Summary
このプロトコルは、自由落下球水エントリ実験実験の基本的な構成を示します。不死身の生地と液面の変化、化学的にぬれ性球の準備の方法とスプラッシュの可視化とデータの抽出のための手順を説明します。
Abstract
空洞形成を特徴付ける多くの水エントリ捜査の対象となっているきれいな水で球の垂直方向への影響、スプラッシュ クラウン アセンション ワージントン噴流の安定性。ここでは、滑らかな自由落下球とさまざまなぬれ性と質量、直径の影響の薄い不可解生地と液体界面活性剤によって変更された深い液体プールの自由表面とスプラッシュのダイナミクスを調べるための実験プロトコルを確立します。エントリの調査は水は、複雑な流体力学を勉強するためアクセス、簡単に組み立て、実行された実験を提供します。ここのスプラッシュの高さ、フロー分離指標、インパクター運動と我々 のアプローチを再現する場合に取得可能性があります結果は代表的な可変プロトコルを提案します。メソッドは、約 0.5 m 以下特性スプラッシュ寸法が残っているときに適用されます。しかし、このプロトコルが、大きいインパクター高さと衝撃速度の適応がたこの翻訳結果を海軍にも、業界のアプリケーション。
Introduction
深い液体のプール1の固体のオブジェクトの垂直方向の影響から生じるスプラッシュ ダイナミクスの特性は着陸2、弾道ミサイル水エントリと海表面など軍、海軍および産業用アプリケーションに適用されます。 3,4,5。水の侵入の最初の研究はよく世紀以上前に行った6,7。ここでは、我々 は明確な詳細なプロトコルおよびエントリの調査は水の一貫性のある結果を達成するためのベスト プラクティスを確立します。有効な実験的なデザインを支援するために衛生状態の維持、界面条件の変化、無次元パラメーターの制御、インパクター表面の化学修飾とスプラッシュ運動の可視化手法を提案します。
静止流体中を自由落下親水性球の垂直方向への影響は、低速度8では空気の巻き込みの兆しを見せない。流体の表面上に薄い不可解生地の配置が強制流動流体分離1による空洞形成を引き起こすことがわかった。表面の生地のわずかな量を増幅する十分なレイヤリング減衰流体エントリ1球を克服するドラッグとはねながら適度なウェーバー数の範囲にわたって水しぶき。この記事では、親水性の球の水の侵入に及ぼす材料強度を確立するために適切なプロトコルを説明します。
疎水性から水しぶきを成形キャビティはインパクターはよく発達したスプラッシュ クラウンのアセンションを示すその水好み対応8と比較して表面上に高く主ジェットの突出続きます。撥水性から親水性の球の表面を化学的に変更を達成するためのアプローチを紹介します。
高速カメラの出現は、スプラッシュの可視化と評価になっているより達成可能であります。そうであっても、フィールドでの基準を旅行のプライマリ軸に直交単一のカメラを使用するため呼び出します。オーバーヘッドのビューの追加の高速カメラの使用球ストライク先の判決を下す必要があるを示す.
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Protocol
1. 垂直方向の影響の実験の設定
- 寸法約 60 cm の透明な水タンクを埋める 30 cm x 36 cm x (長さ × 重量 × 深さ) 32 L の水と図 1 aに見られるように基本は液体の上に座っているようにコンテナー内垂直メートル定規 (ビジュアルなスケール) をマウントします。
注: タンクの幅と深さの壁の影響が無視できる9を確認する実験で使用される最大の球径の 20 倍以上になりません。それらはここでは説明よりも大きい入力速度より大きいタンク深さを要求します。ドロップの高さとトラッキング ソフトウェアのキャリブレーションを決定に使用する視覚的スケールは、セクション 7 で説明します。 - 水中での寸法を拡大する機能できる追加メーター定規を配置します。このビジュアルのスケールは、水中での測定のためのソフトウェアを追跡を校正に使用されます。
- 上記の流体球を中断し、図 1 aに見られるように、インパクター場所離すと、重力より大きい接線加速度を達成するために、下方に回転ヒンジ プラットフォーム (リリース機構) を構築します。高速回転は、弾性バンドを使用してサポート コンポーネントの中央にヒンジのプラットフォームを接続することによって実現されます。サポートされていない、非回転インパクターが作成されます。
注: プラットフォームは簡単に、3 D プリンターの製造します。 - 衝撃試験は、蝶番を付けられたプラットフォームの基盤し、上記の流体球の配置の水平位置に 90 度回転する親指を配置します。
注: プラットフォームのベースから thumb が解放されたときに撤回がトリガーされます。 - デバイスは、さまざまな高さに調整できるようなレトルト スタンドにリリース機構を貼付してください。
- リリース機構が視覚的スケールと同じ深さの平面内になるよう、レトルトの場所はタンクの横に立ちます。転倒防止のために必要に応じてレトルト スタンドのベースに重量を追加します。
