חוסר יציבות הסיבוב המגנטי המושרית ריילי-טיילור

Abstract

טכניקות קלסיות חוקר את חוסר יציבות ריילי-טיילור כוללות שימוש גזי דחוסים ^1, טילים ² או מנועים ליניאריים חשמליים ³ להפוך את הכיוון היעיל כובד, ולהאיץ את הנוזל המצית לעבר הנוזל הצפוף. מחברים אחרים ^{כגון 4, 5, 6} נפרדו ריבוד יציב כבידתית עם מחסום כי הוא הסיר כדי ליזום את הזרימה. עם זאת, הממשק הראשוני פרבוליות במקרה של ריבוד מסתובבת מטילה קשיים טכניים משמעותיים באופן ניסיוני. אנו רוצים להיות מסוגלים ספין את ריבוד לתוך סיבוב מוצק גוף ורק אז ליזום את הזרימה כדי לחקור את ההשפעות של סיבוב על חוסר יציבות ריילי-טיילור. הגישה שאימצנו כאן היא להשתמש בשדה המגנטי שלמגנט מוליך כדי לתפעל את המשקל היעיל של שני הנוזלים ליזום את הזרימה. אנו יוצרים ריבוד דו שכבתי יציבת כבידתית שימוש בטכניקות הנפקה סטנדרטיות. השכבה העליונה היא פחות צפוף מאשר השכבה התחתונה וכך המערכת היא יציבה ריילי-טיילור. ריבוד זה ואז סובב-עד שני השכבות נמצאות סיבוב מוצק גוף וממשק פרבוליות הוא ציין. ניסויים אלה להשתמש בנוזל עם רגישות מגנטית נמוכה, | χ | ~ 10 ^-6 - 10 ^-5, לעומת ferrofluids. ההשפעה הדומיננטית של השדה המגנטי חלה גוף-כוח לכל שכבה לשנות את המשקל היעיל. השכבה העליונה היא פאראמגנטיים חלושות בעוד השכבה התחתונה היא diamagnetic חלושה. כאשר השדה המגנטי מוחל, השכבה התחתונה היא דחויה מן המגנט בעוד השכבה העליונה נמשכת לכיוון המגנט. אי יציבות ריילי-טיילור מושג עם יישום של שדה מגנטי שיפוע גבוה. עוד ראינו כי increasing הצמיגות הדינמית של הנוזלים בכל שכבה, מגדיל את קנה באורך של חוסר היציבות.

Introduction

מערכת נוזל ריבוד צפיפות מורכבת משתי שכבות ניתן לארגן בשדה הכביד או אורווה או תצורה יציבה. אם שכבת הכבד הצפופה ביסוד פחות צפופה, שכבת האור אז המערכת היא יציבה: הפרעות לממשק יציבות, שוחזר על ידי כוח הכביד, וגלים עשויים להיות נתמכים על הממשק. אם שכבת כבד שכבות שכבת האור אז המערכת אינה יציבה ו פרעות אל grow הממשק. חוסר יציבות נוזל יסוד זו היא חוסר יציבות ^{7 ריילי-טיילור, 8.} בדיוק אותו חוסר היציבות הזה עלול להיות שנצפה מערכות שאינן מסתובבות מואצים לקראת השכבה הכבדה. בשל אופיו הבסיסי של חוסר היציבות הוא ציין בתזרים רב מאוד כי גם להשתנות במידה רבה בקנה מידה: מתופעות סרט דק בקנה מידה קטנה ⁹ לתכונות מידה אסטרופיסיקאליות שנצפו, למשל, ערפילי הסרטןEF "> 10, שבו מבנים דמויי אצבע הם נצפו, נוצרו על ידי רוחות פולסר שיואץ שאריות סופרנובה צפופות. זוהי שאלה פתוחה היא כיצד חוסר יציבות ריילי-טיילור ניתן לשלוט או משפיע פעם הבדל הצפיפות היציב הראשוני היה אפשרות הוקמה ב ממשק. אחת היא לשקול סיבוב הארי של המערכת. מטרת הניסויים היא לחקור את השפעת הסיבוב על המערכת, והאם זו יכולה להיות דרך כדי ייצוב.

