Методическая статья

Воздействие сфер в свободном падении на глубокий жидкого бассейн с измененной жидкости и ударного элемента состояния поверхности

6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/59300

⸱

17 февраля 2019 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол демонстрирует основные экспериментальной конфигурации для воды записи экспериментов с свободном падении сферах. Обсуждаются методы для изменения поверхности жидкости с протяженными ткани, подготовка химически не смачивающей сфер и шаги для заставки визуализации и извлечения данных.

Аннотация

Вертикальные последствия сфер на чистой воде были предметом многочисленных расследований вход воды, характеризующих формирование полости, всплеск восхождение короны и Уортингтон струи стабильности. Здесь мы устанавливаем экспериментальные протоколы для изучения динамики всплеск, когда гладкая свободном падении шары разной смачиваемости, массы и диаметр влияние свободной поверхности пул глубоко жидкость тонкой проницаемые ткани и жидкости ПАВ. Расследований вход воды обеспечивают доступной, легко собраны и выполненных экспериментов для изучения сложной механики жидкости. Мы представляем здесь перестраиваемый протокол для характеризующие всплеск высота, метрики разделения потока и ударного кинематики и представитель результаты, которые могут быть приобретены если воспроизводя наш подход. Методы применяются, когда характерные всплеск размеры остаются ниже примерно 0,5 м. Однако, этот протокол может быть адаптирован для больших высот освобождения ударного элемента и соударений, который является хорошим предзнаменованием для воплощения результатов для военно-морских и промышленности.

Введение

Характеристика динамики всплеск, вытекающих из вертикального воздействия твердых предметов на глубокий жидкого бассейн1 применяется к военной, военно-морских и промышленных приложений, таких как баллистических ракет воды вход и морской поверхности посадки2, 3,4,5. Первые исследования воды записи были проведены хорошо более чем столетие назад6,7. Здесь мы устанавливаем четкие углубленного протоколы и наилучшую практику для достижения устойчивых результатов расследований вход воды. Чтобы помочь действительный экспериментальный дизайн, представлен метод для поддержания санитарных условий, изменения межфазного условий, контроль безразмерных параметров, химической модификации поверхности ударного элемента и визуализация всплеск кинематики.

Вертикальные последствия свободном падении гидрофильные сфер на quiescent жидкости показывают никаких признаков воздуха провокация на низкой скорости8. Мы находим, что размещение тонких проницаемые тканей на вершине поверхности жидкости вызывает образование полости вследствие принудительного потока разделения1. Скудное количество ткани на поверхности усиливает брызг по целому ряду умеренных чисел Вебер, хотя достаточно наслаивать ослабляет брызг при перетаскивании сферах преодолеть в жидкости вход1. В этой статье мы объясним протоколы подходит для создания эффектов прочности материала на въезд воду гидрофильные сфер.

Полости, образуя брызг от гидрофобных ударных Показать Вознесения развитая всплеск короны, следуют выступ основной струи, высоко над поверхностью по сравнению с их коллегами воды душе8. Здесь мы представляем подход для достижения водоотталкивающие через химически модификации поверхности гидрофильных сферах.

С появлением Высокоскоростные камеры всплеск визуализации и характеристика стали более достижимой. Несмотря на это установленным стандартам в области призывают к использованию одной камеры перпендикулярном оси основной поездки. Мы покажем, что использование дополнительных высокоскоростной камеры для накладных представлений необходимо вынести решение, что сферы забастовку предполагаемого местонахождения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Настройка эксперимента для вертикального воздействия

