Abstract
Rayleigh-Taylor istikrarsızlık araştırılması için klasik teknikler ağırlık etkili yönünü tersine çevirmek ve yoğun sıvının doğru hafif sıvı hızlandırmak için sıkıştırılmış gazlar 1, roketçiliğin 2 veya doğrusal elektrik motorları 3 kullanılması yer alıyor. Diğer yazarlar, örneğin 4, 5, 6 akmayı başlatmak için kaldırıldığında, bir bariyer ile çekimsel olarak kararsız tabakalaşma ayırmıştır. Bununla birlikte, bir döner tabakalaşma bir örnekte, parabolik başlangıç arayüz deneysel önemli teknik sorunlar getirmektedir. Biz Rayleigh-Taylor istikrarsızlık üzerine dönme etkilerini araştırmak amacıyla akışını katı cisim rotasyon içine tabakalaşma-spin ve ancak ondan sonra başlatmak mümkün olmasını diliyorum. Burada benimsedik yaklaşım manyetik alanı kullanmaktırBir süperiletken mıknatıs akışını başlatmak için iki sıvının etkili ağırlığını işlemek için. Biz standart yüzdürme teknikleri kullanılarak bir kütleçekimsel istikrarlı iki katmanlı tabakalaşma oluşturmak. Üst katmanı, alt katmanın daha az yoğun ve böylece sistem Rayleigh-Taylor kararlıdır. Her iki tabakalar katı vücut rotasyonu olana Bu tabakalaşma sonra yukarı bükülmüş ve bir parabolik bir arayüz görülmektedir. | Χ | Bu deneyler, düşük manyetik duyarlılık, birlikte sıvıları kullanmak ~ 10 -6 - Bir ferrofluid kıyasla 10 -5. manyetik alanın baskın etkisi etkili ağırlık değişen her katman bir vücut kuvvet uygular. Üst tabaka zayıf olan alt tabaka, zayıf diamanyetik ise paramanyetik. Manyetik alan uygulandığında, üst tabaka mıknatıs doğru çekilir ise, alt katman mıknatıs tarafından itilir. Bir Rayleigh-Taylor instabilite yüksek gradyan manyetik alanın uygulanması ile elde edilir. Biz daha o inc gözlendiHer bir katmanın sıvı dinamik viskoziteye reasing, instabilite uzunluk ölçeğini arttırır.
Introduction
İki tabakadan oluşan bir yoğunlukta tabakalı sıvı sistemi stabil veya stabil olmayan bir düzenleme içinde, bir çekim alanında ayarlanabilmektedir. arayüzüne tedirginlikler yerçekimi tarafından restore istikrarlı ve dalgalar arayüzünde desteklenir edilebilir: yoğun ağır katman daha az yoğun, ışık tabakası altında yatan o zaman sistem stabildir. ağır katman ışık tabakası bindirmeleri Eğer sistem kararsız ve arayüz büyümeye tedirginlikler. Bu temel sıvı istikrarsızlık Rayleigh-Taylor istikrarsızlık 7, 8. Kesinlikle aynı istikrarsızlık ağır katmanda doğru hızlanır dönmeyen sistemlerde görülebilir. Küçük ölçekli ince film olayların 9'dan gözlenen astrofizik ölçekli özellikleri, örneğin, yengeç nebula için: nedeniyle de ölçekte büyük ölçüde değişir pek çok akımlarında gözlenen istikrarsızlık temel doğasıpulsar rüzgarlar tarafından oluşturulan parmak benzeri yapılar görülmektedir ef "> 10, yoğun süpernova kalıntıları ile hızlanır. Bu ilk dengesiz yoğunluk farkı olmuştur kez Rayleigh-Taylor istikrarsızlık kontrol edilen ya da nasıl etkilenebileceği konusunda açık bir sorudur bir arayüz kurulan. bir olasılık sisteminin toplu dönüşünü ele almaktır. deneylerin amacı sistemine dönme etkisini araştırmaktır ve bu istikrar bir yol olabilir ister.