אנו רואים מערכת נוזל שמורכבת ריבוד יציבה דו שכבתית כבידתית כי כפופה סיבוב קבוע על ציר מקביל לכיוון הכח הכביד. הפרעות כדי ריבוד צפיפות דו שכבתית יציבה מובילות דור baroclinic של ערבוליות, כלומר, התהפכות, על קו התפר, נוטים התפרקות כל מבנים אנכיים. עם זאת, נוזל מסתובב ידוע יתארגן אנכי רח קוהרנטיתructures מיושר עם ציר הסיבוב, מה שנקרא 'עמודות טיילור' ^11. לפיכך המערכת תחת החקירה עוברת תחרות בין ההשפעה המייצבת של הסיבוב, כי מארגן את הזרימה לתוך מבנים אנכיים ומניעת שתי שכבות התהפכות, ואת ההשפעה המערערת של הנוזל הצפוף שמעל נוזל ההצתה שיוצר תנועת התהפכות על הממשק . עם שיעור סיבוב הגדיל את היכולת של שכבות הנוזלות להעביר רדיאלית, עם חוש מול זה לזה, על מנת לארגן מחדש את עצמם לתוך תצורה יציבה יותר, היא עצורה יותר ויותר על ידי משפט טיילור-Proudman ^{12, 13:} תנועת המחוגים מצטמצמת ואת המבנים ציינו כי יתממשו כמו חוסר יציבות המפתחת הם קטנים בקנה מידה. תאנה. מופעים 1 איכותי השפעת הסיבוב על המערבולות נוצרות כאשר היציבות מתפתחת. בתוך התמונה ביד שמאל אין סיבוב הזרימה היא קירוב לאי יציבות קלאסית הלא מסתובבת ריילי-טיילור. בתמונת יד ימין את כל הפרמטרים של הניסוי זהים תמונה ביד שמאל חוץ מזה המערכת מתבצעת לסובב סביב ציר אנכי מיושר עם המרכז של הטנק. ניתן לראות כי ההשפעה של הסיבוב היא להפחית את גודל המערבולות כי נוצר. זה, בתורו, גורם לחוסר יציבות שמתפתח לאט יותר מאשר עמיתו הלא מסתובב.

ההשפעות המגנטיות שמשנות את טנזור המאמץ בנוזל עשויות להיחשב מתנהג באותה הצורה כמו שדה הכביד שונה. לכן אנחנו מסוגלים ליצור ריבוד יציב כבידתית ומסובב אותו לתוך סיבוב גוף מוצק. כוחות הגוף המגנטי שנוצר על ידי הטלת השדה המגנטי שיפוע אז לחקות את השפעת שינוי שדה הכבידה. זה הופך את הממשק היציב כך Beha מערכת הנוזליםves, כדי קירוב טוב, כמו חוסר יציבות קלאסית ריילי-טיילור תחת סיבוב. גישה זו כבר ניסתה בעבר בשני ממדים ללא סיבוב ^{14, 15.} עבור שדה מגנטי שיפוע להחיל עם B שדה מגנטי מושרה, כוח הגוף להחיל נוזל של χ רגישות נפח מגנטי הקבוע ניתן על ידי f = גראד (χ B ² / μ _0), שבו B = | B | ו μ ₀ = 4π × 10 ^-7 NA ^-2 היא החדירות המגנטית של מקום פנוי. ניתן אפוא לשקול המגנט כדי לתפעל את המשקל היעיל של כל שכבה נוזלת, שבו המשקל היעיל ליחידת נפח של נוזל של ρ צפיפות בשדה הכבידה של g הכח ניתן על ידי g ρ - χ (∂ B ² / ∂ z ) / (2 μ _0).