- 最大の目的実験落下高さにリリース機構を調整します。これはセクション 6 で説明したように最適なスプラッシュの可視化に必要ななり、関心のスプラッシュ特性は常にカメラの表示フレーム内になります。
- 光がスプラッシュ ゾーンに見下ろして、カメラの上にマウントされているような関節のアームにマルチ LED ライトを取り付けます。周囲の光だけでは、高フレーム レートではシーンを照らすには不十分抽出に必要なスプラッシュ運動。
注: 1 つは決してあまりにも多くの光を持つことができます。 - 図 2に見られるように、スプラッシュとキャビティの可視化を支援するために水槽の後ろに黒い画面を配置します。
- 水タンクと舗装を防ぐために重みを持つ接辞の下部にクローズドセル スポンジなどガラス保護の緩衝器を配置します。
注: タンク内の液体の高さは、球がショックアブソーバー10空気キャビティ ピンチの前と対話しないようにする必要があります。
2 無次元パラメーターの制御
- 様々 な固まりおよび直径の滑らかな球で実験を行います。このため、ポリオキシメチレン (デルリンなど) コイン作るボールは特にうまくし、金型部分のラインがあります。それぞれ質量と分析的なバランスとノギスで直径を測定します。
- 衝撃速度を生成するHの高さの範囲にわたって実験
、 
m/s2は重力加速度。カメラ フレーム内で visual のスケールの高さを測定します。
注: は、セクション 7 で説明したよう衝撃速度を測定するのにビデオ分析ツールで自動追尾機能を使用します。 - 水の表面張力を変更するのには、適切な界面活性剤 (例えば、グリセリンや石鹸) 流体混合実験を行います。表面テンシオ メーターと表面張力を測定します。
- レイノルズ数の計算
とウェーバー番号
、 Dは球径、 ρは流体の密度、 μある動的粘性流体とσ流体の表面張力。
、 
m/s2は重力加速度。カメラ フレーム内で visual のスケールの高さを測定します。
とウェーバー番号
、 Dは球径、 ρは流体の密度、 μある動的粘性流体とσ流体の表面張力。3. 衛生実験条件を維持します。
- 工業用ニトリル手袋を着用しながら実験を実施し、消毒スコップで水タンクから球を取得します。
注意: 皮膚は自然オイル インパクターのぬれ性に影響を与えることができますし、汚染流体条件を生成されます。 - 99% イソプロピル アルコールで球をきれいにし不純物の影響を排除するための試験の間に 1 分間乾かします。
- インパクト時バラバラの生地を使用している場合は、スクラップを手動で収集できない場合、すべての試験の後タンク内の水を交換してください。
- 実験の終わりには、タンクを空にして乾燥させておきます。
- 実験する前に不純物を取除くために水のタンクをきれいに。
4. 不死身の生地で表面を重ねる
- 生地を正方形に分割または衝撃試験のための準備のプライをラウンドします。ノギスを使用して、ファブリックの厚さの圧縮を取得します。
注: 生地の厚さは、濡らすと変更されます。 - 液体のプールの表面の上に乾燥した生地をそっと置きます。プライしないインパクター リリース前に降下を開始し、衝突の直後に生地を置き換えることを確認します。
- 校正されたスクープを使用して、球を解放する前に蝶番を付けられたプラットホームの下生地を配置します。
- (省略可能)材料特性評価のための生地のサンプルを使用して次のテストを実施します。
- 引張試験引張試験機を使用して試料の弾性率を決定するを実行します。
- デジタル顕微鏡を使って生地の微細なビューを取得およびイメージング ツールを使用して光ファイバーの長さを決定します。
5. 化学的に疎水性の球の準備
- スプレー疎水性ベース コート球表面から約 15-30 cm。表面の浸漬は避けてください。その他のコーティングを追加する前に 1\u20122 分で乾燥させます。2 つのより多くの基本のコートを適用します。上のコートを適用する前に 30 分間乾燥すること。
注: 付加的な表面の数は製品の製造業者からの推薦に基づいて異なる場合があります。 - スプレー疎水性トップ コート面から約 15-30 cm。表面の浸漬は避けてください。その他のコーティングを追加する前に 1-2 分で乾燥させます。トップコートの 2 つまたは 3 つ以上のコーティングを適用します。光の利用と完全な使用の 12 h で 30 分間乾燥することができます。
注: 付加的な表面コートの数は製品の製造業者からの推薦に基づいて異なる場合があります。 - 約 20 の試験の後では、疎水性コーティングの危険過度のハンドリングのためにさらされました。99% イソプロピルとコーティングを除去し、5.1 と 5.2 の手順を繰り返します。
6. スプラッシュ可視化のためのカメラの同期
- 衝撃軸に垂直と流体の表面のラインでは、適切なレンズと高速カメラを配置します。
注: 55 mm のレンズは、良い出発点を提供します。 - 使用する生地は、図 1 bに見られるように、影響のトップダウン ビューを提供するために実験に追加の高速カメラを追加します。
