Name: Magneticamente induzida Rotating Rayleigh-Taylor Instabilidade (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: Aprenda a induzir a instabilidade de Rayleigh-Taylor em fluidos estratificados rotativos usando campos magnéticos gradientes. Este método demonstra como a rotação estabiliza enquanto a gravidade desestabiliza as camadas fluidas em sistemas de duas camadas densas.

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RJAH reconhece o apoio do EPSRC Fellowship EP/I004599/1, o MMS reconhece o financiamento do EPSRC sob o número de concessão EP/K5035-4X/1.

NOTA: O dispositivo experimental é mostrado esquematicamente na Fig. 2. A parte principal do aparelho é constituído por uma plataforma rotativa (300 mm x 300 mm) montado no cilindro de cobre (55 mm de diâmetro) que desce sob o seu próprio peso no forte campo magnético de um magneto supercondutor (1,8 T), com um quarto furo vertical, temperatura. A plataforma é feita para girar através de um motor fora de eixo que gira um deslizamento de suporte com um orifício buraco da fechadura. O cilindro de cobre está ligado a um veio de chave em forma de disco que roda simultaneamente, e uma vez que o desce-pino de retenção é removido. 1. Preparação de equipamentos não-padrão <ol><li> barco de flotação <ol><li> Adicione o tamanho do barco de tal modo que ele se adapta confortavelmente no interior do tanque experimental sem tocar os lados. NOTA: O barco de flotação (ver Fig. 3) é composto por paredes de poliestireno e uma base de esponja. </li><li> Proteger a esponja com uma camada de stlenço de papel rong. NOTA: A finalidade do papel de seda é dissipar o máximo impulso vertical a partir do fluido derramado para dentro do barco quanto possível. </li></ol></li></ol> 2. Preparação da Experiência <ol><li> Preparação de camadas líquidas <ol><li> Permitir que a água destilada para chegar até à temperatura de laboratório (22 ± 2 ° C). Cerca de 650 ml é necessária para cada realização experimental. NOTA: Permitir que a mistura se equilibre evita a formação de bolhas na experiência devido à exsolving ar. </li><li> Separa-se a água destilada em volumes iguais em dois recipientes separados, A e B, os quais irão ser utilizados para preparar o líquido para a camada densa e inferior da camada superior de luz respectivamente. </li><li> Preparação ex-situ da camada inferior densa. Para o conteúdo do recipiente A: <ol><li> Adicionar NaCl a atingir uma concentração de 0,43 mol de NaCl por litro de água (cerca de 25 g de NaCl por litro deserá necessário água); </li><li> Adicionar corantes de rastreamento de água 0,33 g de vermelho e azul para o recipiente camada inferior (por exemplo, Cole-Parmer 00295-16 e -18); </li><li> Adicionar 0,1 g L -1 de fluoresceína de sódio. NOTA: A camada inferior será agora ser opacos e ter uma densidade de cerca de 1012,9 ± 1,2 kg m -3. </li></ol></li><li> Preparação ex-situ da camada superior de luz. Para o conteúdo do recipiente B: <ol><li> Adicionar sal de MnCl2 para atingir uma concentração de 0,06 mol de MnCl 2 por litro de água (cerca de 12 g de MnCl2 por litro de água). NOTA: A camada superior será transparente em aparência e têm uma densidade de cerca de 998,2 ± 0,5 kg m -3. </li></ol></li><li> Para variar a viscosidade das camadas de fluido, adicionar glicerol C 3 H 8 O 3 em quantidades iguais a cada camada, até a viscosidade desejada é atingida. viscositie típicas encontram-se na faixa de 1,00 × 10 -3 - 21,00 × 10 -3 Pa s. A viscosidade de cada camada é a mesma. NOTA: As misturas podem ser armazenados com segurança em seus recipientes separados até serem necessárias. </li><li> Preparação ex-situ de estratificação da densidade. <ol><li> Adicionar 300 mL do conteúdo do recipiente para o tanque interior cilíndrica (ver Fig. 2). </li><li> Mergulhe a esponja do barco de flutuação no fluido do recipiente B. NOTA: Depois de (2.1.6.2) o procedimento é sensível ao tempo, por isso não realizar quaisquer passos até que todo o íman e a iluminação, gravação e mecanismos mecânicos estão prontos. </li><li> Levantar o barco flotação para fora do recipiente B e, quando parou de gotejamento, colocar cuidadosamente o barco de flutuação na parte superior da camada de fluido denso no tanque cilíndrico interior. </li><li> Começar a adicionar o líquido da camada de luz a partir do recipiente B para o barco de flutuação, com um caudal de3 ml / min. Aumentar gradualmente a esta taxa de fluxo de como o barco flotação levanta em relação à interface entre as duas camadas. Manter uma taxa suficiente fluxo lento que a interface não é perturbado pelo aumento da dinâmica do fluxo de fluido, mas rápido o suficiente para que este processo não leva mais do que 20 min. Manter o enchimento até que a camada superior contém 320 ml de fluido. NOTA: A camada inferior será a uma profundidade de aproximadamente 33 mm e a camada superior estará a uma profundidade de aproximadamente 39 mm. </li><li> Cuidadosamente abaixe a tampa Lucite na camada superior de modo que as profundidades de camada de cada camada são iguais. Permitir que o fluido e o ar flua através dos orifícios de purga, assegurando que nenhum ar fica preso por baixo. Observar uma camada (aprox. 