Biz, çekim doğrultusuna paralel bir eksen etrafında sürekli bir rotasyona tabi olan bir iki tabakalı yerçekimsel kararsız tabakalaşma oluşan bir akışkan sistemi düşünün. Dengesiz iki-katmanlı yoğunluğu tabakalaşma göre bir karışıklık kırılma kadar herhangi bir dikey yapı eğilimi, ara yüzeyde, devrilme, örneğin girdap bölgesinin Baroklinik üretimi, yol açar. Ancak, dönen akışkan tutarlı dikey st kendisini organize etmek bilinmektedirdönme ekseni ile hizalanmış tiriyoruz 'Taylor, sütun' 11 olarak adlandırılan. Bu nedenle soruşturma altında sistem dönme stabilize etkisi arasındaki rekabeti uğrar, dikey yapılar içine akışını organize etmek ve devrilme iki katmandan önlenmesi ve yoğun sıvı istikrar bozucu etkisi arayüzünde bir devrilme hareketi oluşturur hafif sıvı örten olduğunu . Artan dönme hızıyla daha kararlı bir yapılandırma kendilerini yeniden düzenlemek amacıyla, birbirlerine zıt anlamda, radyal olarak hareket ettirilmesi için akışkan tabakalar kabiliyeti giderek Taylor-Proudman teoremi 12, 13 tarafından inhibe edilir: Radyal hareket azalır ve istikrarsızlık geliştikçe hayata gözlenen yapılar ölçekte küçüktür. İncir. Şekil 1 istikrarsızlık geliştikçe oluşturan girdapların dönme etkisini niteliksel. İçindeSol görüntü yok rotasyon yoktur ve akış klasik dönmeyen Rayleigh-Taylor istikrarsızlığa bir tahmindir. Sağ görüntüdeki bütün deney parametreleri sistemi tankın merkezi ile hizaya dikey bir eksen etrafında döndürülmesi olması dışında sol görüntü ile aynıdır. Dönme etkisi oluşur girdapların boyutunu azaltmak için olduğu görülebilir. Bu da, dönmeyen muadili daha yavaş gelişen bir dengesizlik sonuçlanmaktadır.
sıvı stres tensörünün değiştirme manyetik etki modifiye çekim alanı ile aynı şekilde hareket olarak kabul edilebilir. Bu nedenle bir kütleçekimsel istikrarlı tabakalaşma oluşturmak ve katı vücut rotasyonu içine dönmesi mümkün. gradyan manyetik alan heybetli tarafından oluşturulan manyetik vücut güçleri daha sonra yerçekimi alanını değiştirerek etkisini taklit. Bu arayüz kararsız şekilde sıvı sistemi beha işlerves, dönme altında klasik Rayleigh-Taylor istikrarsızlık gibi iyi bir yaklaşım, için. Bu yaklaşım, daha önce dönme 14, 15 olmadan iki boyutlu olarak denenmiştir. Indüklenen manyetik alan B, uygulanan manyetik alan gradyanı, vücut kuvveti sabit bir manyetik birim duyarlılık kay kare testi bir sıvıya uygulanan F = grad (χ B 2 / μ 0), ile verilmektedir B = | B | ve 0 = 4π × μ 10 -7 NA -2 serbest alan manyetik geçirgenlik olduğunu. Bu nedenle, kuvvet g çekim alanında yoğunluğu r bir akışkanın birim hacmi başına efektif ağırlık ρ g verilen her bir akışkan tabaka, etkin ağırlığı işlemek için mıknatıs düşünebilir - χ (∂ B2 / ∂ z ) / (2 μ 0).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
NOT: Deney aygıtı Şekil l'de şematik olarak gösterilmiştir. 2. aparatın ana bölümü bir döner platforma (300 mm ila 300 mm x) bir oda bir bakır silindir süper-iletken mıknatıs (1.8 T) güçlü bir manyetik alan içine kendi ağırlığı altında iner (55 mm çapında) üzerine monte edilmiş oluşmaktadır sıcaklık dikey delik. Platform anahtar deliği deliğe sahip bir kayma-taşıyan döner eksen dışı motor ile dönmek üzere yapılır. bakır silindir eş zamanlı olarak döner ve tutma-kutuplu çıkartıldıktan sonra iner anahtar şekilli tahrik miline takılır.
