Summary
Ce protocole illustre la configuration de base expérimentale pour les expériences entrée eau sphères en chute libre. Méthodes pour l’altération de la surface du liquide avec des tissus perméables, la préparation des sphères chimiquement non mouillant et étapes d’extraction de données et de visualisation splash sont discutés.
Abstract
Impacts verticales des sphères assainissement de l’eau ont fait l’objet de nombreuses recherches d’entrée eau qui caractérisent la formation de la cavité, éclabousser l’ascension de la Couronne et Worthington jet stabilité. Ici, nous établissons les protocoles expérimentaux pour l’examen de la dynamique éclabousser lorsque lisse en chute libre sphères de mouillabilité variable, la masse et effet de diamètre de la surface libre d’un bassin profond liquide modifié par tissus perméables aux fins et des agents tensio-actifs liquides. L’eau entrée enquêtes fournissent accessibles, facilement assemblés et exécutés des expériences pour étudier la mécanique des fluides complexe. Nous présentons ci-après un protocole accordable pour caractériser la hauteur de splash, mesures de débit de séparation et cinématique de l’élément de frappe et des résultats représentatifs qui peuvent être acquise si reproduire notre approche. Les méthodes sont applicables lorsque les dimensions caractéristiques splash rester inférieure à environ 0,5 m. Toutefois, ce protocole peut être adapté pour des sommets plus élevés la libération de la frappe et vitesses d’impact, qui augure bien pour la traduction des résultats de marine et applications industrielles.
Introduction
La caractérisation de la dynamique éclabousser résultant d’impacts verticaux des objets solides dans une piscine profonde liquide1 s’applique aux applications militaires, navales et industrielles comme les missiles balistiques eau entrée mer surface et atterrissage2, 3,4,5. Les premières études d’entrée de l’eau ont été menées à bien plus d’un siècle il y a6,7. Ici, nous établissons des protocoles clairs approfondies et les meilleures pratiques pour parvenir à des résultats cohérents pour les enquêtes entrée eau. Pour faciliter la conception expérimentale valide, on présente une méthode pour le respect des conditions sanitaires transformation des conditions interfaciales, contrôle des paramètres adimensionnels, modification chimique de la surface de l’élément de frappe et la visualisation de la cinématique de splash.
Impacts verticales des sphères hydrophile en chute libre sur le fluide quiescent ne montrent aucun signe d’air-piège à faibles vitesses8. Nous trouvons que le placement des tissus perméables aux fins au sommet de la surface du fluide provoque la formation de la cavité en raison de la séparation de flux forcé1. Une maigre quantité de tissu sur la surface amplifie éclaboussures dans un éventail de numéros de Weber modérées tandis que superposition suffisamment atténue les éclaboussures comme sphères surmontés glisser au fluide entrée1. Dans cet article, nous expliquons les protocoles appropriés permettant d’établir les effets de la force matérielle sur l’entrée de l’eau des sphères hydrophiles.
Cavité formant des éclaboussures de hydrophobe impacteurs montrent l’ascension d’une couronne de démarrage bien développé, suivi par la saillie du jet principal élevé au-dessus de la surface par rapport à leurs homologues de l’eau-liking8. Ici, nous présentons une méthode pour atteindre la déperlance à travers modifiant chimiquement la surface des sphères hydrophiles.
Avec l’avènement des caméras ultra-rapides, caractérisation et visualisation de démarrage sont devenus plus accessibles. Malgré cela, les normes établies dans le domaine prévoient l’utilisation d’une seule caméra orthogonales à l’axe principal du voyage. Nous montrons que l’utilisation d’une caméra haute vitesse supplémentaire pour les vues aériennes est nécessaire pour juger sphères grève l’emplacement prévu.
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Protocol
1. configuration de l’expérience pour des effets verticaux
- Remplir un réservoir d’eau transparent de dimensions environ 60 cm x 30 cm x 36 cm (longueur x poids x profondeur) avec 32 L d’eau et monter un compteur souverain (« échelle visuelle ») verticalement à l’intérieur du conteneur tel que la base se trouve au sommet du fluide, comme le montre la Figure 1 a.