Protocol

הערה: הציוד המשמש לניסויים מוצג באופן סכמטי באיור. 2. החלק העיקרי של מנגנון מורכב של פלטפורמה מסתובבת (300 מ"מ × 300 מ"מ) רכוב על גליל נחושת (בקוטר 55 מ"מ) היורד תחת כובד משקלו לתוך שדה מגנטי חזק של מגנט מוליך (1.8 T) עם חדר טמפרטורה נושא אנכי. הפלטפורמה נעשית כדי לסובב באמצעות מנוע מחוץ ציר שהופך תלושות נושאות עם פתח חור מנעול. הגליל נחושת מחובר פיר מפתח בצורת כונן שמסתובב זמנית, ויורד פעם החזקת פיני מוסר.

1. הכנת ציוד Non-Standard

1. סירת הנפקה
   1. הפוך את גודל הסירה כך שהוא מתאים בנוחות בתוך הטנק הניסיוני בלי לגעת הצדדים.
      הערה: ספינת ההנפקה (. ראה איור 3) מורכבת קירות קלקר ובסיס ספוג.
   2. הגן על הספוג בשכבת stנייר טישו רונג.
      הערה: מטרת נייר הטישו היא להפיג עד כמה מומנטום אנכי מן הנוזל שפך לתוך הסירה ככל האפשר.