Standart dışı Ekipman 1. Hazırlık
- flotasyon tekne
- o tarafları dokunmadan deneysel tankın içinde rahatça oturur şekilde teknenin boyutunu olun.
NOT: yüzdürme tekne (. Bkz 3) polistiren duvarlar ve sünger tabanı oluşur. - st bir tabaka ile sünger korumaRong kağıt mendil.
NOT: kağıt mendil amacı mümkün olduğunca teknenin içine dökülür sıvıdan kadar dikey ivme dağıtmak etmektir.
- o tarafları dokunmadan deneysel tankın içinde rahatça oturur şekilde teknenin boyutunu olun.
Deney 2. Hazırlık
- Sıvı tabakaların hazırlanması
- Damıtılmış su laboratuar sıcaklığında (22 ± 2 ° C) kadar çıkmasına izin verin. Yaklaşık olarak 650 ml her bir deney gerçekleşmesi için gereklidir.
NOT: Karışım dengeye gelmesini sağlamak nedeniyle hava exsolving için deneyde kabarcıklarının oluşumunu engeller. - Sırasıyla, yoğun alt tabaka ve hafif bir üst katman sıvısı hazırlamak için kullanılacak iki ayrı kaplar, A ve B, eşit hacimlerde damıtılmış suyun ayırın.
- Yoğun alt tabakanın ex-situ hazırlanması. Kabının içeriği için:
- litresi başına NaCI (yaklaşık 25 g su litresi başına 0.43 mol NaCI konsantrasyonu elde etmek için NaCl ilavesu) gerekli olacaktır;
- Alt tabaka kabına 0.33 g kırmızı ve mavi su izleme boyalar ekleyin (örneğin Cole-Parmer 00295-16--18);
- 0.1 g ilave edin -1 floresein sodyum.
Not: Alt tabaka artık olabilir görünüm opak yaklaşık 1012,9 ± 1,2 kg m 3 arasında bir yoğunluğa sahip olacaktır.
- Işık üst tabakanın ex-situ hazırlanması. Kap B içeriği için:
- Su litresi başına MnCl2 (litre suya MnCI2, yaklaşık 12 g), 0.06 mol bir konsantrasyon elde etmek için MnCl2 tuz ilave edilir.
Not: Üst tabaka görünüm saydam olması ve yaklaşık 998,2 ± 0.5 kg m 3 arasında bir yoğunluğa sahip olacaktır.
- Su litresi başına MnCl2 (litre suya MnCI2, yaklaşık 12 g), 0.06 mol bir konsantrasyon elde etmek için MnCl2 tuz ilave edilir.
- Arzu edilen viskoziteye ulaşılana kadar sıvı tabakaların viskozitesini değiştirmek için, her bir katman eşit miktarlarda gliserol C3 H 8 O 3 ekleyin. Tipik viscositiearalığında 1.00 × 10 -3 s yalan - 21.00 × 10 -3 Pa. Her bir katmanın viskozitesi aynıdır.
NOT: Gereken kadar karışımlar güvenli bir şekilde ayrı kaplarda muhafaza edilebilir. - Yoğunluk tabakalaşma ex-situ hazırlanması.
- Silindir biçimindeki iç tanka kabının içeriği 300 mL (Şek. 2).
- Konteyner B sıvıdaki yüzdürme teknenin sünger daldırın.
NOT: (2.1.6.2) işlem süresi duyarlı Sonuçta mıknatıs ve aydınlatma, kayıt ve mekanik mekanizmalar hazır olana kadar, yani başka adımları uygulayın yoktur. - Dikkatle iç silindirik tank içinde yoğun sıvı tabakasının üstüne flotasyon tekne koyun, damlama durduğunda, konteyner B dışarı yüzdürme tekne kaldırın ve.