NOTE : Profondeur et la largeur de la cuve doivent être supérieurs à 20 fois le diamètre des sphères plus importantes utilisées pour l’expérience pour s’assurer des effets de mur sont négligeables9. Une plus grande vitesse d’entrée que ceux décrit ici volonté exige une plus grande profondeur de cuve. L’échelle visuelle permis de déterminer des hauteurs de chute et d’étalonnage du logiciel de suivi est discutée à la section 7. - Placez un dirigeant supplémentaire mètre sous l’eau, qui peut agir pour agrandir les dimensions. Cette échelle visuelle est utilisée pour calibrer dépistant le logiciel pour les mesures sous l’eau.
- Construire une plate-forme articulée (« mécanisme de libération ») qui suspend les sphères au-dessus du liquide et tourne vers le bas, pour obtenir l’accélération tangentielle plue de gravité à l’emplacement de l’élément de frappe en relâchant, comme le montre la Figure 1 a. Rotation rapide est obtenue en reliant la plate-forme articulée au centre du composant prise en charge à l’aide de bandes élastiques. Le résultat est un élément de frappe non prise en charge et non tournantes.
Remarque : La plate-forme est facilement fabriquée avec une imprimante 3D. - Pour les essais d’impact, placez le pouce jusqu'à la base de la plate-forme articulée et tournez-le de 90° à l’horizontale pour le placement des sphères au-dessus du liquide.
NOTE : Rétraction est déclenchée quand le pouce est libéré de la base de la plate-forme. - Apposer le déblocage d’un statif, telle que l’appareil peut être réglé à différentes hauteurs.
- Place la riposte debout à côté de la cuve, telle que le mécanisme de largage soit dans le même plan de profondeur que l’échelle visuelle. Ajouter un poids sur la base du socle riposte au besoin pour empêcher le renversement.
- Ajuster le mécanisme d’ouverture à la hauteur de chute expérimental désiré maximale. Cela est nécessaire pour la visualisation optimale splash discutΘ dans : section 6 et garantit que les caractéristiques de splash d’intérêt sont toujours dans le cadre de regarde un de la caméra.
- Fixer une lumière diode alphanumérique d’un bras articulé telle que la lumière est montée au-dessus de la caméra, en regardant vers le bas sur la zone d’éclaboussement. Lumière ambiante seule est insuffisante pour éclairer la scène à des taux de rafraîchissement élevé nécessaire pour extraire la cinématique splash.
Remarque : On ne peut jamais avoir trop de lumière. - Placer un écran noir à l’arrière du réservoir d’eau pour faciliter la visualisation de démarrage et de la cavité comme on le voit à la Figure 2.
- Placer un amortisseur de chocs-protection de verre, comme une éponge de fermé-cellule, au fond du réservoir d’eau et affixe avec des poids pour empêcher le resurfaçage.
Remarque : La hauteur du liquide dans le réservoir doit être telles que la sphère n’interagit pas avec l’amortisseur avant pincée de cavité aérienne au large de10.
2. contrôle de paramètres sans dimension
- Réaliser des expériences avec des sphères de différents diamètres et de masses. Pour ce faire, balles de fabrication de pièce de monnaie de polyoxyméthylène (p. ex., Delrin) fonctionnent particulièrement bien et n’ont aucune ligne de partie de moule. Mesurer les masses et les diamètres avec une balance analytique et pied à coulisse respectivement.
- Réaliser des expériences sur une gamme de hauteurs H pour générer les vitesses d’impact
où 
m/s2 est l’accélération due à la pesanteur. Mesurer la hauteur avec l’échelle visuelle dans le cadre de la caméra.
Remarque : Utilisez la fonction Auto-Tracking dans l’outil d’analyse vidéo tel que mentionné à l’article 7 pour mesurer les vitesses d’impact. - Réaliser des expériences avec des mélanges liquides de l’eau et des tensioactifs appropriés (p. ex., glycérine ou du savon) pour modifier la tension superficielle. Mesurer la tension superficielle avec un tensiomètre de surface.
