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

Protokół ten demonstruje eksperymenty z wstrzykiwaniem wody za pomocą kul swobodnego spadku. Omówiono przemiany powierzchni cieczy z penetrowanymi tkaninami, przygotowanie substancji chemicznej w powstających sferach, wizualizację rozprysków i ekstrakcję danych. Techniki te zapewniają wgląd w podstawowe badania nad dynamiką płynów, mające na celu zrozumienie interakcji międzyfazowych między obiektami stałymi a ciałami płynnymi.

Procedurę zademonstrują Joshua Bom i Jeremy Stephen, studenci studiów licencjackich z Alberty. Podczas tej procedury należy nosić rękawice nitrylowe klasy przemysłowej, aby uniknąć zanieczyszczenia wody i impaktorów olejami skórnymi. Na początek dokładnie wyczyść przezroczysty zbiornik wodą z kranu i detergentem.

Następnie napełnij go 32 litrami wody z kranu. Wyczyść dwie linijki metryczne 99% alkoholem izopropylowym i pozostaw do wyschnięcia na minutę. Zamontuj jedną linijkę skierowaną do przodu zbiornika, tak aby podstawa dotykała wody.

Zamocuj drugą linijkę pionowo pod wodą. Następnie zabezpiecz platformę na zawiasach nad zbiornikiem tak, aby platforma znajdowała się w tej samej płaszczyźnie głębokości co linijka nad wodą w stosunku do przodu zbiornika. Dostosuj platformę do maksymalnej żądanej wysokości zrzutu, a następnie przymocuj światło z wieloma diodami LED do ramienia przegubowego i ustaw światło nad i przed zbiornikiem, aby w pełni oświetlić strefę rozbryzgu pod platformą.

Ustaw ekran z tyłu zbiornika, aby ułatwić wizualizację rozprysków i wnęk. Połóż czysty, bezolejowy amortyzator, taki jak gąbka o zamkniętych komórkach, na dnie zbiornika i przytrzymaj go na miejscu za pomocą czystych obciążników. Następnie zamontuj szybką kamerę skierowaną w stronę zbiornika w jednej linii z powierzchnią płynu.

W razie potrzeby podłącz przełącznik spustowy do aparatu. Podłącz kamerę do komputera i skonfiguruj ją tak, aby działała z szybkością co najmniej 1 000 klatek na sekundę. Wybierz żądaną rozdzielczość i ustaw czas otwarcia migawki na jeden na sekundę.

W razie potrzeby ustaw tryb wyzwalania na Koniec. Następnie wyczyść małą miarkę i kulki metanolu z politlenku 99% alkoholem izopropylowym, aby usunąć oleje skórne i inne zanieczyszczenia. Pozostaw kulki i szufelkę do wyschnięcia na minutę.

Przeprowadź próby testowe i dostosuj pozycję kamery, ostrość i rozdzielczość, aby uzyskać optymalną jakość wizualizacji dla zdarzenia rozpryskującego. Następnie wyjmij kulki za pomocą szufelki i wyczyść kulki i nabierz alkoholem izopropylowym. Gdy będziesz gotowy do rozpoczęcia eksperymentu, zacznij filmować czołg.

Podnieś platformę zawiasów na miejsce i oprzyj na niej czystą, suchą kulę. Zwolnij podstawę platformy, aby wrzucić kulę do zbiornika. Następnie przerwij filmowanie, zapisz plik wideo i przytnij wideo, aby pokazać tylko zdarzenie powitalne.

Gdy będziesz gotowy do przejścia do następnego testu, wyjmij kulę z miarką. Oczyść kulę alkoholem izopropylowym i pozostaw do wyschnięcia na minutę przed powtórzeniem testu. Po zakończeniu eksperymentu opróżnij zbiornik i pozostaw do wyschnięcia.

Aby przygotować przepuszczalne tkaniny do testu, należy podzielić pożądane tkaniny na kwadratowe lub okrągłe warstwy i użyć suwmiarki do zmierzenia grubości sprasowanej suchej tkaniny. Podczas ustawiania eksperymentu zamontuj drugą szybką kamerę nad zbiornikiem, aby zapewnić widok z góry na kulę uderzającą w tkaninę. Podłącz wyjścia kamery poziomej do zacisków wejściowych kamery górnej za pomocą BNC.

Podłącz przełącznik spustowy do kamery poziomej. Następnie użyj Ethernet, aby podłączyć obie kamery do routera offline podłączonego do komputera kamery. Ustaw ostrość i skonfiguruj obie kamery jak zwykle.