6 mm) do líquido desobstruído leve camada na parte superior da tampa de acrílico. Observação: se o processo foi bem sucedido haverá duas camadas de líquido de igual profundidade com uma interface bem definida entre eles. A espessura da camada de difusão na interface será menor do que 2 mm nesta fase. </li></ol></li><li> Encha o tanque exterior com água destilada clara até uma altura de 6 mm acima da tampa de acrílico do depósito interno. Ao observar-quadrado em que não haverá paralaxe induzida por curvatura resultante a partir do tanque cilíndrico interior. Observação: Uma vez que os líquidos em cada camada são continuamente difundir através da interface neste ponto, prosseguir imediatamente para os passos seguintes. </li></ol></li><li> Spin-up da estratificação <ol><li> Coloque o tanque experimental sobre a plataforma. </li><li> Posicionar o arranjo com o cilindro de cobre no orifício do íman, o veio de accionamento através do orifício de fechadura na pista e o pino de retenção em posição. Certifique-se de que o tanque está longe (60 cm) a partir do íman de tal modo que as forças magnéticas sobre os líquidos são negligenciáveis ​​nesta posição. NOTA: Levar o tanque experimental contendo a estratificação apresenta algumas dificuldades; longa, baixa amplitude, ondas se movimentando criado por andar com the tanque irá decair distância, tendo efeito insignificante sobre a qualidade da interface alcançada quando flutuando na camada superior em. </li><li> Ligar o motor, aumentando a taxa de rotação a 0.002 rad s -2, girando-se o fluido para a velocidade de rotação desejada. Para as taxas de rotação em 16 o tempo de spin-se era da ordem de 20 min - 60 min. NOTA: A velocidade de rotação mais rápida usada foi de 13,2 rad s -1. </li></ol></li></ol> 3. Execução de Experiment <ol><li> Certifique-se de que o íman está indicando uma intensidade de campo de 1,2 T, e em que a altura em que a instabilidade é iniciado o gradiente de campo é (Grad B 2) / 2 = -14,3 T 2 m-1, em que B é a indução magnética . </li><li> Assegure-se que a câmara de vídeo é disposto de tal modo que, quando o veio de accionamento está na sua posição mais baixa, quer a vista lateral da experiência está em foco, ou uma vista em planta está em foco através de um espelho placed acima do experimento. </li><li> Assegurar a iluminação ambiente é a um nível correcto, de tal modo que nenhuma da imagem capturada pela câmara é saturados, mas que a resposta total é usado (as intensidades escala de cinzentos na gama de 0-255). </li><li> Iniciar a gravação de vídeo (240 fps). Usar um controle remoto para evitar a movimentação da câmara durante a operação da função de gravação. </li><li> Remover o pino de retenção, permitindo que o tanque de descer, durante a rotação, para o campo magnético. </li></ol> Experiência 4. Redefinir <ol><li> Redefinir plataforma experimental <ol><li> Use o controle remoto para interromper a gravação do vídeo. </li><li> Salve o arquivo de filme para o disco. </li><li> Ao lado, diminuir a tensão para o motor de modo que retarda a uma paralisação. Execute isso gradualmente, de modo a evitar derrames. </li><li> Remover arranjo experimental de ímã. </li><li> Descarte as camadas líquido misturado de forma adequada (ver manganês Cloreto tetra MSDS). </li><li> Enxaguar o tanque com água (istonão precisa de ser destilada), até que todos os vestígios de sais foram removidos por lavagem. Evitar o contato direto da pele com líquidos. </li><li> Seca-se o tanque com cuidado com lenço de papel para assegurar que nenhum resíduo é deixado que podem contaminar as experiências subsequentes. </li></ol></li></ol> Processamento 5. Imagem <ol><li> Extrair as imagens individuais de cada quadro do filme e salvar em lossless formato .png. Mascarar todas as áreas indesejadas de cada quadro, por exemplo, a plataforma ou cilindro de cobre. </li><li> Calcula-se a função de auto-correlação bidimensional 16 de cada quadro de imagem para 2 s após o início da instabilidade usando uma Transformada Rápida de Fourier discreta. Grave a mínima, média, e o valor máximo do comprimento de onda observado para a taxa de rotação da experiência e a viscosidade das camadas de fluido. </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>