- 次の手順を使用してコンピューターに複数のカメラを同期します。
- カメラの水平方向の両方の出力端子を BNC ケーブルを使用して追加のカメラの両方の入力端子に接続します。
- カメラの水平方向のみにトリガー スイッチを接続します。
- 両方のカメラからのイーサネット ケーブルをコンピューターに接続しているネットワークをルータに差し込みます。
注: ルーターの不在で、コンピューターを分離しカメラのイーサネット ケーブルを接続します。
- ビデオ集録ソフトウェアでは、次の設定でカメラを構成します。最低 1,000 fps にフレーム レートを設定、画面の解像度を目的の解像度に設定します。第 2 フレームごとの 1 にシャッター スピードを設定し、終了するトリガー モードを設定します。
- 最大のリリースの高さから確実にビデオ フレーム内ワージントン ジェットするテスト試験のシリーズを実施します。
- 品質目的の可視化を達成するまでカメラの位置と焦点をそれに応じて調整します。
- 録音後、ビデオ、適切な分析ツールを使用してビデオから運動学的・幾何学的測定値を抽出します。トラッカー、オープン ソース解析ツールまたは比較機能の任意のソフトウェアを使用します。
7. トラッカー ソフトウェアに影響を与える運動をデジタル化
- トラッカー ツールボックスから校正スティックを選択し、可能な限りの棒を作ってを合わせるためビジュアル スケール (図 2 a)。
- 調整棒をクリックし、スティックがまたがるビジュアル スケールの長さに尺度の値を設定します。つまり、校正スティック視覚的規模で 1 cm にまたがっている場合、スケーリング値 1 を設定します。
注: ソフトウェアから取得された測定値は、センチ メートル オーダーがなくなります。 - 開始および停止をクリックしてビデオの再生を切り替えるし、ビデオ目的のフレームを設定します。
- トラッカー ツールボックスから測定用の棒を選択し、抽出したスプラッシュ クラウン高さkキャビティ幅b、キャビティ深さlワージントン ジェット高さh図 2 b,cに見られるようにします。
注: 測定棒は両端で調整可能、他のツールボックスの選択と同時に使用できます。 - トラッカー ツールボックスから[分度器]を選択し、図 2 bに見られるように、インパクターに関して流体の分離角qを測定します。分度器、両端で調整可能な他のツールボックスの選択と同時に使用できます。
- 一時的な位置及び速度のデータを記録するソフトウェアで自動追尾機能を選択します。追跡されるビデオ、使用マニュアル追跡透明度が得られるまでの明快さの欠乏のために中断と自動追跡が再開されます。
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Representative Results
これは生じた垂直影響範囲のウェーバー番号ワージントン ジェットの遵守を可能にするプロトコルを設立
図 2 cに見られるように。これらの結果は、ワトソンら1、正確な実験条件の提示されたデータを生成するために使用を参照できるようにするのに発行されます。自由液面流体突出の狭い細長いフィルムに着目します。図 3で十分な層減衰スプラッシュ バックしながら生地のわずかな量を増幅水しぶきを示します。結果無次元化は図 3 bに見られる球の直径Dを使用しています。
キャビティ深さなどの空洞の無次元のプロパティとの関係を示す
、クラウンの高さをスプラッシュ
、キャビティ幅
とウェーバー番号
図 4 a-dで。結果は、明るい環境で単一正面高速カメラでキャプチャされます。代表的なカメラ ビューは、図 2 bに見られます。実験の範囲にわたって図 4生地の単一の層に影響を与える球によって作成されるキャビティの寸法表示の変動が小さい。
図 5 aに見られるように、オフ空洞ピンチが発生するまで、界面表面トラック時間位置データと衝撃後球の軌道を考えています。サビツキー ・ ゴーレイ フィルター11数値微分の前に実験の騒音の効果を削除するとデータを滑らかな。図 5 bの結果の速度曲線が数値微分を求める前に滑らかに再び
力解析に必要な。
図 1。実験装置の概略図。(、) の高速カメラは、正面のカメラの上に位置するディフューズ ライティングと前頭葉とオーバーヘッドのビューをキャプチャします。トリガー スイッチはオプション、マニュアル コントロールの可用性は、コンピューター上のビデオ録画ソフトウェアです。親水性の小球衝突、液の上に薄い不可解ファブリック上の (b) 写真シーケンスは、オーバーヘッドのカメラを使用して撮影されました。黒い点は、回転自由落下中に存在がないように使用されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2。不変の表面に疎水性の小球衝突の可視化をスプラッシュします。写真のシーケンスは、(、) 水エントリ、(b) スプラッシュ クラウン アセンションとエアルーム、ワージントン ジェット形成と、(d) ジェット (c) 代表的なスプラッシュの分裂を示しています。球は衝突速度
m/s。メーターの棒はスプラッシュ クラウンの高さを測るため、ビデオ分析ツール内で計測のキャリブレーションに使用
、キャビティ幅
、キャビティ深さ
角度分解能
とワージントン ジェット高さ
。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3。ウェーバー数全体の高さをスプラッシュ(
)。(、) ワージントン ジェットの高さ
対と
と(b) に示すように。「プライ」数字は生地の層を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4。空洞のバリエーションのウェーバー番号を寸法します。関係と (、) の分離角
、(b) キャビティ深さ
、(c) スプラッシュ クラウンの高さ、および (d) キャビティ幅。球の直径の点で無次元化プロパティは
。誤差範囲は、各ポイントで 5 つの試験の平均値、標準偏差を表します。図は、ワトソンら1から変更されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5。水中の降下中に球の代表的な運動です。(、) の垂直方向の位置の一時的なトラック
と (b) 速度
球に影響を与えるため、水の上に生地の 0-4 層。軌跡球直径の点で無次元化はと衝撃速度
それぞれ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
このプロトコルでは、実験的なデザインと深い液体プールに自由落下球体の調査のためのベスト プラクティスについて説明します。まず、垂直方向への影響実験を構成するために必要な手順を強調表示しています。壁の影響が無視できる9、および運動12,13,14 を抽出するための適切なビジュアル スケールをされるよう、十分な大きさのスプラッシュ ゾーンの使用に理想的なスプラッシュ環境を作成することが重要です。 ,,1516,17,18,19,20,21。ショックアブソーバーは、余分な実験教材から即席に作られることができます中、水と適切な汚れ除去剤実験の前に消毒する必要があります。ショック吸収とタンクをきれいにする失敗は、実験中に不純物の導入につながるおよびスプラッシュ特性を変更できます。文献、実験的清浄度の維持に関する細部の欠如が存在してなど、この記事は、エントリ試験水から一貫性のある結果を得るためのガイドラインを示します。
上記の手法は、先行研究に見られるようにチューニングが適用されます。鉄球を使用する場合、著者によって採用されるスプリング作動リリース メカニズムを電磁石15を代えることが。高速カメラが設定されているとき、メソッドの使いやすさが向上しましたフォトセルを球が落ちた後を自動的にトリガーできます12または赤外線トリガー22,23, しかし、これらは複雑さを追加します。インパクター濡れ性を制御するための表面処理は、・ デュエズら8に見られるようにより厳密なアプローチを使用して行うことができます。たとえば、球 octyltriethoxysilane をグラフトしたイソプロピルですすぎ、90 ° C のオーブンで加熱は、超疎水性8を達成します。プロトコルは、空洞が特徴3はより顕著になる、バックライトに黒い画面 (図 1 aに示されている) を置き換えることで改良された空洞の可視化のためさらに調整できます。
理論的な調査のための一時的な運動を検討する際に注意が必要があります。一時的な位置トラック提示速度のトラックよりも歪みの少ない、数値微分1,3,15前に平滑化を必要とします。サビツキー ・ ゴーレイ フィルターは各ポイントの平滑値を決定するための等間隔の値の範囲に多項式回帰を実行し、トラックの顕著な特徴は11をより忠実に維持できます。球の位置を追跡、サビツキー ・ ゴーレイ フィルター内第二度房多項式は、実験的ノイズを除去しながらトラックの顕著な特徴を保持します。最後に、研究者は、平滑化の必要なレベルを実現しながら可能な限り小さくする必要がありますフィルターの移動平均範囲の選択肢を持っています。
確立されたプロトコルはここで発表した資料のリストに制限されないと大きい衝撃速度と変換する海軍結果 augurs 無次元パラメーターの増加の範囲を生成するために大きな規模で実施することができ、業界向けアプリケーション
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
著者は工学・ コンピューター科学 (CECS) このプロジェクトを資金調達のための中央フロリダの大学でジョシュア Bom とスプラッシュ画像のクリス Souchik と貴重なフィードバックのニコラス スミスを認めたいと思います。
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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