Gdy będziesz gotowy do przeprowadzenia eksperymentu, delikatnie oprzyj suchą tkaninę na powierzchni cieczy w zbiorniku. Upewnij się, że tkanina nie zacznie tonąć przed rozpoczęciem próby. Użyj czystej, bezolejowej szufelki, aby umieścić tkaninę poniżej platformy na zawiasach.

Użyj przełącznika spustowego, aby rozpocząć jednoczesne filmowanie strefy rozbryzgów obiema kamerami przed ustawieniem kolizji. Usuń tkaninę natychmiast po zderzeniu. Jeśli tkanina rozpadnie się przy uderzeniu, a zadrapań nie można zebrać ręcznie, opróżnij i wyczyść zbiornik po każdej próbie, aby upewnić się, że cała tkanina została usunięta.

Aby rozpocząć przygotowanie chemicznie hydrofobowych kulek, dopasuj kulkę z politlenku mentolu do akrylowego uchwytu. Pozycjonowanie kulek do powlekania powierzchni jest najtrudniejszym aspektem tego protokołu. Pozycjonowanie jest kontrolowane za pomocą warstwowych arkuszy akrylowych, które mają otwory nieco szersze niż kule.

Spryskaj kulę hydrofobową powłoką bazową z odległości około 15 do 30 centymetrów, nie mocząc powierzchni kuli. Następnie spryskaj kulę hydrofobową powłoką wierzchnią z odległości około 15 do 30 centymetrów bez namaczania powierzchni i pozostaw do wyschnięcia na jedną do dwóch minut. W ten sam sposób nałóż jeszcze dwie lub trzy warstwy wierzchnie.

Pozostaw kulę do wyschnięcia na 30 minut w przypadku lekkiego użycia lub około 12 godzin w przypadku pełnego użycia. Podczas wstępnych prób udarności pozwól kuli całkowicie wyschnąć po każdej próbie, zamiast spłukiwać ją alkoholem izopropylowym. Powłoka hydrofobowa ulega degradacji po około 20 próbach.

Aby ponownie użyć tej kuli, usuń powłokę 99% alkoholem izopropylowym i ponownie nałóż warstwę bazową i wierzchnią, jak opisano wcześniej. Aby rozpocząć analizę, zaimportuj film o dużej prędkości ze zdarzenia rozprysku do oprogramowania do analizy wideo. Użyj narzędzi skalowania, aby ustawić wartość skalowania w centymetrach na podstawie widocznego obszaru linijki.

Przejdź przez film, aby znaleźć odpowiednią klatkę przedstawiającą rozpryskiwanie, wznoszenie korony i uwięzienie w powietrzu. Zmierz wysokość korony rozbryzgowej, szerokość wnęki i głębokość wnęki. Użyj narzędzia do pomiaru kąta, aby określić kąt separacji.

Przejdź dalej w filmie, aby znaleźć odpowiednią ramkę pokazującą formację Worthington Jet i zmierzyć wysokość Worthington Jet. Na koniec użyj funkcji automatycznego śledzenia, aby wyodrębnić pozycję czasową i datę prędkości impaktora. Jeśli śledzenie zostanie przerwane, użyj śledzenia ręcznego, dopóki nie będzie można wznowić automatycznego śledzenia.

W tym przypadku procedura ta została wykorzystana do oceny wpływu tkaniny na rozpryskiwanie w wyniku uderzeń pionowych. Wysokość rozprysku przy jednej warstwie została zwiększona w stosunku do wysokości rozprysku bez tkaniny. Wysokość rozprysku z dwiema warstwami była mniej więcej równa wysokości rozprysku bez tkaniny.

Plusk był mocno stłumiony trzema i czterema warstwami. Zaobserwowano minimalne różnice w liczbach Webera dotyczących głębokości wnęki, wysokości rozprysku terenu i szerokości wnęki od kul uderzających w pojedynczą warstwę tkaniny. Pionowe pozycje kul były śledzone pod wodą, co pozwoliło na obserwację większych spadków prędkości podwodnej z każdą dodaną warstwą tkaniny.

Badacze muszą zwracać szczególną uwagę na utrzymanie sanitarnych warunków eksperymentu podczas eksperymentu, aby uzyskać spójne i ważne wyniki. Technika ta nie ogranicza się do prezentowanych tutaj materiałów i może być stosowana z materiałami o podobnych funkcjonalnościach i możliwościach. Dzięki wprowadzeniu podwyższonego zbiornika, takiego jak strzykawka, procedura ta może zostać rozszerzona o badania pionowych uderzeń kropelek cieczy na powierzchnie ciał stałych lub cieczy.

Protokół ten może być również wdrożony na większą skalę, aby generować większe prędkości uderzenia i zwiększyć zakres parametrów bezwymiarowych, co wszystko dobrze sprawdza się w zastosowaniach morskich i przemysłowych.