- Bir akış hızında flotasyon tekne konteyner B ışık tabakalı sıvı ekleme başlayın3 mL / dakika. yüzdürme tekne iki katman arasındaki ara uzakta asansörleri yavaş yavaş bu akış hızını artırır. Arabirim sıvı akışı artan ivme ile rahatsız, ancak bu süreç en fazla 20 dakika alır yeterince hızlı olmadığını yavaş yeterince akış hızını korumak. Üst tabaka sıvı 320 mL içeren kadar doldurarak devam edin.
Not: Alt tabaka yaklaşık 33 mm'lik bir derinlikte olacaktır, ve üst tabaka, yaklaşık 39 mm derinlikte olacaktır. - Dikkatle her tabakanın tabaka kalınlıkları, eşit olduğu gibi, üst tabaka içine Lucite kapağının alt. akışkan ve hava hava altında tuzak sağlanması, kanama deliklerinden akmasına izin verin. Lucite kapağın üstüne bir katman (yakl. 6 mm) berrak ışık tabakası sıvı gözlemleyin.
NOT: İşlemin başarılı olmuşsa aralarında keskin bir arayüz ile eşit derinlikte sıvı iki kat olacak. arayüzde difüzyon tabakasının kalınlığı en az 2 m olacaktırBu aşamada m.
- 6 mm iç tankın lucite kapağının üstünde bir yüksekliğe kadar berrak distile su ile dış doldurun. gözlemleyerek kare-on iç silindir tankı kaynaklanan hiçbir eğrilik kaynaklı paralaks olacak Upon.
NOT: Her tabakada sıvı sürekli bu noktada arayüzü üzerinden difüzyon olduğundan, aşağıdaki adımlara hemen geçin.
- Damıtılmış su laboratuar sıcaklığında (22 ± 2 ° C) kadar çıkmasına izin verin. Yaklaşık olarak 650 ml her bir deney gerçekleşmesi için gereklidir.
- tabakalaşma spin-up
- platformda deneysel tankı yerleştirin.
- mıknatıs, parça ve konumda tutma pin anahtar deliği delikten tahrik milinin delik bakır silindir ile düzenleme yerleştirin. Tank uzakta (60 cm) sıvıların manyetik kuvvetler bu pozisyonda ihmal edilebilir şekilde mıknatıstan olduğundan emin olun.
NOT: tabakalaşma içeren deneysel tankı Taşıma birkaç zorluklar sunar; Uzun, düşük genlikli, sloshing dalgalar th yürüyerek kurmake tankı üst katman yüzen zaman elde arayüzü kalitesi üzerinde önemsiz bir etkiye sahip, uzak bozulacaktır. - Iplik-up sıvıyı istenen dönme oranı, 0.002 rad s -2 dönme hızını artırarak, motora açın. 60 dk - 16 rotasyon oranları için spin-up süresi sipariş 20 dakika oldu.
NOT: Kullanılan en hızlı dönme hızı 13.2 Rad s -1 oldu.
Deney 3. Yürütme
- Mıknatıs 1.2 T bir alan gücünü belirten ve istikrarsızlık alan degrade başlatıldığı hangi yükseklikte ki (grad B 2) olduğundan emin olun B manyetik indüksiyon olduğunu / 2 = -14,3 T 2 m -1, .
- Video kamera tahrik mili en alt konumunda olduğunda, her iki deney yandan görünüşüdür odak, ya da bir plan görünüşüdür ayna pl ile odak olacak şekilde yerleştirilmiş olduğundan emin olunDeneme yukarıdaki aced.
- Emin olun ortam aydınlatma kamera tarafından yakalanan görüntünün hiçbiri doymuş şekilde doğru seviyelerde olduğunu, ancak tam yanıt (0-255 aralığında gri tonlama yoğunluklarda) kullanılması.
- Video kaydını (240 fps) başlar. kayıt fonksiyonunu çalışırken kamerayı hareket önlemek için uzaktan kumandayı kullanın.
- dönerken manyetik alan içine, tank inmeye izin tutma pimini çıkarın.
4. Sıfırlama Deney
- Deneysel teçhizat Reset
- Video kaydını durdurmak için uzaktan kumandayı kullanın.
- diske film dosyasını kaydedin.
- Bu durma yavaşlatır ve böylece elle motora gerilimi daha düşük. dökülen önleyecek şekilde yavaş yavaş bu gerçekleştirin.
- mıknatıs deneysel düzenleme çıkarın.
- uygun karışık sıvı katmanları atınız (Manganez Klorür Tetrahidrat MSDS'i bakınız).
- (O suyla durulayın tankıtuzların tüm izleri yıkanıp edilene kadar), distile edilmesi gerekmez. sıvılar doğrudan cilt temasından kaçının.
- Resim Tortu, daha sonraki deneyler kontamine olabilir bırakılır sağlamak için kağıt mendil ile dikkatli bir şekilde tankı kurutun.
5. Görüntü İşleme
- her film karesinden bireysel imajları ve .png biçiminde kayıpsız olarak kaydedin. Örneğin platform ya da bakır silindir, her bir karenin istenmeyen alanları maske dışına.
- Ayrı bir hızlı Fourier dönüşümü kullanılarak istikrarsızlık başladıktan sonra 2 s boyunca her görüntü karesi, iki boyutlu otomatik bağıntı fonksiyonunu 16 hesaplayın. , Minimum değerlerini de kaydedin ortalama ve deney dönüş hızı ve sıvı katman viskozitesi için gözlenen dalga boyu en fazla bir değer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
İncir. 4, iki sıvı arasındaki arayüzde Rayleigh-Taylor istikrarsızlık gelişimini gösterir dört farklı rotasyon oranları: Ω = 1.89 Rad s -1 (üst satırda), Ω = 3.32 rad s -1, Ω = 4.68 rad s - 1 ve Ω = 8.74 rad s -1 (alt sıra). Interface = 3,0 s (sağ sütun) t = t zamanında 0,5 s'lik artışlarla 0 s (sol sütun) gelişen gösterilmiştir. Sağ kolon, bu nedenle üstten alt satırında sırasıyla 0.90, 1.59, 2.23 ve 4.17 tam tur temsil eder.
Eski zamanlardan (t ~ 0.5-1.0 ler) at arabirimine bir pertürbasyon bir baskın uzunluk ölçeği sergileyen görülebilir. Anımsatan yılan gibi konveksiyon rulo 17 Yapıları görülebilir. tankın merkezi ilk kararsız olma rağmen net vartankın merkezinde başlatılması; istikrarsızlık, iyi bir yaklaşım için, tankın tüm ölçüde boyunca başlatılır. (Aydınlatma teçhizat bazı yansıma gözlemlenebilir yüksek devir sayısında, bu uygulamaya yapılandırmayla kaçınılmazdır ve tank kapağı üzerindeki sıvının serbest yüzey eğriliğine bağlı olarak ortaya çıkar).
Devir sayısında bir artış ile, gözlenen instabilite uzunluk ölçüsünden azaldığı açıkça görülmektedir. Alt rotasyon oranları başlangıç rahatsızlık yapıları tarafından takip yolları tekrar yan duvarlara dışarı tankın merkezine doğru ve geri kıvrımlı, önemli radyal sapma var. en düşük dönüş hızlarında istikrarsızlık serpantin daha hücresel olduğunu. dönme hızı arttıkça hücresel ilk pertürbasyon artık görülmektedir ve bir daha serpantin benzeri bir yapı görünür. artan rotasyon ile bu yapının genişliği oranıs azalır. Aynı zamanda, radyal kıvrımlı miktarı çok azaldığı gözlenebilir. Bu rotasyon oranları gösterilmiştir için, istikrarsızlık azimuthal tedirginlikler zaman geliştikçe daha belirgin hale radyal ilk gelişir, görülebilir. 3,0 sn ≈ zaman t o yapıların nedeniyle radyal veya azimut pertürbasyonuna ortaya çıktığı ayırt etmek zordur.
görüntülerden anahtar gözlem yapılarının gözlenen uzunluk ölçeği büyük rotasyon oranları için küçük olmasıdır. Ayrıca instabilite kilitleme çıkarılmasıyla oluşturulan bir girdap tabakadan gelişmez bu tekniğin gücünü görebilirsiniz.