  1. Заполнить бак прозрачной водой размеры приблизительно 60 см x 30 см х 36 см (длина x вес x глубина) с 32 Л воды и смонтировать метр правитель («визуальные шкала») по вертикали внутри контейнера, таким образом, что база сидит жидкости, как видно на рисунке 1a.
    Примечание: Глубина и ширина танка должен быть больше, чем 20 раз диаметр крупнейших сфер используется в эксперименте, чтобы убедиться, что стены эффекты являются незначительными9. Большей скоростью записи, чем те, описанные здесь будет требуют большую глубину бака. Визуальный шкала, используемая для определения высоты падения и калибровки программное обеспечение отслеживания рассматривается в разделе 7.
  2. Место линейки дополнительных метров под водой, которая может действовать, чтобы увеличить размеры. Этот визуальный шкала используется для калибровки отслеживания программного обеспечения для подводных измерений.
  3. Конструкция навесной платформы («механизм выпуска»), которая приостанавливает сферах выше жидкости и поворачивает вниз, чтобы достигнуть тангенциальное ускорение больше, чем гравитация на месте ударного элемента, когда освободили, как видно на рисунке 1a. Быстрое вращение достигается путем соединения откидная платформа в центр поддержки компонента с помощью резинки. Результатом является неподдерживаемым и проворота ударного элемента.
    Примечание: Платформа легко сфабрикованы с 3D-принтер.
  4. Для испытаний воздействия место пальца базы навесных платформы и повернуть его на 90° в горизонтальное положение для размещения сфер выше жидкости.
    Примечание: Втягивание срабатывает, когда палец освобождается от основания платформы.
  5. Аффикс разобщающий механизм реторты стенд, таким образом, что устройство может корректироваться с различных высот.
  6. Место реторты стоять рядом с танк, таким образом, что разобщающий механизм находится в пределах той же глубины плоскости как визуального шкала. При необходимости для предотвращения свержения добавьте вес к базе реторты стенда.
  7. Отрегулируйте механизм выпуска высота Максимальная желаемый экспериментальной падения. Это необходимо для оптимального всплеск визуализации, как описано в разделе 6 и гарантирует, что характеристики всплеск интереса находятся всегда в рамках просмотра камеры.
  8. Придаем мульти светодиодные свет формулирование руки таким образом, чтобы свет монтируется над камерой, глядя вниз на всплеск зоны. Рассеянный свет одиночку недостаточно для освещения сцены с высокой частотой кадров, необходимые для извлечения всплеск кинематики.
    Примечание: Одно может никогда не иметь слишком много света.
  9. Место черный экран на задней резервуар для помощи splash и полости визуализации, как показано на рисунке 2.
  10. Место защиты стекла-амортизатор, например закрытыми порами Губка, в нижней части резервуара для воды и аффикс с весами для предотвращения шлифовка.
    Примечание: Высота жидкости в баке должна быть таким образом, что сфера не взаимодействуют с амортизатор перед щепотку полость воздуха от10.

2. Управление безразмерные параметры

  1. Проведение экспериментов с гладкой сфер различных масс и диаметров. Для этого Полиоксиметилен (например, Delrin) монета изготовление шары особенно хорошо работают и имеют не плесень часть линии. Измерения массы и диаметров с аналитического баланса и штангенциркуль соответственно.
  2. Проведение экспериментов в диапазоне высот H для создания соударений figure-protocol-1 где figure-protocol-2 м/с2 является ускорение свободного падения. Измерить высоту с визуального масштаба в пределах кадра камеры.
    Примечание: Используйте функцию Auto-отслеживания в средстве анализа видео, как описано в разделе 7 для измерения соударений.
  3. Проведение экспериментов с жидкости смеси воды и подходит поверхностно-активных веществ (например, глицерин или soap) для изменения поверхностного натяжения. С поверхности Тензиометр измерения поверхностного натяжения.
  4. Вычисления чисел Рейнольдса figure-protocol-3 и Вебер цифры figure-protocol-4 , где ρ — плотность жидкости, D -диаметр сферы, μ – динамическая вязкость жидкости и σ поверхностное натяжение жидкости.