Os autores não têm nada a revelar.

Há dois passos críticos no âmbito do protocolo. O primeiro é 2.1.6.4. Se a camada de luz é lançada sobre a camada densa demasiado rapidamente, em seguida, a mistura irreversível das duas camadas de fluidos miscíveis ocorre. É essencial que este é evitado e que uma interface nítida (&lt;2 mm) entre as duas camadas é conseguida. O segundo passo crítico é 3.1.5. Se o experimento é liberado para o ímã sem estar completamente girou-se em rotação corpo sólido ou sem o aparelho de captura de visualização e imagem na posição e ...

<html> Um sistema de fluido de densidade estratificada constituída por duas camadas podem ser dispostos em um campo gravitacional em qualquer um estável ou uma configuração instável. Se a camada pesada densa está subjacente à camada menos densa, luz, em seguida, o sistema é estável: perturbações na interface são estáveis, restaurada por gravidade, e as ondas podem ser suportados na interface. Se a camada pesada se sobrepõe à camada de luz, em seguida, o sistema é instável e perturbações para a interface de crescer. Esta instabilidade fluido fundamental é a instabilidade Rayleigh-Taylor 7, 8. Exactamente o mesmo pode ser observada instabilidade em sistemas não-rotação que são acelerados em direcção da camada mais pesada. Devido à natureza fundamental da instabilidade que se observa em muitos fluxos que também variam muito em escala: de pequena escala película fina fenômenos 9 às características escala astrofísicos observados em, por exemplo, a Nebulosa do Caranguejoef &quot;&gt; 10, onde são observadas estruturas semelhantes a dedos, criado por ventos pulsar ser acelerado através de restos de supernova mais densas. É uma questão em aberto sobre a forma como a instabilidade Rayleigh-Taylor podem ser controladas ou influenciadas uma vez que a diferença inicial densidade instável tem sido estabelecida numa interface. uma possibilidade é a de considerar rotação maior parte do sistema. a finalidade das experiências é o de investigar o efeito da rotação sobre o sistema, e se esta pode ser uma via para a estabilização. Consideramos que um sistema de fluido que é constituída por uma camada de estratificação dois gravitacionalmente instável que está sujeita a rotação constante em torno de um eixo paralelo à direcção da gravidade. Uma perturbação de uma estratificação de densidade de duas camadas instável conduz à geração baroclínica de vorticidade, ou seja, a capotagem, na interface, que tende a quebrar-se quaisquer estruturas verticais. No entanto, um fluido de rotação é conhecida a organizar-se em r verticais coerenteructures alinhado com o eixo de rotação, de modo que o &#39;Taylor colunas&#39; 11. Por isso, o sistema sob investigação é submetido a competição entre o efeito de estabilização da rotação, que está a organizar o fluxo em estruturas verticais e impedindo as duas camadas capotagem, e o efeito de desestabilização do fluido mais denso que cobre o fluido mais leve que gera um movimento de capotamento na interface . Com o aumento da velocidade de rotação a capacidade das camadas de fluido para mover radialmente, com sentido oposto um ao outro, de modo a rearranjar-se numa configuração mais estáveis, é cada vez mais inibida pelo teorema de Taylor-Proudman, 12, 13: o movimento radial é reduzida e as estruturas observadas que se materializam como a instabilidade desenvolve são menores em escala. FIG. 1 mostra qualitativamente o efeito da rotação sobre os turbilhões que se formam como a instabilidade desenvolve. Noimagem mão esquerda não há rotação e o fluxo é uma aproximação à instabilidade clássica não rotativo Rayleigh-Taylor. Na imagem do lado direito todos os parâmetros experimentais são idênticos aos da imagem esquerda, excepto que o sistema está a ser rodado em torno de um eixo vertical alinhado com o centro do tanque. Pode ser visto que o efeito de rotação é o de reduzir o tamanho dos remoinhos que se formam. Este, por sua vez, resulta em uma instabilidade que se desenvolve de forma mais lenta do que a contraparte não rotativa. Os efeitos magnéticos que modificam o tensor de tensão no fluido pode ser considerado como actuando na mesma maneira que um campo gravitacional modificado. Estamos, portanto, capaz de criar uma estratificação gravitacionalmente estável e girá-lo em rotação corpo sólido. As forças de corpo magnéticos gerados por impor o campo magnético gradiente então imitar o efeito de modificar o campo gravitacional. Isto torna a interface instável de tal forma que o sistema de fluido behaves, com uma boa aproximação, como a instabilidade Rayleigh-Taylor clássica sob rotação. Esta abordagem foi anteriormente tentada em duas dimensões, sem rotação 14, 15. Para obter um gradiente de campo magnético aplicado com induzida campo magnético B, a força aplicada ao corpo de um fluido constante χ volume de susceptibilidade magnética é dada por f = graduado (χ B 2 / μ 0), em que B = | B | e μ 0 = 4π × 10 -7 NA -2 é a permeabilidade magnética do espaço livre. Podemos, portanto, considerar o íman para manipular o peso efectivo de cada camada de fluido, onde o peso efectivo por unidade de volume de um fluido de ρ densidade num campo gravitacional da força g é dada por ρ g - χ (∂ B 2 / ∂ Z ) / (2 μ 0).

<table><tbody><tr><td>Corante de rastreamento de água azul</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>Corante de rastreamento de água vermelha</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>Cloreto de Sódio</td><td></td><td></td><td>>99% de pureza</td></tr><tr><td>Cloreto de Manganês Tetrahidratado</td><td></td><td></td><td>Veja MSDS</td></tr><tr><td>Sal de sódio fluoresceína&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ímã</td><td>Criogénico Ltd. Londres</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