2. הכנת הניסוי

1. הכין שכבות נוזלות
   1. אפשר מים מזוקקים לבוא עד לטמפרטורת מעבדה (22 ± 2 ° C). כ 650 מ"ל נדרש עבור כל מימוש ניסיוני.
      הערה: כדי לאפשר את זרימת התערובת לאזן מונעת היווצרות של בועות בניסוי בשל exsolving אוויר.
   2. הפרד את המים המזוקקים לתוך כמויות שווות בשני מיכלים נפרדים, A ו- B, אשר ישמשו כדי להכין נוזל עבור השכבה תחתונה הצפופה שכבה עליונה אור בהתאמה.
   3. הכנה אקס-באתרו של שכבה תחתונה צפופה. כדי תוכן של מיכל:
      1. להוסיף NaCl כדי להשיג ריכוז של 0.43 mol NaCl לליטר מים (כ 25 גרם של NaCl לליטרמים יידרשו);
      2. להוסיף 0.33 גר 'אדום וכחול צבעים-התחקות מים למכל השכבה התחתונה (למשל, קול-בן זוג 00,295-16 & -18);
      3. להוסיף 0.1 גרם ל ^-1 נתרן והעמסה.
         הערה: השכבה התחתונה תהיה עכשיו להיות אטום במראה יש צפיפות של כ 1012.9 ± 1.2 קילו מ ^-3.
   4. הכנה אקס-באתרו של השכבה העליונה אור. לאמור מיכל B:
      1. להוסיף MnCl ₂ מלח כדי להשיג ריכוז של 0.06 mol MnCl ₂ לליטר מים (כ 12 גרם של MnCl ₂ לליטר מים).
         הערה: השכבה העליונה תהיה שקופה במראה יש צפיפות של כ 998.2 ± 0.5 קילו מ ^-3.
   5. כדי לגוון את הצמיגות של השכבות הנוזלות, להוסיף גליצרול C ₃ H ₈ O ₃ בסכומים שווים לכל שכבה עד הצמיגות הרצויה מושגת. viscositie האופייניתs שקר בטווח 1.00 × 10 ^-3 - 21.00 × 10 ^-3 אבא של. הצמיגות של כל שכבה זהה.
      הערה: תערובות ניתן לאחסן בבטחה במיכלים נפרדים שלהם עד לרגע השימוש.
   6. הכנה אקס-באתרו של ריבוד צפיפות.
      1. הוספת 300 מ"ל של תכולת מיכל למיכל הפנימי גלילי (ראה איור. 2).
      2. לטבול את הספוג של סירת ההנפקה בנוזל מהמכל B.
         הערה: לאחר (2.1.6.2) ההליך הוא בתקופה רגישה, ועל כן אין לבצע כל צעדים נוספים עד שכל המגנט תאורה, הקלטה ומנגנונים מכניים מוכנים.
      3. הרם את סירת ההנפקה מתוך המכולה B ו-, כשזה הפסיק לטפטף, למקם את סירת ההנפקה בזהירות על גבי השכבה של נוזל סמיך במכל הגלילי הפנימי.
      4. מתחיל להוסיף נוזל אור שכבתי מהמכל B לסירת ההנפקה בקצב זרימה של3 מ"ל / דקה. בהדרגה להגדיל את שיעור הזרימה הזו כשהסירה הנפקה מרים הרחק ממשק בין שתי השכבות. לשמור על קצב איטי מספיק לזרום שהממשק אינו מופרע על ידי התאוצה המוגברת של זרימת הנוזל, אבל מהר מספיק כי תהליך זה לוקח לא יותר מ -20 דקות. שמור מילוי עד השכבה העליונה מכילה 320 מיליליטר של נוזל.
         הערה: השכבה התחתונה תהיה בעומק של כ 33 מ"מ, ואת השכבה העליונה תהיה בעומק של כ 39 מ"מ.
      5. הורד בזהירות את מכסת פייברגלס לתוך השכבה העליונה כך במעמקי השכבה של כל שכבה שווים. אפשר נוזל לאוויר לזרום דרך החורים לדמם, להבטיח כי אין אוויר לכוד מתחת. שימו שכבה (כ. 6 מ"מ) של נוזל שכבת אור בהיר על גבי מכסה פרספקס.
         הערה: אם התהליך הצליחה תהיינה שתי שכבות של נוזל עומק שווה עם ממשק חד ביניהם. העובי של שכבת דיפוזיה על הממשק יהיה פחות מ -2 מ 'מ 'בשלב זה.
   7. מלא את המכל החיצוני עם מים מזוקקים ברורים עד לגובה 6 מ"מ מעל המכסה פייברגלס של המכל הפנימי. לאחר התבוננות מרובעת על לא תהיה פרלקסה הנגרמת עקמומיות הנובעים מיכל הגלילי הפנימי.
      הערה: מאז נוזלים בכל שכבה הם לשדר ללא הרף על פני הממשק בשלב זה, יש לפנות מייד את הפעולות הבאות.
2. ספין-אפ של ריבוד
   1. מניחים את מיכל ניסיוני על הרציף.
   2. מקם את ההסדר עם גליל הנחושת הנישאת של המגנט, פיר הכונן דרך פתח חור המנעול במסלול ופין ההחזקה בעמדה. ודא כי המיכל הוא רחוק (60 ס"מ) מן מגנט כזה כי כוחות מגנטיים על נוזלים הם זניחים בעמדה זו.
      הערה: נשיאת טנק ניסיוני המכיל את ריבוד מציגה מעט קשיים; משרעת ארוכה, נמוכה, גליים משתכשכים להגדיר על ידי הליכה עם המיכל הדואר יתפרק משם, שיש להם השפעה זניחה על איכות הממשק המושג כאשר צפו השכבה העליונה על.
   3. הפעל את המנוע, להגדיל את שיעור סיבוב ב 0.002 rad s ^-2, מסובב את הנוזל לשיעור הסיבוב הרצוי. לקבלת שיעורי הסיבוב ¹⁶ זמן הספין-אפ היה הצו 20 דק '- דקות 60.
      הערה: שיעור הסיבוב המהיר ביותר היה בשימוש ^-1 s 13.2 rad.

ביצוע 3. ניסוי

1. ודא המגנט מורה על עוצמת השדה של 1.2 T, וכי בשיא שבו חוסר היציבות הוא יזם את שיפוע השדה הוא (גראד B ²⁾ / 2 = -14.3 T ² מ ^-1, שבו B הוא השטף המגנטי .
2. ודא כי מצלמת הווידאו מסודרת כזה שכאשר פיר הכונן נמצא בעמדה הנמוכה ביותר גם בתצוגה בצד של הניסוי היא בפוקוס, או נוף תכנית הוא בפוקוס באמצעות pl במראהaced מעל הניסוי.
3. ודא התאורה המפוזרת היא ברמות הנכונות, כך שאף אחד בתמונה שצולמה באמצעות המצלמה רוויה, אך שהתגובה המלאה משמשת (עוצמות בגוונים אפורות בטווח 0-255).
4. בגין הקלטת וידאו (240 fps). השתמש בשלט רחוק כדי למנוע הזזת המצלמה תוך הפעלת פונקצית השיא.
5. הסר את פין ההחזקה, המאפשר הטנק לרדת, תוך כדי סיבוב, לתוך השדה המגנטי.

