1. Изготовление испытательного участка впрыска газа (см. схему и фотографию, рис. 2)
Просверлите отверстие в дне высокого пластикового контейнера с плоскими стенками. Через это отверстие установите штуцер для сквозной переборки. Установите переходной штуцер на компрессионное соединение трубки ~3,2 мм на выходе фитинга перегородки. Это будет порт для впрыска пузырей/капель.
Вставьте короткий (~1 см) мягкий резиновый шнур диаметром 3,2 мм в компрессионное соединение, и затяните фитинговую гайку. С помощью швейной булавки проткните тонкое отверстие в резиновом шнуре. Это будет клапан для впрыскивания пузырьков/капель в емкость с жидкостью.
Заполните емкость глицерином до уровня ~25 см. Медленно вылейте глицерин в виде пленки на боковую стенку контейнера, чтобы уменьшить захват пузырьков в контейнере. Подождите ~2 часа, чтобы более крупные пузыри поднялись из контейнера.
Установите видеокамеру на штатив лицом к контейнеру, так, чтобы верхняя часть жидкости была в поле зрения. Установите яркий свет с другой стороны контейнера, обращенным к камере (подсветка). Вставьте лист рассеивателя между светильником и контейнером, чтобы обеспечить равномерное освещение.
2. Проведение экспериментов
Вставьте линейку или плоский предмет известного размера в глицериновый контейнер над отверстием для инъекции, лицом к камере. Запишите короткое видео объекта. Это послужит масштабом для отображения от размера пузыря в px и скорости роста в px s-1 к m и m s-1, соответственно.
С помощью шприца с тонкой иглой (, например, , 20 калибра). Впрыскивайте в жидкость пузырьки газа разного размера через резиновый клапан. Используйте камеру для записи видео пузырьков, поднимающихся сквозь жидкость.
Смешайте пищевой краситель на масляной основе с соевым растительным маслом (или другим маловязким растительным маслом). С помощью шприца введите в емкость с глицерином цветные капли масла разного размера. Записывайте видео поднимающихся капель.
3. Анализ
Используя программное обеспечение, такое как медиаплеер VLC, экспортируйте снимки изображения из видео линейки (Шаг 2.1). В программном обеспечении для редактирования изображений измерьте расстояние в пикселях по известной длине устройства. Коэффициент масштабирования длины может быть определен как , где Lm — физическая длина объекта в метрах, а Lpx — длина объекта в пикселях на изображении.
Для каждого видео со скоростью нарастания пузырьков или капель извлекайте снимки изображения, когда пузырьки/капли входят в окно обзора камеры и выходят из него. Измерьте диаметры пузырьков/капель (по горизонтали) в программе для редактирования изображений (Dpx). Измерьте среднюю скорость подъема (Upx) как разницу в положении пузырьков/капельных носиков, деленную на прошедшее время видео между исходным и конечным снимками изображения. Преобразуйте эти значения пикселей в физические следующим образом: D = sDpx и U = sUpx.
Вычислите числа Рейнольдса () и коэффициенты лобового сопротивления (уравнение 2). Нанесите эти значения на график и сравните с теоретическими результатами уравнения 3. Свойства жидкости при комнатной температуре (22°C):
• Глицерин: ρf = 1300 кг m-3, μf = 3,7 кг m-1 s-1
• Воздух: ρb = 1,19 кг м-3
• Соевое масло: ρb = 920 кг м-3
Рисунок 2: (а) Схема и (б) фотография экспериментальной установки.
Источник: Александр С. Раттнер и Санджай Адхикари; Факультет машиностроения и ядерной инженерии, Университет штата Пенсильвания, Юниверсити-Парк, Пенс…