magneticamente induzida rotating rayleigh-taylor instabilidade

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

Técnicas clássicas para investigar a instabilidade Rayleigh-Taylor incluem o uso de gases comprimidos 1, foguetes 2 ou motores eléctricos lineares 3 para inverter a direção efetiva da gravidade, e acelerar o fluido de isqueiro para o fluido mais denso. Outros autores, por exemplo 4, 5, 6 têm uma estratificação separados gravitacionalmente instável com uma barreira que é removido para dar início ao fluxo. No entanto, a interface inicial parabólica no caso de uma estratificação rotativo impõe dificuldades técnicas significativas experimentalmente. Queremos ser capazes de girar-se a estratificação em rotação de corpo sólido e só então iniciar o fluxo, a fim de investigar os efeitos de rotação sobre a instabilidade Rayleigh-Taylor. A abordagem que aqui adoptada é a utilização do campo magnético deum magneto supercondutor para manipular o peso efectivo dos dois líquidos de dar início ao fluxo. Criamos uma estratificação de duas camadas gravitacionalmente estável usando técnicas de flutuação normais. A camada superior é menos denso do que a camada inferior e para que o sistema é estável Rayleigh-Taylor. Esta estratificação é, então, girou-up até que ambas as camadas estão em rotação de corpo sólido e uma interface parabólica é observado. Estas experiências usam fluidos com baixa susceptibilidade magnética, | χ | ~ 10 ~ 6 - 10 ~ 5, em comparação com um ferrofluidos. O efeito dominante do campo magnético se aplica uma força de corpo para cada camada alterando o peso efetivo. A camada superior é fracamente paramagnético enquanto a camada inferior é fracamente diamagnético. Quando o campo magnético é aplicado, a camada inferior é repelido do íman enquanto que a camada superior é atraído em direcção ao íman. Uma instabilidade Rayleigh-Taylor é obtida através da aplicação de um campo magnético de gradiente elevado. Observou-se, ainda, que increasing a viscosidade dinâmica do fluido em cada uma das camadas, aumenta o comprimento da escala de instabilidade.

FIG. 4 mostra o desenvolvimento da instabilidade Rayleigh-Taylor na interface entre os dois fluidos, para quatro taxas diferentes de rotação: Ω = 1,89 rad s-1 (linha de cima), Ω = 3,32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1, e Ω = 8,74 rad s -1 (linha de fundo). A interface é mostrado em evolução no tempo de t = 0 s (coluna da esquerda) com incrementos de 0,5 s para t = 3,0 s (coluna da direita). Por conseguinte, a coluna da dir...

Apresentamos um protocolo para preparar um líquido estratificado por densidade de duas camadas que pode ser girado em rotação de corpo sólido e subsequentemente induzido à instabilidade de Rayleigh-Taylor pela aplicação de um campo magnético gradiente.

Magneticamente induzida Rotating Rayleigh-Taylor Instabilidade

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

O objetivo geral deste experimento é observar o efeito da rotação em um sistema gravitacionalmente instável composto por um fluido denso sobrejacente a um fluido menos denso. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na dinâmica de fluidos, como a forma pela qual o efeito estabilizador da rotação compete e interage com o efeito desestabilizador da gravidade. A principal característica desta técnica é a capacidade de criar um sistema rotacional estável em duas camadas e, em seguida, utilizar um ímã para manipular os pesos efetivos de cada camada, desencadeando a instabilidade.Este é o aparelho utilizado para o experimento. Os componentes visíveis principais são uma plataforma rotativa para o tanque experimental, um cilindro de cobre que a sustenta e um ímã supercondutor com furo à temperatura ambiente. O cilindro desce até o furo do ímã e a um campo magnético de 1,8 tesla.Este esquema fornece detalhes adicionais da disposição. A rotação da plataforma é produzida por um motor fora do eixo que gira um mancal deslizante com uma abertura em forma de chave. O cilindro de cobre está preso ao eixo de acionamento em formato de chave e desce por seu próprio peso quando o pino de fixação é removido.O conjunto completo inclui a iluminação e uma câmera com controle remoto para capturar imagens. Com o tanque posicionado sobre a plataforma, mova o eixo de transmissão para sua posição mais baixa. Certifique-se de que a câmera de vídeo tenha uma visão do experimento com foco adequado e iluminação apropriada.Para se preparar para o experimento, coloque a plataforma e o cilindro de cobre na posição mais alta. Fixe o cilindro no lugar com o pino de retenção. Com todo o resto ajustado, remova o tanque para prepará-lo para o experimento.Em uma bancada de laboratório, comece a preparar os líquidos para o tanque. Para a camada densa, comece com 250 mililitros de água destilada à temperatura ambiente e adicione aproximadamente 6,25 gramas de cloreto de sódio à água. Os componentes da camada superior leve são 325 mililitros de água destilada à temperatura ambiente, juntamente com cloreto de manganês e corantes rastreadores de água vermelho e azul.Adicione uma pequena quantidade de fluoresceína sódica para completar o preparo. Os dois fluidos estão agora prontos para o experimento. Os líquidos estratificados serão acondicionados em um recipiente cilíndrico transparente, que possui uma tampa de lucite capaz de encaixar-se nele.A tampa possui orifícios de ventilação para permitir a passagem de fluido e ar. Além do recipiente e dos fluidos, tenha um barco de flutuação pronto para uso. O barco de flutuação é composto por paredes de estireno sobre uma base de esponja.A parte inferior do seu interior deve ser forrada com papel-toalha resistente. O barco deve ser capaz de caber facilmente no tanque experimental sem tocar nas laterais. Prossiga com os próximos passos somente quando estiver pronto para realizar o experimento.Inicie com o fluido de alta densidade e comece a adicioná-lo ao tanque. Pare quando 300 mililitros tiverem sido adicionados. Em seguida, prepare um tanque de alimentação com uma braçadeira e tubos para o fluido de baixa densidade.O tanque de alimentação deve conter pelo menos 350 mililitros e o grampo deve permitir o controle do fluxo de fluido. Prossiga adicionando um fluido de baixa densidade ao tanque de alimentação. Em seguida, posicione o tanque de alimentação acima do tanque do experimento para permitir a liberação do fluido próximo à superfície do fluido de alta densidade.Coloque o barco de flutuação sobre a superfície do fluido de alta densidade. Ajuste o grampo do tanque de alimentação para adicionar fluido de baixa densidade ao barco de flutuação, adicionando cerca de três mililitros por minuto. Com o tempo, o fluido de baixa densidade difunde-se através da esponja, formando uma camada de fluido leve acima do fluido de alta densidade.À medida que o barco se eleva da interface, aumente gradualmente a taxa de fluxo. Continue enchendo até que o tanque de cabeçote tenha sido esvaziado. Assim que o fluido tiver sido completamente sifonado, remova o barco de flutuação lentamente para minimizar gotejamento e pegue a tampa para o tanque do experimento.Coloque a tampa no lugar e comece a abaixá-la na camada superior do fluido. Pare quando as profundidades de cada camada forem iguais e não houver bolhas de ar aprisionadas. Se bem-sucedido, haverá duas camadas de fluido com profundidades iguais e uma interface nítida entre elas.Também haverá uma camada de fluido de baixa densidade sobre a tampa de acrílico. Prossiga rapidamente para realizar o experimento e mova cuidadosamente o tanque até o aparelho. Coloque o tanque experimental sobre a plataforma, mantendo-o sempre afastado do ímã.Ligue o motor e aumente lentamente a taxa de rotação aumentando a tensão da fonte de alimentação até atingir a taxa desejada. Uma vez atingida a taxa de rotação desejada, inicie a gravação em vídeo e posicione-se para remover o pino de fixação. Quando estiver pronto, remova o pino e permita que o tanque desça até o campo magnético.Essas imagens são instantâneos da interface do fluido para quatro velocidades de rotação diferentes. Cada coluna corresponde a um tempo diferente e aumenta em incrementos de meio segundo. Nos estágios iniciais, por exemplo no momento de um segundo, para cada velocidade de rotação, há uma perturbação na interface com uma escala de comprimento dominante.Com o aumento da taxa de rotação, a largura das estruturas semelhantes a serpentes diminui. Essas imagens são provenientes de uma série de experimentos com viscosidade do fluido variável e uma taxa de rotação fixa. Cada coluna corresponde a um tempo diferente.A escala de comprimento observada da instabilidade aumenta à medida que a viscosidade aumenta de valores mais baixos para valores mais altos. Ao representar graficamente o comprimento de onda dominante em função da taxa de rotação, torna-se observável um limite inferior para a escala da instabilidade. Nesses dados para camadas de fluido com viscosidade aproximada à da água, acima de taxas de rotação de cerca de quatro radianos por segundo, o limite inferior é aproximadamente seis milímetros.Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em uma hora, se for executada corretamente.