4. ניסוי איפוס

1. איפוס אסדת ניסיוני
   1. השתמש בשלט הרחוק כדי להפסיק את הקלטת וידאו.
   2. שמור את קובץ הסרט לדיסק.
   3. ביד, להנמיך את המתח של המנוע כך שהוא מאט לנקודת קיפאון. בצע את זה בהדרגה כדי למנוע spillages.
   4. סר הסדר ניסיוני מן המגנט.
   5. השלך את שכבות נוזל המעורבות כראוי (ראה מנגנים כלוריד tetrahydrate MSDS).
   6. יש לשטוף את המיכל עם מים (זהלא צריך להיות מזוקק), עד שכל העקבות של מלחים נשטפו. יש להימנע ממגע העור ישיר עם נוזלים.
   7. לייבש את הטנק בקפידה בנייר טישו, כדי לוודא ששום שאריות שנשארו עלול לזהם בניסויים הבאים.

עיבוד תמונה 5.

1. חלץ את התמונות הבודדות מתוך כל מסגרת סרט ולשמור lossless .png. להסוות את כל אזורים לא רצויים של כל מסגרת, למשל צילינדר הפלטפורמה או נחושת.
2. חישוב הפונקציה דו ממדי אוטומטי מתאם ¹⁶ של כל מסגרת תמונה עבור 2 שניות לאחר תחילת חוסר היציבות באמצעות פורייה מהירה דיסקרטית מרה. רשום את המינימום, כלומר, ואת הערך מקסימאלי של הגל שנצפה עבור קצב סיבובה של הניסוי ואת הצמיגות של השכבות הנוזלות.

Representative Results

תאנה. 4 מציג את ההתפתחות של אי יציבות ריילי-טיילור על הממשק בין שני הנוזלים, במשך ארבעה שיעורי סיבוב שונים: Ω = 1.89 rad s ^-1 (בשורה העליונה), Ω = 3.32 rad s ^-1, Ω = 4.68 s rad ^{- 1,} ו Ω = 8.74 rad s ^-1 (בשורה התחתונה). הממשק מוצג מתפתח בזמן מן t = 0 s (העמודה הימנית) בקפיצות של 0.5 s ל- t = 3.0 s (בעמודה הימנית). בעמודה הימנית ולכן מייצג 0.90, 1.59, 2.23, ו 4.17 מהפכות מלאות בהתאמה מלמעלה בשורה תחתונה.

במועדים מוקדמים (t ~ 0.5-1.0 ים) הפרעות לממשק ניתן לראות אשר מציגה בקנה מידת אורך דומיננטי. מבנים דמויי לחמניות הסעה דמוי נחש ¹⁷ ניתן לצפות. למרות במרכז הטנק הופך יציב הראשון אין ברורייזום במרכז הטנק; חוסר היציבות, כדי קירוב טוב, היא יזמה ברחבי במידה השלמה של הטנק. (בקצב הסיבוב הגבוה ביותר כמה השתקפות אסדת התאורה ניתן לצפות, זה בלתי נמנע עם התצורה המיושמת מתרחש עקב העקמומיות של פני השטח ללא הנוזל מעל מכסה המכל.)

ניכר כי עם עלייה בקצב סיבוב, חוסר היציבות שנצפתה ירידה בקנה מידה אורך. בשיעורי הסיבוב הנמוכים השבילים ואחריו מבני ההפרעה הראשוניים יש סטייה רדיאלי משמעותית, פתלתל לכיוון מרכז הטנק בחזרה אל הקירות הצדדיים שוב. בשיעורי הסיבוב הנמוכים חוסר היציבות היא יותר הסלולר מאשר מתפתל. ככל ששיעור הרוטציה הוא הגדיל את ההפרעות הראשוניות הסלולר לא הוא ציין עוד ומבנה מתפתל דמוית יותר מופיע. עם סיבוב הגדלה לדרג את רוחב המבנה אלההים פוחת. זה יכול להיות גם ציין כי כמות המתפתל רדיאלי יורדת מדי. ניתן לראות כי עבור שיעורי הסיבוב לעין, חוסר יציבות מפתחת רדיאלית ראשונה עם פרעות azimuthal נעשו מודגשות יותר ככל שזמן מתפתח. עד t ≈ 3.0 s קשה להבחין בם מבנים התעוררו בשל רדיאלי או הפרעות azimuthal.

תצפית המפתח מהתמונות היא כי בקנה מידת אורך הנצפה של המבנים הוא קטנה עבור שיעורי סיבוב גדולים. אנחנו יכולים גם לראות את הכוח של הטכניקה כי חוסר היציבות אינה מתפתחת מסדין מערבולת נוצר על ידי הסרת הנעילה.

תאנה. 5 מציג תמונות מתוך סדרה של ניסויים שמירה על סיבוב בריבית קבועה (Ω = 7.8 ± 0.1 rad s ^-1), אבל שינוי צמיגות הנוזל. היחס בין הצמיגות של כל t שכבה לעומתo את הצמיגות של המים, μ / μw, נע בין 1.00 (בשורה העליונה) כדי 20.50 (בשורה התחתונה) ואת הזמן של כל תמונה שונה בין t = 0 s (בעמודה השמאלית) ל- t = 1.5 s (בעמודה הימנית). ניכר כי כמו הצמיגות של שתי שכבות הוא גדל גדל בקנה מידת האורך ציין. במקרה הצמיג ביותר לראות את קנה מידת אורך הנצפה הוא כ 18 מ"מ לעומת הסולם אורך 6 מ"מ שנצפה המקרה לפחות הצמיגה. כמו כן, ניתן לראות כי במקרה הצמיג ביותר נראה שיש שפעת קיר חזקה. אנו צופים מגמה כללית מן קצר לאי יציבות באורכי גל ארוכה יותר כמו צמיגות מוגברת.

את אי היציבות שנצפתה יש אורך גל שמשתנה לאט לאורך זמן ואשר אנו מודדים באופן ניסיוני באמצעות אוטומט מתאם של כל תמונה בסרט של הניסוי. The-המתאם האוטומטי מחושב מתוך פורה מהירה ודיסקרטי דו ממדי Transform של עוצמת התמונה. אוֹראזורים של התמונה מייצגים פסגות בחוסר היציבות, ואזורים כהים מצביעים שקתות. לכל היותר ב המתאם האוטומטי הוא אפוא מידה של אורך גל חוסר היציבות כי הוא בעל חשיבות עליונה כמו יחס הפיזור לחוסר יציבות ריילי-טיילור עולה כי קצב הצמיחה של מצב נתון של חוסר יציבות תלוי באורך הגל שלו. תאנה. 6 מציג מדידות נציג של אורך הגל הנצפה של חוסר יציבות עבור משתנה שיעורי סיבוב. אנו צופים כי ככל ששיעור הסיבוב מגדיל את אורך הגל של חוסר יציבות הנצפה יורד רף נמוך יותר של 6 מ"מ כ עבור שיעורי סיבוב גדולים יותר כ -4 rad s ^-1.

איור 1: השפעה איכותית של סיבוב על חוסר יציבות ריילי-טיילור. התמונה בצד שמאל הוא של i לפתח חוסר יציבות ריילי-טיילורנה הלא סיבוב התצוגה במערכת. חוסר יציבות המפתחת בזמן, ויצרה מערבולות גדולות להובלה 'הצפוף' (הירוק) מטה הנוזל. התמונה בצד ימין הוא מאותו נוזלים, ולכן באותו חוסר היציבות הכבידה / מגנטי, אבל כאן במערכת מסתובבת. השפעת הסיבוב ניתן לראות להגביל את גודל מערבולות יוצרות ומעכב את התחבורה האנכית בתפזורת של נוזל. הזמנים המוצגים הם 1.92 s ו- 3.52 s לאחר תחילת בצד שמאל בצד ימין בהתאמה. קוטר הטנק הוא 90 מ"מ, ושיעור הסיבוב בתמונה הימנית היה 2.38 rad s ^-1. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2: הגדרה ניסויית. CYטנק lindrical מכיל שתי שכבות הנוזלות. מכסה Lucite יוצר מכסה מוצק עבור שתי השכבות. נוזל מעל המכסה מסייע להסיר השתקפויות בוהקות מן Lucite. הטנק הגלילי נטבל במים מזוקקים בתוך טנק חיצוני מלבני. טנקים אלה מונחים על מצע וסובב-עד מעל המגנט שבו הכוחות המגנטיים הם זניחים. הפלטפורמה הוא הסתובב על ידי מנוע מחוץ למרכז החלפת נושאות תלושה בצורת חור מנעול. כדי להתחיל את הניסוי, את הסיכה יוסר הניסוי יורד תחת כובד משקלו לתוך השדה המגנטי, מסתובב בו זמנית. (נתון זה יש הבדל בין ^16.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3: הנפקה "סירה". הסירת הנפקה נעשית על ידי חמת הדבקת שכבה ספוגה צפופה (צהובה) לחלק התחתון של קירות קלקר (אפור) כדי לבצע "סירה". הנוזל השכבה העליונה האור יהיה מפוזר לאט דרך הספוגית, צף על גבי השכבה התחתונה צפופה עם ערבוב מינימלי בין שתי השכבות. הריבוד ניתן לשפר עוד יותר על ידי נחת שכבת נייר טישו (כחול) על גבי השכבה הספוגה להמשיך לפזר את המומנטום של שכבת נוזל אור הנכנסת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4: רצף של תמונות של חוסר היציבות בפיתוח מהסדרה השנייה של ניסויים מדגימים את ההשפעה של קצב סיבוב גובר. שיעורי עליית סיבוב מתוך Ω = 1.89 rads ^-1 בשורה העליונה כדי אוהם = 8.74 rad s ^-1 בשורה התחתונה. הזמנים המוצגים נמדדים מהרגע כי תחילתה של חוסר יציבות הוא ציין. סרגל סולם מציגה אורך של 10 ס"מ בצעדים של 1 ס"מ. הקוטר של העיגול השחור מייצג אורך 10.7 ס"מ. (נתון זה יש הבדל בין ^16.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5: רצף של תמונות מראות את ההשפעה של משתנה צמיגות הנוזל על חוסר היציבות. שיעור הסיבוב נקבע ל Ω = 7.8 ± 0.1 rad s ^-1 עבור כל ניסוי, ואת הזמן שמוצג היא במרווחים של 1.5. השורה האמצעית מראה את חוסר היציבות במערכת כי יש צמיגות כ8.36 מזו של מים. בשורה העליונה את הצמיגות של המערכת היא כ 20.50 מזו של מים. ניתן לראות כי אורך הנצפה של עליות סולם חוסר יציבות עם הגדלת צמיגות הנוזל. סרגל סולם מציגה אורך של 10 ס"מ בצעדים של 1 ס"מ. הקוטר של עיגולים שחורים מייצג אורך 10.7 ס"מ. (נתון זה יש הבדל בין ^16.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6: אורך גל הנצפה הדומיננטי בתחילת חוסר היציבות. אנו מבחינים סף נמוך יותר עבור בקנה מידה של חוסר יציבות על כ 6 מ"מ עבור כל שערי סיבוב גדול יותר כ -4 rad s ^-1. ברי השגיאה מצביעים מינימום ומקסימום נמדדאורך גל מעל 2 s הראשון לאחר ההתחלה של חוסר היציבות. (נתון זה יש הבדל בין ^16.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

ישנם שני שלבים קריטיים בתוך הפרוטוקול. הראשונה היא 2.1.6.4. אם אור השכבה הוא צף על השכבה הצפופה מדי במהירות ואז ערבוב בלתי הפיך של שתי שכבות נוזל בליל מתרחש. זה חיוני כי זה הוא נמנע וכי ממשק חד (<2 מ"מ) בין שתי השכבות מושגת. השלב הקריטי השני הוא 3.1.5. אם הניסוי הוא שוחרר לכיוון המגנט מבלי סובב במלואן לתוך סיבוב גוף מוצק או בלי המנגנון הלכיד להדמיה ותמונה בעמדה על מתנה ואז לחזור על התהליך (2.1.6).

הרכב של שכבות נוזל, עוצמת השדה המגנטי ואת ביצועי המנוע יכול כל להיות מאומת לפני תחילת להפוך את ריבוד (2.1.6). רוב הקשיים המעשיים ולכן ניתן לפתור לפני תחילת כל ניסוי נתון. מצאנו וריאציה קצרה ובלתי רצויה מהירות ממוצא לשדה המגנט עם זאת. בדרך כלל, r מהרניסויי otating לרדת מעט יותר לאט לתוך השדה המגנטי מאשר ניסויים מסתובבים לאט. זה עשוי להיות נחוץ כדי לשנות את הנושאות התלושות אף מצאנו שימון לא עזר להפחית את השתנות מהירות ירידה. מצאנו כי הצבת משקל קטן (לא מגנטי) בפלטפורמה אפשרה לנו להגיע למהירויות ממוצא עקביות של 10 ± 1 מ"מ s ^-1 עבור כל הניסויים.

המגבלה העיקרית של המנגנון היא שהשדה המגנטי לא ניתן ליישם באופן מיידי; המגנט מוליכי דורש 1-2 שעות כדי להמריץ. באופן אידיאלי, ברגע שכבות נוזל הם הסתחררו-עד שניתן היה להשתמש בהם באופן מיידי שדה מגנטי אחיד חזק למיכל כדי לעורר את חוסר היציבות. מסיבה זו, בניסוי הזה, הטנק הונמך ב מהירות אחידה לתוך השדה המגנטי.

למרות הצורך בהורדת הניסוי לתוך השדה המגנטי, טכניקה זו יש מספר יתרונות על פני הוקםשיטות. השיטה היא גם חלקה, בניגוד לשיטות טילים ^2, ואינה דורשת מנעול, כמו עם שיטות LEM ^3, אבל בניגוד לשיטות לשחרור מנעולים. זהו יתרון משמעותי מסתובב זרימת ריילי-טיילור כמדינה הראשונית הסובבת-אפ של שכבות נוזל בעל ממשק פרבולואידי. יתר על כן, על ידי כך שלא מנעול הקשיים הקשורים גיליון המערבולת הנחיל מושרה על ידי נעילת הסרת נמנעים. אנו מאמינים הניסויים שלנו להיות המימוש הניסיוני הראשון של ההשפעות של סיבוב על חוסר יציבות ריילי-טיילור.

הטכניקה שלנו פותחה במטרה יישומים המכניקה הקלאסית נוזל עד כה. השתמשנו נוזלים פאראמגנטיים ו diamagnetic חלושות כדי לתפעל את המשקל היעיל של חבילות נוזלות. יש לנו, עד כה, הצליחו אפוא לשקול את השדה המגנטי ואת המכניקה זורמת להיות דה מצמיד. כיוונים אפשריים למחקר עתידי באמצעות טכניקה זו includדואר לאור ההתנהגות של ferrofluids ואת האינטראקציה שלהם עם השדה המגנטי יציבות הגדרת ריילי-טיילור מסתובבת, לאן זה דה-מצמד אינו תקף עוד.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Blue water tracing dye	Cole-Parmer	00295-18
Red water tracing dye	Cole-Parmer	00295-16
Sodium Chloride			>99% purity
Manganese Chloride Tetrahydrate			See MSDS
Fluorescein sodium salt
Magnet	Cryogenic Ltd. London