytwarzania anizotropowych cząstek w kształcie waletów, krzyżyków, tetrad i triad, których wyrównanie i rotacje w turbulentnym przepływie płynu mogą być mierzone na podstawie wielu jednoczesnych obrazów wideo.

Metody pomiaru orientacji i szybkości rotacji cząstek wydrukowanych w 3D w turbulencji

Prezentujemy protokół tworzenia w czasie rzeczywistym filmu pakietu molekularnej fali rotacyjnej przy użyciu wysokorozdzielczego zestawu do obrazowania eksplozji kulombowskiej.

Bezpośrednie obrazowanie ultraszybkiej rotacji molekularnej sterowanej laserem

Prezentowane są dwie różne metody charakteryzowania początkowego ruchu cząstek pojedynczego koralika jako funkcji geometrii złoża osadu od przepływu laminarnego do turbulentnego.

Wizualna charakterystyka początkowego ruchu cząstek w regularnych podłożach: od warunków laminarnych do turbulentnych

Ten manuskrypt opisuje metody mające na celu pomiar lokalnych współczynników chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w jednofazowym lub dwufazowym przepływie rurowym. Przedstawiono również prostą metodę optyczną służącą do wyznaczania długości i prędkości rozchodzenia się wydłużonego (Taylora) pęcherzyka powietrza poruszającego się ze stałą prędkością.

Pomiary lokalnej chwilowej konwekcyjnej wymiany ciepła w rurze - przepływ jednofazowy i dwufazowy

Tutaj prezentujemy eksperymentalną metodę rozdzielania współzależnej siły Coriolisa i wyporu obrotowego na rozkłady wymiany ciepła w pełnym polu obracającego się kanału.

Rozprzęganie wpływu siły Coriolisa i wirującego wyporu na właściwości wymiany ciepła w pełnym polu obracającego się kanału

Struktura pasma fotonicznego umożliwia zrozumienie, w jaki sposób ograniczone mody elektromagnetyczne rozchodzą się w krysztale fotonicznym. W kryształach fotonicznych, które zawierają elementy magnetyczne, takim ograniczonym i rezonansowym modom optycznym towarzyszy zwiększona i zmodyfikowana aktywność magnetooptyczna. Opisujemy procedurę pomiarową mającą na celu wyodrębnienie magnetooptycznej struktury pasmowej za pomocą mikroskopii przestrzeni Fouriera.

Spektralna i kątowo-optyczna charakterystyka nanostruktur fotonicznych

Zaproponowano szybką i niezawodną technikę kontrolowania oscylacji kształtu pojedynczej, uwięzionej bańki akustycznej, która opiera się na technice koalescencji między dwoma bąbelkami. Oscylacje kształtu pęcherzyków w stanie ustalonym, kontrolowane symetrią umożliwiają analizę przepływu płynu generowanego w pobliżu granicy faz pęcherzyków.

Indukcja mikrostrumieniowania przez niesferyczne oscylacje pęcherzykowe w systemie lewitacji akustycznej

Poznaj metodę indukowania niestabilności Rayleigha-Taylora w wirującym układzie dwuwarstwowym przy użyciu pola magnetycznego. Technika ta pozwala badać konkurencję między stabilizującą rotacją a destabilizującą grawitacją w dynamice płynów.

Magnetycznie indukowana wirująca niestabilność Rayleigha-Taylora

Przeglądaj więcej filmów