İncir. 5 sabit dönme hızı (Ω = 7.8 ± 0.1 s-1 rad) tutarak fakat sıvı viskozitesi değişen bir dizi deney ile ilgili görüntüleri gösterir. Her bir katman karşılaştırıldığında T viskozite oranısu, μ / uW viskozitesine o 20.50 (alt satırdaki) 1,00 (üst sıra) arasında değişir ve her görüntünün süresi = 1.5 sn (sağ sütun) t t = 0 s (sol sütunda) arasında değişir. Açıkça görülebileceği gibi, iki tabakanın viskozitesi gözlenen uzunluk ölçeği artar arttıkça. gözlenen uzunluk ölçeği gösterilen en ağdalı durumda en az viskoz durumda gözlenen 6 mm uzunluk ölçeğine göre yaklaşık 18 mm'dir. Ayrıca en viskoz bir durumda, güçlü bir duvar etkisi var gibi görünmektedir olduğu görülebilir. viskozite arttıkça Biz uzun dalga boyu istikrarsızlık kısa bir genel eğilim görüyoruz.
gözlenen istikrarsızlıklar biz deney filmde her görüntünün otomatik korelasyon yoluyla deneysel ölçmek zaman ve yavaş yavaş değişen bir dalga boyuna sahiptir. oto-korelasyon görüntü yoğunluğu dönüştürme iki boyutlu bir ayrık hızlı Fourier hesaplanır. ışıkGörüntünün bölgeleri istikrarsızlık zirveleri temsil eder ve karanlık bölgeler olukları göstermektedir. Rayleigh-Taylor instabilitenin dispersiyon bağıntısı bir istikrarsızlık verili kip büyüme oranı dalga boyuna bağlı olduğunu gösterir gibi oto-korelasyon maksimum nedenle kilit öneme sahiptir instabilite, dalga boyunun bir ölçüsüdür. İncir. 6 rotasyon oranlarını değişen istikrarsızlık gözlenen dalga boyu temsilcisi ölçümleri göstermektedir. Biz rotasyon hızı istikrarsızlık gözlenen dalga boyu arttıkça yaklaşık 4 rad s -1 daha fazla rotasyon hızları için yaklaşık 6mm daha düşük bir eşik azaldığını görüyoruz.
Şekil 1: Rayleigh-Taylor İstikrarsızlık dönme nitel etkisi. Sol taraftaki görüntü Rayleigh-Taylor istikrarsızlık, gelişmekte i isena sistemini dönmeyen. istikrarsızlık 'yoğun' (yeşil) sıvı aşağıya doğru taşımak büyük girdapları oluşturarak, zamanla gelişir. Sağ taraftaki görüntü aynı sıvıların ve bu nedenle aynı yerçekimi / manyetik istikrarsızlık, ama burada sistem dönüyor. Dönme etkisi oluşturan vortices boyutunu sınırlamak ve sıvı dökme dikey taşıma inhibe görülebilir. gösterilen kez 1.92 s ve sırasıyla sol tarafta başlaması ve sağ tarafta sonra 3.52 ler vardır. Tank çapı 90 mm ve sağ görüntüde dönüş oranı 2.38 rad s oldu -1. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2: Deneysel set-up. bir cylindrical tankı iki sıvı katmanları içerir. Bir Lucite kapağı iki katman için sağlam bir kapak oluşturur. Kapağın üzerindeki sıvı Lucite yansımaları ve parlamayı giderilmesine yardımcı olur. silindirik tank dikdörtgen bir dış tank içinde damıtılmış su içine batırılır. Bu tanklar bir platform üzerine yerleştirilen ve manyetik kuvvetler önemsizdir mıknatıs üzerine bükülmüş-up vardır. platformu anahtar deliği şeklinde kayma rulmanlar dönen bir off-orta motor tarafından döndürülür. deney başlamak için, pim kaldırılır ve deney aynı zamanda dönen manyetik alan içine kendi ağırlığı altında iner. (Bu rakam 16 ile modifiye edilmiştir.) Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3: Flotasyon "Tekne".yüzdürme tekne bir "tekne" yapmak için sıcak yapıştırma polistiren duvarlarının alt yoğun bir sünger katmanı (sarı) (gri) tarafından yapılır. hafif bir üst tabaka, sıvı yavaş yavaş iki kat arasında en az karıştırma ile yoğun alt tabakanın üstünde yüzen, sünger yoluyla yayılır. tabakalaşma daha fazla gelen ışık sıvı tabakasının ivme diffüz sünger tabakanın üzerine ince kağıt (mavi) bir tabaka yerleştirilerek artırılabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4: artan dönme hızının etkisini gösteren deney ikinci dizi geliştirme istikrarsızlık görüntü dizisi. Ê rotasyon artış oranları = 1.89 rads -1 üst satırda alt satırda = 8.74 rad s -1 w için. Gösterilen zamanlar istikrarsızlık başlangıcı görülmektedir andan itibaren ölçülür. ölçek çubuğu 1 cm 'lik adımlarla 10 cm bir uzunluğa göstermektedir. siyah daire çapı 10.7 sm bir uzunluğu temsil eder. (Bu rakam 16 ile modifiye edilmiştir.) Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 5: istikrarsızlık akışkan viskozitesi değişen etkisini gösteren görüntülerin bir dizi. Dönme hızı = Ê sabitlendi 7.8 ± 0.1 rad s -1 gösterilen her bir deney, ve zaman boyunca 1.5 aralıklarla yer almaktadır. orta sıra viskozitesi yaklaşık bir sistemde istikrarsızlık gösteriyor8.36 katı su olduğunu. üst satırda sistemin viskozitesi yaklaşık su 20.50 katıdır. Görülecektir ki sıvı artan viskozitesi ile instabilite ölçekli artar gözlenen uzunluğu. ölçek çubuğu 1 cm 'lik adımlarla 10 cm bir uzunluğa göstermektedir. siyah çevrelerin çapı 10.7 cm uzunluğunda temsil eder. (Bu rakam 16 ile modifiye edilmiştir.) Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6: istikrarsızlık başlangıcında baskın gözlenen dalga boyu. Biz yaklaşık 4 rad s daha büyük tüm dönme oranları için yaklaşık 6 mm istikrarsızlık ölçek için daha düşük bir eşik gözlemlemek -1. Hata çubukları, maksimum gösterir ve minimum ölçüleninstabilite başlatılmasından sonraki ilk 2 s boyunca dalga boyu. (Bu rakam 16 ile modifiye edilmiştir.) Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
protokolü içinde iki kritik adımlar vardır. İlk 2.1.6.4 olduğunu. Işık tabaka daha sonra çok hızlı bir şekilde yoğun bir tabaka üzerinde süzülüyor ise iki karışabilir sıvı tabakaların geri dönüşümsüz karıştırma gerçekleşir. Önlendiği ve iki tabaka arasında keskin bir (<2 mm) bir arayüz sağlanır esastır. İkinci kritik adım 3.1.5 olduğunu. Deney stand-by tamamen pozisyonunda ve görselleştirme ve görüntü yakalama aparatı, katı vücut rotasyon içine veya olmadan-up bükülmüş olmadan mıknatıs doğru bırakılırsa o zaman prosedürü (2.1.6) tekrarlayın.
Sıvı tabakaların bileşimi, manyetik alan şiddeti ve motor performansı tüm önceki tabakalaşma (2.1.6) yapmak için başına kontrol edilebilir. En pratik güçlükler dolayısıyla herhangi bir deney başlamadan önce çözülebilir. Ancak mıknatıs alanına iniş hızı küçük ve istenmeyen değişim bulduk. Tipik olarak, daha hızlı bir Rotating deneyler yavaş dönen deneyler daha manyetik alana daha yavaş biraz iner. Biz yağlama iniş hızı değişkenliği azaltmak yoktu bulundu olsa kayma yatağı değiştirmek gerekli olabilir. Biz platform üzerinde küçük bir (non-manyetik) ağırlık vererek bize deneyler için tüm 10 ± 1 mm s -1 tutarlı iniş hızları elde etmek için izin bulundu.
aparatın ana sınırlama manyetik alan hızı uygulanamaz olmasıdır; süperiletken mıknatıs enerji vermek için 1-2 saat gerektirir. akışkan tabakaları-up bükülmüş bir kez İdeal olarak, biz anında istikrarsızlığa tetiklemek için tanka güçlü bir üniforma manyetik alan uygulamak olacaktır. Bu nedenle, bu deneyde, depo manyetik alanına homojen bir hızla düşürülmüştür.
Kurulan üzerindeki manyetik alana deney düşürmek için ihtiyaç olmasına rağmen, bu yöntem bir dizi avantaj vardıryöntemleri. Yöntem roket yöntemleri 2 farklı iki pürüzsüz ve LEM yöntemleri 3 ile olduğu gibi, hiçbir kilit gerektirir, ancak kilit bırakma yöntemlerin aksine. Bu sıvı tabakalarının ilk bükülmüş-up devlet paraboloit arayüze sahip olarak Rayleigh-Taylor akışını dönen önemli bir avantajdır. Ayrıca, bir kilit kalmadan kilit kaldırılması tarafından uyarılan kazandırılan girdap levha ile ilişkili zorluklar kaçınılır. Bizim deneyler Rayleigh-Taylor istikrarsızlık dönme etkisinin ilk deneysel gerçekleştirilmesi olduğuna inanıyorum.
Bizim teknik bugüne kadar klasik akışkanlar mekaniği uygulamaları için bir görünüm ile geliştirilmiştir. Biz sıvı parsellerin etkin ağırlığını işlemek için zayıf paramanyetik ve diamanyetik sıvıları kullandık. Biz, bugüne kadar, manyetik alan ve akışkanlar mekaniği de-birleştirilebilir düşünün bu nedenle mümkün olmuştur. Bu teknik Dahil olmak üzere kullanarak araştırma için gelecekteki tarifie ferrofluid davranışını ve bu de-bağlama artık geçerli değil dönen Rayleigh-Taylor istikrarsızlık set-up, manyetik alan ile etkileşimini dikkate alarak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
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 |
References
- Lewis, D. J. The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II. Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).
- Read, K. I. Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability. Physica D. 12, 45-58 (1984).
- Dimonte, G., Schneider, M. Turbulent Rayleigh-Taylor instability experiments with variable acceleration. Phys. Rev. E. 54, 3740-3743 (1996).
- Dalziel, S. B. Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis. Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).
- Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications. J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).
- Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability. J. Fluid Mech. , 97-124 (1994).
- Lord Rayleigh, Investigation of the Character of the Equilibrium of an Incompressible Heavy Fluid of Variable Density. Proc. Lon. Math. Soc. 14, 170-177 (1883).
- Taylor, G. I. The instability of fluid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I. Proc. Roy. Soc., A. 201, 192-196 (1950).
- Limat, L., Jenffer, P., Dagens, B., Touron, E., Fermigier, M., Wesfreid, J. E. Gravitational instabilities of thin liquid layers: dynamics of pattern selection. Physica D. 61, 166-182 (1992).
- Gelfand, J. D., Slane, P. O., Zhang, W. A Dynamical Model for the Evolution of a Pulsar Wind Nebula Inside a Nonradiative Supernova Remnant. Astrophys. J. 703, 2051-2067 (2009).
- Taylor, G. I. Experiments on the Motion of Solid Bodies in Rotating Fluids. Proc. Roy. Soc., A. 104, 213-218 (1923).
- Proudman, J. On the Motion of Solids in a Liquid Possessing Vorticity. Proc. Roy. Soc., A. 92, 408-424 (1916).
- Taylor, G. I. Motion of Solids in Fluids when the Flow is not lrrotational. Proc. Roy. Soc., A. 93, 99-113 (1917).
- Carlès, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model. Phys. Rev. Lett. 96, 104501 (2006).
- Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carlès, P. Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape. Phys. Rev. Lett. 99, 204502 (2007).
- Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation. Sci. Rep. 5, 11706 (2015).
- Rossby, H. T. A study of Bénard convection with and without rotation. J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).