- Calculer les nombres de Reynolds
numéros de Weber et 
, où ρ est la densité du fluide, D est le diamètre de la sphère, μ est la viscosité dynamique du fluide et σ la tension superficielle du liquide.
où 
m/s2 est l’accélération due à la pesanteur. Mesurer la hauteur avec l’échelle visuelle dans le cadre de la caméra.
numéros de Weber et 
, où ρ est la densité du fluide, D est le diamètre de la sphère, μ est la viscosité dynamique du fluide et σ la tension superficielle du liquide.3. maintien des conditions expérimentales sanitaires
- Réaliser des expériences avec des gants de nitrile industriel et récupérer des sphères de réservoir d’eau avec une cuillère stérilisée.
Attention : La peau produit naturellement des huiles qui peuvent affecter la mouillabilité des impacteurs et altérer les conditions de fluide. - Nettoyer les sphères d’alcool isopropylique 99 % et laisser pour sécher pendant 1 min entre les essais visant à empêcher l’influence des impuretés.
- Si vous utilisez des tissus qui se défassent lors de l’impact, remplacer l’eau dans le réservoir après chaque essai si les restes ne peuvent pas être collectées manuellement.
- À la fin de l’expérience, videz le réservoir et laisser sécher.
- Avant une expérience, nettoyer le réservoir à eau pour éliminer toutes les impuretés.
4. superposition la surface avec des tissus perméables aux
- Séparer le tissu en carrés ou ronds plies en préparation pour les essais d’impact. Utilisez un pied à coulisse pour obtenir le comprimé d’épaisseur du tissu.
NOTE : Épaisseur de tissu va changer lorsqu’il est mouillé. - Le repos doucement le tissu sec au sommet de la surface de la piscine liquide. Veiller à ce que les plis ne pas commencer la descente avant la sortie de l’élément de frappe et remplacer les tissus immédiatement après la collision.
- Utilisez une cuillère stérilisée pour positionner le tissu sous la plate-forme articulée avant de relâcher les sphères.
- (Facultatif) Effectuer les essais suivants à l’aide d’un échantillon de tissu pour la caractérisation des matériaux.
- Effectuer des essais de traction avec un testeur de résistance à la traction pour déterminer le module d’élasticité de l’échantillon.
- Utiliser un microscope numérique pour obtenir une vue microscopique du tissu et de déterminer la longueur des fibres à l’aide d’un logiciel.
5. préparation des sphères chimiquement hydrophobes
- Vaporiser la base hydrophobe enrober environ 15 à 30 cm de la surface de la sphère. Éviter de détremper la surface. Laisser sécher pendant 1\u20122 min avant d’ajouter des revêtements. Appliquez deux couches de base plus. Laisser sécher pendant 30 min avant d’appliquer la couche de finition.
Remarque : Le nombre de surface supplémentaire peut varier selon les recommandations du fabricant du produit. - Pulvérisation haut hydrophobe enrober environ 15 à 30 cm de la surface. Éviter de détremper la surface. Laisser sécher pendant 1 à 2 min avant d’ajouter des revêtements. Appliquer des revêtements plus deux ou trois couche de finition. Laisser pour sécher pendant 30 min pour l’utilisation de la lampe et à 12 h pour une utilisation complète.
Remarque : Le nombre de couches de surface supplémentaires peut varier selon les recommandations du fabricant du produit. - Après environ 20 essais, le revêtement hydrophobe devient compromis en raison de la manipulation excessive. Enlever enduit avec isopropyle 99 % et répétez les étapes 5.1 et 5.2.
6. synchronisation des caméras pour la visualisation de démarrage
- Placez une caméra haute vitesse avec un objectif approprié perpendiculaire à l’axe de l’impact et en ligne avec la surface du liquide.
Remarque : Un objectif premier de 55 mm offre un bon point de départ. - Lorsque les tissus sont à utiliser, ajouter une caméra haute vitesse supplémentaire à l’expérience pour fournir une vue de haut en bas des impacts, comme on le voit dans la Figure 1 b.
- Synchroniser plusieurs caméras reliées à un ordinateur en procédant comme suit.
- Connectez les deux bornes de sortie de la caméra horizontale sur les deux bornes d’entrée de la caméra supplémentaire à l’aide de câbles BNC.
- Brancher l’interrupteur à gâchette sur la camera horizontale uniquement.
- Branchez les câbles Ethernet de deux caméras sur un routeur hors réseau connecté à l’ordinateur.
Remarque : En l’absence d’un routeur, connectez les câbles Ethernet de caméras pour séparer les ordinateurs.
- Dans le logiciel d’acquisition vidéo, configurez les caméras avec les paramètres suivants. La valeur de cadence à un minimum de 1 000 fps, définissez la résolution d’écran à la résolution désirée. Définir la vitesse d’obturation à 1 par image seconde et définir le mode de déclenchement à la fin.
- De hauteur maximale, mener une série d’essais de test pour s’assurer que les jets de Worthington relèvent de l’image vidéo.
- Ajuster la position de la caméra et de se concentrer en conséquence jusqu'à ce que la qualité de visualisation souhaité est atteint.
- Après l’enregistrement, extraire mesures cinématiques et géométriques de vidéos à l’aide d’un outil d’analyse vidéo approprié. Utilisez le Tracker, un outil d’analyse d’open source ou tout autre logiciel de capacité comparative.
7. cinématique d’impact avec le logiciel de traqueur de numérisation
- Sélectionnez le bâton de calibration dans la palette de Tracker et correspondre à l’échelle visuelle (Figure 2 a), faire le bâton le plus longtemps possible.
- Cliquez sur bâton de calibration et définissez la valeur de mise à l’échelle sur la longueur de l’échelle visuelle engendrée par le bâton. Autrement dit, si le bâton de calibration s’étend sur 1 cm sur l’échelle visuelle, mise à l’échelle de valeur à 1.
Remarque : Cela garantit que les mesures prises depuis le logiciel sont dans l’ordre de centimètres. - Activer/désactiver la lecture vidéo en cliquant sur Démarrer et arrêter et mettre la vidéo vers l’image désirée.
- Sélectionnez le bâton de mesure dans la palette de Tracker et extraire splash couronne hauteur k, cavité largeur b, cavité profondeur let Worthington jet hauteur h, comme on le voit dans la Figure 2 b,c.
Remarque : Le bâton de mesure est réglable aux deux extrémités et peut être utilisé simultanément avec les autres sélections de la boîte à outils. - Sélectionnez rapporteur d’angles dans la palette de Tracker et de mesurer l' angle de séparation q du fluide en ce qui concerne l’élément de frappe, comme on le voit dans la Figure 2 b. Le rapporteur d’angle est ajustable aux deux extrémités et peut être utilisé simultanément avec les autres sélections de la boîte à outils.
- Sélectionnez la fonction Auto-Tracking dans le logiciel pour enregistrer les données de vitesse et de position temporelle. Lorsque le suivi est interrompu en raison du manque de clarté dans la vidéo, utilisation manuelle suivi jusqu'à obtention de clarté et de poursuite automatique est reprise.
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Representative Results
Cela établi, protocoles permettant le respect des jets Worthington dus aux impacts verticaux sur un nombres de gamme de Weber 
comme on le voit à la Figure 2C. Ces résultats sont publiés dans Watson et al.1, qui peuvent être référencés pour les conditions expérimentales exactes utilisées pour produire les données présentées ici. Nous nous concentrons sur le film allongé étroit du fluide en saillie au-dessus de la surface libre du liquide. Dans la Figure 3 , nous montrons qu'une maigre quantité de tissu amplifie éclaboussures tandis que superposition suffisamment atténue splash back. Les résultats sont non-mesuré en utilisant le diamètre de la sphère D comme on le voit dans la Figure 3 b.
Nous montrer la relation entre les propriétés de la cavité non mesuré comme la profondeur de la cavité 
, éclaboussent la hauteur de la Couronne 
, largeur de la cavité 
et Weber nombre 
dans la Figure 4 a-d. Résultats sont capturés avec une seule caméra frontale à grande vitesse dans un environnement bien éclairé. Une vue de caméra représentant se voit dans la Figure 2 b. Toute la gamme d’expérimental dans la Figure 4, dimensions des cavités créées par une sphère ayant une incidence sur une seule couche de tissu montrent peu de variation.
Nous considérons que la trajectoire des sphères après l’impact avec la surface interfaciale et les données de position temporelle de piste jusqu'à ce que la cavité pinch off se produit comme on le voit dans la Figure 5 a. On lisse ensuite les données avec un filtre de Savitzky-Golay11 pour éliminer les effets du bruit expérimental avant différentiation numérique. Les courbes de vitesse qui en résulte dans la Figure 5 b sont lissées à nouveau avant la différentiation numérique pour obtenir 
nécessaires pour l’analyse de la force.
Figure 1. Schéma de l’installation expérimentale. (un) caméras haute vitesse capturent vues frontales et généraux avec un éclairage diffus placé au-dessus de la caméra frontale. La gâchette est facultative, compte tenu de la disponibilité des commandes manuelles dans un logiciel d’enregistrement vidéo sur l’ordinateur. séquence de photos (b) de l’impact de la sphère hydrophiles sur un mince tissu pénétrable au sommet du fluide, filmé à l’aide de la caméra aérienne. Un point noir est utilisé pour ne garantir aucune rotation présente pendant la chute libre. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2. Éclabousser de visualisation pour l’impact de la sphère hydrophobe sur une surface non altérée. La séquence de photos montre (a) entrée de l’eau, le (b) splash couronne ascension et air-provocation, (c), à la formation et, (d) à jet jet Worthington rupture pour un splash représentatif. Sphère a la vitesse d’impact de 
m/s. Un bâton de compteur est utilisé pour étalonner les mesures au sein de l’outil d’analyse vidéo, utilisé pour mesurer la hauteur du houppier splash 
, largeur de la cavité 
, profondeur de la cavité 
angle de séparation 
et la hauteur de Worthington jet 
. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3. Éclabousser les hauteurs à travers nombre de Weber (
). (a) jet Worthington hauteur 
vs , avec 
vs montré en (b). Nombre qui précède « Ply » désigne les couches de tissu. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4. Variation de cavité dimensions dans l’ensemble de nombres Weber. Relation entre et l’angle de séparation (une) 
, (b) profondeur de la cavité 
, (c) hauteur du houppier splash et la largeur de cavité (d) . Les propriétés sont non-mesuré en termes de diamètre de la sphère, 
. Barres d’erreur indiquent écart-type pour la moyenne des cinq essais à chaque point. La figure est modifiée de Watson et al.,1. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5. La cinématique représentative de sphère pendant la descente sous l’eau. Pistes temporelles (une) verticale 
et (b) vitesse 
pour un impact sur les sphères avec 0 à 4-couches de tissu au sommet de l’eau. Trajectoires sont non-mesuré en ce qui concerne le diamètre de la sphère, et vitesse d’impact 
respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Ce protocole décrit la conception expérimentale et conseillées pour les enquêtes sur des sphères en chute libre sur une piscine profonde liquide. Nous commençons en mettant en évidence les étapes nécessaires pour la configuration de l’expérience pour des effets verticaux. Il est important de créer un environnement de démarrage idéal avec l’utilisation d’une zone suffisamment grande éclaboussure, tels que les effets de mur sont négligeables9et une échelle visuelle adapté pour l’extraction de la cinématique12,13,14 ,15,16,17,18,19,20,21. Tandis que les amortisseurs s’improvise à partir de matériaux excédentaires lab, ils doivent être désinfectées avant l’expérience avec l’eau et un agent enlever saleté adapté. Si le nettoyage de l’amortisseur et le réservoir peut conduire à l’introduction d’impuretés au cours d’une expérience et altérer les caractéristiques de démarrage. Dans la littérature, il existe un manque de détails concernant l’entretien de propreté expérimentale et par conséquent, cet article présente des lignes directrices pour l’obtention de résultats cohérents d’eau essais d’entrée.
Les techniques décrites ci-dessus font l’objet de tuning comme on le voit dans des études antérieures. Le mécanisme actionné par ressort employé par les auteurs peut être remplacé par des électro-aimants15 lors de l’utilisation de sphères ferreux. La facilité d’utilisation de la méthode est améliorée lorsque les caméras à haute vitesse sont réglés pour déclencher automatiquement après la chute de sphères par photocellules12 ou infrarouge déclenche22,23, mais celles-ci ajoutent la complexité. Traitements de surface de frappe pour contrôler la mouillabilité sont aussi possible en utilisant des approches plus rigoureux comme on le voit dans Duez et al.,8. Par exemple, sphères greffée avec octyltriethoxysilane, rincés avec isopropylique et chauffé dans un four à 90 ° C atteint hydrophobicité-super8. Le protocole peut être réglé plus loin pour la visualisation de cavité améliorée en remplaçant l’écran noir (illustrée dans la Figure 1 a) avec rétro-éclairage, qui rend les caractéristiques de cavité plus prononcé3.
Être prudent lors de l’examen cinématique temporelle à des investigations théoriques. Position temporelle présentent moins de distorsion que pour les pistes de vitesse mais elles nécessitent de lissage avant la différentiation numérique1,3,15. Le filtre Savitzky-Golay effectue une régression polynomiale sur une plage de valeurs équidistantes pour déterminer la valeur lissée pour chaque point et peut maintenir plus fidèlement de traits saillants de la piste11. Pour suivre la position de la sphère, un polynôme du secon degré dans le filtre de Savitzky-Golay conserve les principales caractéristiques de la piste tout en éliminant le bruit expérimentales. Enfin, les chercheurs ont le choix de la durée de moyenne mobile du filtre, qui doit être aussi réduite que possible tout en permettant le niveau désiré de lissage.
Le protocole établi ne se limite pas à la liste des documents présentés ici et peut être pratiquée que sur une plus grande échelle pour générer une plus grande vitesses d’impact et une portée accrue de paramètres adimensionnels qui augure bien pour la traduction des résultats de marine et applications dans l’industrie.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs aimerait le College of Engineering et Computer Sciences (CECS) à l’Université de Floride centrale pour le financement de ce projet, Joshua Bom et Chris Souchik pour des images de démarrage et Nicholas Smith pour vos précieux commentaires.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | FlashForge | Creator Pro | Dual Extrusion |
| Alcohol | Swan | M314 | 99% Isopropyl |
| BNC Cables | Thorlabs | 2249-C-24 | |
| Caliper | Anytime Tools | 203185 | Dial |
| Camera | Photron | Mini AX-100 | 16GB Ram |
| Computer | Dell | Windows 7 Pro | |
| Fabric | Georgia Pacific | 19378 | Toilet Paper |
| Fabric | Kleenex | 10036000478478 | Tissue |
| Laser Cutter | Glowforge | Basic | |
| Lights | GS Vitec | LT-V9-15 | Multi-LED |
| Microscope | Keyence | VHX-900F | Digital |
| Retort Stand | VWR | VWRF08530.083 | |
| Router | ASUS | RT-N12 | Off Network |
| Ruler | Westcott | 10432 | Meter Ruler |
| Software | Open-Source | Tracker | Video Analysis |
| Software | Photron | Fastcam Viewer | Video Recording |
| Sphere | Amazon | 8DELSET | Delrin |
| Spray | Rust-Oleum | 274232 | Water Repelling |
| Surfactant | Dawn | 37000973782 | Liquid Soap |
| Surfactant | USP Kosher | 5 Gallons | Glycerin |
| Tensile Tester | MTS | Model 42 | |
| Trigger Switch | Custom Made | ||
| Water Tank | Mr. Aqua | MA-730 | Non-Tempered Glass |
References
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