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Engenharia

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Quantificar mistura usando Ressonância Magnética

Os implantes de stent em curvaturas arteriais estenosadas são propensos a falhas "Tipo IV" envolvendo a fratura transversal completa dos stents e o deslocamento linear das partes fraturadas. Apresentamos um protocolo para detecção de estruturas de fluxo secundário (vórtice) em um modelo de artéria curva, a jusante de falhas de stent "Tipo IV" clinicamente relevantes.

Investigação Experimental de Estruturas de fluxo secundário a jusante de uma falha Modelo Tipo IV Stent em uma seção de teste de 180 ° Curved Artéria

Aqui, descrevemos um procedimento que emprega a técnica schlieren em microescala para medir a heterogeneidade da mistura em um dispositivo microfluídico. Por meio da calibração, a distribuição do gradiente de concentração pode ser derivada da imagem micro-schlieren.

Analisando falta de homogeneidade de mistura em um dispositivo micro, pela técnica Microscale Schlieren

Usamos a impressão 3D para fabricar partículas anisotrópicas na forma de macacos, cruzes, tétrades e tríades, cujos alinhamentos e rotações no fluxo turbulento de fluidos podem ser medidos a partir de várias imagens de vídeo simultâneas.

Métodos para medir a orientação e rotação Taxa de partículas em Turbulência 3D-impressos

Apresentamos um protocolo para criar um filme em tempo real de um pacote de onda rotacional molecular usando uma configuração de imagem de explosão de Coulomb de alta resolução.

Direct Imaging da Laser-driven Ultrafast rotação Molecular

São apresentados dois métodos diferentes para caracterizar o movimento de partículas incipiente de uma única pérola como uma função da geometria de cama de sedimentos de laminar para fluxo turbulento.

Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

Este manuscrito descreve métodos vistos medir os coeficientes de transferência de calor convectiva instantânea local em um fluxo de tubulação única ou em duas fases. Também é apresentado um método óptico simples para determinar o comprimento e a velocidade de propagação de uma bolha de ar alongada (Taylor) se movendo a uma velocidade constante.

Medições de transferência de calor convectiva instantânea Local em uma tubulação - fluxo único e duas fases

Aqui, apresentamos um método experimental para dissociar a força de Coriolis interdependente e efeitos de rotação-flutuabilidade em distribuições de transferência de calor de campo integral de um canal de rotação.

Força de Coriolis desacopladas e efeitos de flutuabilidade rotativa em campo-total de calor transferir Propriedades de um canal de rotação

A estrutura da banda fotônica permite entender como os modos eletromagnéticos confinados se propagam dentro de um cristal fotônico. Em cristais fotônicos que incorporam elementos magnéticos, tais modos ópticos confinados e ressonantes são acompanhados por atividade magneto-óptica aprimorada e modificada. Descrevemos um procedimento de medição para extrair a estrutura da banda magneto-óptica pela microscopia espacial Fourier.

Caracterização magneto-óptica espectral e de ângulo-resolvido de nanoestruturas fotônicas

Uma técnica rápida e confiável é proposta para controlar as oscilações de forma de uma única bolha acústica aprisionada que é baseada na técnica de coalescência entre duas bolhas. As oscilações em forma de bolhas controladas por simetria em estado estacionário permitem a análise do fluxo de fluido gerado nas proximidades da interface de bolhas.

Indução de Microstreaming por Oscilações de Bolhas Não Esféricas em um Sistema de Levitação Acústica

Aprenda a induzir a instabilidade de Rayleigh-Taylor em fluidos estratificados rotativos usando campos magnéticos gradientes. Este método demonstra como a rotação estabiliza enquanto a gravidade desestabiliza as camadas fluidas em sistemas de duas camadas densas.

Magneticamente induzida Rotating Rayleigh-Taylor Instabilidade

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