3. поддержание санитарно экспериментальных условиях

  1. Проведение экспериментов при ношении промышленных нитриловые перчатки и извлекать сферы из резервуара для воды с исключенного совок.
    Предупреждение: Кожи, естественно, производит масла, которые могут повлиять на смачиваемости ударных и зараза жидкости условий.
  2. Очистить сферы с 99% изопропиловый спирт и дайте высохнуть за 1 мин между испытания, чтобы исключить влияние примесей.
  3. При использовании ткани, которые развалится во время удара, замените воды в баке после каждого судебного разбирательства, если отходы не могут быть собраны вручную.
  4. В конце эксперимента Опорожните емкость и оставьте его для просушки.
  5. Прежде чем эксперимент очистите бак с водой, чтобы удалить все примеси.

4. иерархическое представление поверхности с протяженными ткани

  1. Разделить площадь ткань или круглой слоёв в рамках подготовки исследований воздействия. Используйте Калиброванный верньер для получения сжатых толщина ткани.
    Примечание: Толщина ткани будет меняться при намокании.
  2. Аккуратно отдых сухой ткани на поверхности жидкости. Убедитесь, что слоёв не начать спуск до освобождения ударного элемента и заменить ткани сразу же после столкновения.
  3. Используйте исключенное совок для размещения ткани ниже откидная платформа перед выпуском сферах.
  4. (Необязательно) Проведите следующие тесты, используя образец ткани для определения характеристик материала.
    1. Проводить испытания на растяжение с помощью растяжения тестер для определения упругости образца.
    2. Используйте цифровой микроскоп для получения микроскопические видом ткани и определения длины волокна с помощью инструмента визуализации.

5. Подготовка химически гидрофобные сферах

  1. Спрей гидрофобные базы пальто около 15 – 30 см от поверхности сферы. Избегайте замачивания поверхности. Пусть ему высохнуть в течение 1\u20122 минут перед добавлением дополнительных покрытий. Применяются две дополнительные базы пальто. Позвольте ему высохнуть в течение 30 мин перед нанесением верхнего слоя.
    Примечание: Количество дополнительных поверхности могут различаться в зависимости от рекомендаций производителя продукта.
  2. Спрей гидрофобные сверху покрыть около 15 – 30 см от поверхности. Избегайте замачивания поверхности. Пусть ему высохнуть в течение 1 – 2 мин перед добавлением дополнительных покрытий. Применяются два или три более покрытия верхнего слоя. Дайте высохнуть на 30 минут для легких использования и 12 h для полного использования.
    Примечание: Количество дополнительных поверхностных слоев могут различаться в зависимости от рекомендаций производителя продукта.
  3. После примерно 20 испытаний гидрофобное покрытие становится скомпрометирована из-за чрезмерной обработки. Удалите покрытие с 99% изопропиловый и повторите шаги 5.1 и 5.2.

6. Синхронизация камеры для визуализации всплеск

  1. Место высокоскоростной камеры с объективом подходит в линии с поверхностью жидкости и перпендикулярной оси воздействия.
    Примечание: 55 mm премьер-объектив обеспечивает хорошей отправной точкой.
  2. Там, где ткани должны быть использованы, добавьте дополнительный высокоскоростной камеры эксперимента для представления сверху вниз воздействий, как показано на рисунке 1b.
  3. Синхронизация нескольких камер на компьютер, используя следующие шаги.
    1. Подключите оба выходные клеммы камеры в горизонтальной плоскости как входные клеммы дополнительные камеры, с помощью кабелей BNC.
    2. Подключите выключатель к только камеры в горизонтальной плоскости.
    3. Подключите кабели Ethernet от обеих камер-сети маршрутизатор, подключенный к компьютеру.
      Примечание: При отсутствии маршрутизатора, подключите кабели Ethernet камер для отдельных компьютеров.
  4. В видео приобретения программного обеспечения Настройка камеры со следующими параметрами. Задать частоту кадров как минимум 1000 fps, разрешение экрана на нужное разрешение. Установите скорость затвора 1 в кадре второй и режим триггера до конца.
  5. С высоты максимального выхода провести серию тестовых испытаний для обеспечения Уортингтон струй в пределах кадра видео.
  6. Отрегулируйте положение камеры и фокус соответственно до достижения требуемой визуализации качества.
  7. После записи, экстракт Кинематическая и геометрическая измерений из видео, используя инструмент подходящим видео анализа. Использование трекера, открытым исходным кодом инструмент анализа или любого программного обеспечения сравнительных возможностей.

7. Оцифровка воздействия кинематика с трекера программного обеспечения

  1. Выберите калибровка палку из панели Tracker и соответствовать его визуального шкалы (Рисунок 2a), делая ручку как можно дольше.
  2. Нажмите кнопку калибровки палку и задайте значение масштабирования на длину визуального масштаба, занимаемых палку. То есть если калибровка палку охватывает 1 см на визуальные масштаба, установите значение 1 масштабирования.
    Примечание: Это обеспечивает измерения, сделанные с программного обеспечения порядка см.
  3. Переключать воспроизведение видео, нажав запустить и остановить и задать видео на нужный кадр.
  4. Выберите измерения палку из панели Tracker и извлечь всплеск Корона высота k, полости ширина b, глубина полости lи Уортингтон струи высота h, как показано на рисунке 2b,c.
    Примечание: Мерилом регулируется на обоих концах и может использоваться одновременно с другими выбор элементов.
  5. Выберите транспортир из панели Tracker и измерить угол разделения q жидкости в отношении ударного элемента, как показано на рисунке 2b. Транспортир регулируется на обоих концах и может использоваться одновременно с другими выбор элементов.
  6. Выберите функцию Auto-отслеживания программного обеспечения для записи временнoе положение и скорость данных. Когда отслеживание прерван из-за отсутствия ясности в видео, использование ручного отслеживания до получения ясности и auto отслеживание возобновляется.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Это установлено, протоколы позволяют для соблюдения Уортингтон струй, вытекающих из вертикального воздействия над числами диапазон Вебер figure-results-1 как показано на рисунке 2 c. Эти результаты публикуются в Watson et al.1, которые могут ссылаться для точный экспериментальных условий, используемых для получения данных, представленных в настоящем документе. Мы сосредоточены на узкие у...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Этот протокол описывает экспериментальный дизайн и передовой практики для расследования сфер в свободном падении на глубокий жидкого бассейн. Мы начинаем, выделив необходимые шаги для настройки эксперимента для вертикального воздействия. Это важно для создания условий идеально заставки с использованием достаточно большой всплеск зоны, что стены эффекты незначительным9и подходящие визуальные масштаба для извлечения кинематики12,13,

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы хотели бы признать Колледж инженерных и компьютерных наук (ОЭЦ) в университете Центральной Флориды для финансирования этого проекта, Джошуа спецификации и Крис Souchik для изображения заставки и Николая Смит для ценную обратную связь.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3D-принтерFlashForgeCreator ProДвойной экструзионный
спиртSwanM31499% изопропил
BNC кабелиThorlabs2249-C-24
Штангенциркульв любое время Инструменты203185Диск
КамераPhotronMini AX-10016 ГБ ОЗУ
КомпьютерDellWindows 7 Pro
ТканьGeorgia Pacific19378Туалетная бумага
Ткань Kleenex10036000478478Лазерный
резакGlowforgeBasic
LightsGS VitecLT-V9-15Multi-LED
MicroscopeKeyenceVHX-900FЦифровая
ретортная стойкаVWRVWRF08530.083
МаршрутизаторASUSRT-N12Автономная сетевая
линейкаWestcott10432Линейка метра
Программное обеспечениетрекераоткрытым исходным кодоманализа видео
PhotronFastcam Viewerдля записи видео
Amazon8DELSETDelrin
SprayRust-Oleum274232водоотталкивающее
поверхностно-активное веществоDawn37000973782жидкое мыло
поверхностно-активное веществоUSP кошерный5 галлоновглицериновый
тестер на растяжениеMTSмодель 42
пусковой переключательна заказ
резервуар для водыMr. AquaMA-730незакаленное стекло
для тканей для с Программное обеспечение для Сфера изготовленный

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи