Yöntem makalesi

Düşen küreler değişmiş sıvı ve Impactor yüzey koşulları ile derin sıvı bir havuzu üzerinde etkileri

6K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/59300

⸱

17 Şubat 2019

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

Bu makalede

Özet

Bu iletişim kuralı ile düşen küreler su giriş deneyler için temel deneysel yapılandırma gösterir. Sıvı yüzeyi geçirgen kumaşlar ile değiştirilmesi, kimyasal olarak ıslatma küreler hazırlanması için yöntemleri ve sıçrama görselleştirme ve veri ayıklama için adımları ele alınmıştır.

Özet

Temiz su küre dikey etkileri çok sayıda su giriş araştırmalar kavite oluşumu karakterize konu oldu, sıçrama taç yükseliş ve Worthington istikrar jet. Burada, biz ne zaman düzgün düşen değişen wettability, kütle ve çapı etkiye sahip ince edilebilen kumaşlar ve sıvı yüzey tarafından değiştirilmiş bir derin sıvı havuzu ücretsiz yüzeyine yuvar sıçrama dynamics incelenmesi için deneysel protokol kurmak. Su giriş araştırmalar erişilebilir, kolay montajı ve yürütülen deneyler karmaşık akışkanlar mekaniği çalışmak için sağlar. Biz burada splash yüksekliği, akış ayırma ölçümleri ve Impactor kinematik ve yaklaşımımız üreyen elde edilebilir temsilcisi sonuçları karakterize için ayarlanabilir bir iletişim kuralı mevcut. Karakteristik sıçrama boyutları yaklaşık 0,5 m altında kaldığında yöntemleri geçerlidir. Ancak, bu iletişim kuralını hangi kamu sonuçları için deniz çevirmek için iyi daha fazla Impactor yayın yükseklikte ve etkisi hızları, için adapte olabilir ve sanayi uygulamaları.

Giriş

Splash dinamikleri üzerinde derin sıvı havuz1 dikey katı cisimlerin etkilerinden kaynaklanan karakterizasyonu2açılış balistik füze su giriş ve deniz yüzeyi gibi askeri, deniz ve endüstriyel uygulamalar için geçerlidir, 3,4,5. Su girişi ilk çalışmaların bir yüzyıldan daha önce de yapılmıştır6,7. Burada, açık derinlemesine protokolleri ve su girişi araştırmalar için tutarlı sonuçlar elde etmek için en iyi yöntemler kurmak. Geçerli deneysel tasarım yardım etmek için bir yöntem sunulur sıhhi şartları bakımından, interfacial koşulları değiştirme, boyutsuz parametreleri kontrolünü, kimyasal Impactor yüzey modifikasyonu ve sıçrama kinematik görselleştirme için.

Dikey düşen hidrofilik küreler durgun sıvı üzerinde etkileri düşük hızları8' de hava-tuzak hiçbir işaret. Bulduğumuz ince edilebilen kumaşlar sıvı yüzey üstüne yerleşimini kavite oluşumu nedeniyle zorunlu akış ayırma1neden olur. Yetersiz miktarda kumaş yüzeyinde yeterli katmanlama üstesinden küreler sıvı giriş1sürüklerken sıçramasına zayıflar iken orta Weber numaraları aralığında sıçramasına güçlendirir. Bu makalede, biz hidrofilik küreler su girişindeki maddi gücü etkileri oluşturmak için uygun iletişim kuralları açıklar.

Kavite sıçramalarına gelen hidrofobik oluşturan bir iyi gelişmiş sıçrama taç yükseliş kırıcılar göstermek birincil jet zaman onların su-sevme karşıtları8' e göre yüzey üzerinde çıkıntı izledi. Burada, su iticilik hidrofilik küre yüzeyine kimyasal olarak değiştirme yoluyla elde etmek için bir yaklaşım mevcut.

Yüksek hızlı kameralar ve advent ile splash görselleştirme ve karakterizasyonu daha ulaşılabilir hale gelmiştir. Öyle olsa bile, alanında kurulan Standartlar tek kamera kullanım için seyahat birincil eksenine dik ara. Genel gider görünümler için ek bir yüksek hızlı kamera kullanımı hedeflenen yeri küreler strike hükümvermek için gerekli olduğunu göstereceğiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. deneme dikey etkileri için yapılandırma

  1. Şeffaf su haznesi boyutları yaklaşık 60 cm doldurmak x 30 cm x 36 cm (uzunluk x Ağırlık x derinlik) 32 L su ile ve Bankası sıvı oturur gibi kapsayıcı içinde dikey olarak metre cetvel ('görsel ölçek') Şekil 1a' görüldüğü gibi bağlarsınız.
    Not: Derinlik ve genişlik tank 20 kez denemeye ihmal edilebilir9duvar etkileri sağlamak için kullanılan en büyük Küre çapı büyük olması gerekir. O burada açıklanan irade daha büyük giriş hızı büyük tank derinliği gerektirir. Damla yükseklikleri ve izleme yazılımı kalibrasyonu belirlemek için kullanılan görsel ölçek 7 bölümünde açıklanır.
  2. Bir ek metre cetvel boyutlarını büyütmek için hareket edebilir suyun altına yerleştirin. Bu görsel ölçek takip yazılımı sualtı ölçümler için kalibre için kullanılır.
  3. Küreler sıvı yukarıda askıya alır ve teğet ivme yerçekimi Impactor yeri ne zaman serbest bırakmak, daha büyük Şekil 1a' görüldüğü gibi elde etmek için aşağıya doğru döner bir menteşeli platformu ('bırakma mekanizması') oluşturun. Hızlı dönüş lastikleri kullanarak destekleyici bileşen Merkezi için menteşeli platformu bağlanarak elde edilir. Desteklenmeyen ve dönmeyen Impactor sonucudur.
    Not: Platform kolayca 3D printerlere harcama maddeler ile imal edilmiştir.
  4. Etkisi denemeler için başparmak menteşeli platform taban ve küre sıvı üzerinde yerleşim için bir yatay konuma 90 ° döndürmek için yerleştirin.
    Not: geri çekme başparmak platform tabanından serbest bırakıldığında tetiklenir.
  5. Öyle ki aygıt-ebilmek var olmak ayarlamak için çeşitli yükseklikleri bırakma mekanizması bir imbik stand için yapıştırmayın.
  6. Yer imbik bırakma mekanizması görsel ölçek olarak aynı derinlik düzlem içinde öyle ki deponun yanında dur. Bir ağırlık imbik stand tabanına devrildiği önlemek için gerektiği gibi ekleyin.
  7. Bırakma mekanizması en çok istenilen deneysel bırakma yüksekliği ayarlayın. Bu 6 bölümünde açıklandığı gibi en iyi sıçrama görselleştirme için gereklidir ve sıçrama ilgi her zaman kameranın görüş çerçevesinde nelerdir sağlar.
  8. Sıçrama bölgesindesiniz seyir kamera yukarıda ışık monte öyle ki bir çok LED ışık eklem kolunu iliştirin. Ortam ışığı tek başına yetersiz yüksek kare hızları yerinde aydınlatmak sıçrama kinematik ayıklamak için gereklidir.
    Not: Bir asla çok fazla ışık olacak.
  9. Şekil 2' de görüldüğü gibi sıçrama ve boşluğu görselleştirme yardım etmek için su deposu arkasında siyah bir ekran yerleştirin.
  10. Bir cam koruyucu şok emici, kapalı hücreli sünger gibi su deposu ve ucu cilt soyma önlemek için ağırlıklar ile altına yerleştirin.
    Not: küre darbe emici hava boşluğuna çimdik10kapalı önce ile etkileşime girmez öyle ki içinde belgili tanımlık tank sıvı yüksekliği olmalıdır.

2. kontrol etme boyutsuz parametreleri

  1. Düz küreler çeşitli kitleler ve çapları ile deneyler. Bunun için polyoxymethylene (örneğin, Delrin) para yapma topları özellikle de iş ve hiçbir kalıp bölümü çizgi var. Kitleler ve çapları bir analitik dengesi ve Vernier kumpas ile sırasıyla ölçmek.
  2. Yükseklikleri H etkisi hızları oluşturmak için bir dizi üzerinde deneyler figure-protocol-1 nerede figure-protocol-2 m/s2 yerçekimi nedeniyle ivme olduğunu. Yükseklik kamera çerçeve içinde görsel ölçek ölçmek.
    Not: video çözümleme aracı Otomatik izleme özelliğinde etkisi hızları ölçmek için 7 bölümünde açıklandığı gibi kullanın.
  3. Sıvı karışımları su ve yüzey gerilimi değiştirmek için uygun yüzey (örneğin, gliserin veya sabun) ile deneyler. Yüzey gerilimi ile yüzey tensiometer ölçmek.
  4. Reynolds sayıları hesaplamak figure-protocol-3 ve Weber numaraları figure-protocol-4 ρ sıvı yoğunluğu nerede D Küre çapı, μ σ sıvının yüzey gerilimi ve sıvı dinamik viskozite.

3. sıhhi deneysel koşullar Bakımı

  1. Endüstriyel nitril eldiven giyerken deneyler ve küreler su tankından arındırılmış bir kepçe ile alabilirsiniz.
    Dikkat: Cilt doğal olarak kırıcılar wettability etkiler ve sıvı koşulları kusur yağlar üretir.
  2. Küreler % 99 izopropil alkol ile temiz ve yabancı maddelerin etkisini önlemek için denemeler arasında 1 dakika kurumasını sağlar.
  3. Saçak'ın el ile toplanamaz etkisi sırasında parçalayın kumaşlar kullanılıyorsa, su tankında her davadan sonra yerini.
  4. Deney sonunda, tank boş ve kurumaya bırakın.
  5. Bir deneme daha önce herhangi bir kirleri çıkarmak için su ile tank temiz.

4. katman yüzey ile aşılabilir kumaşlar

  1. Kumaş kare içine ayırmak veya plies etkisi denemeler için hazırlık yuvarlak. Vernier Kaliper kumaşın sıkıştırılmış kalınlık elde etmek için kullanın.
    Not: Islak kumaş kalınlığı değişir.
  2. Yavaşça kuru kumaş yüzeyi sıvı havuzun üstüne getirin. Plies iniş daha yayınlanmadan önce başlamak yok ve hemen çarpışmadan sonra kumaşlar yerine sağlamak.
  3. Ayıklanmış bir kepçe küreler serbest bırakmadan önce kumaş menteşeli platform altında konumlandırmak için kullanın.
  4. (İsteğe bağlı) Bir kumaş örnek için malzeme karakterizasyonu kullanarak aşağıdaki sınamaları gerçekleştirin.
    1. Elastik modül örnek belirlemek için bir çekme test kullanarak gerilme test yapın.
    2. Dijital mikroskop kumaş mikroskobik bir görünümünü elde etmek ve bir görüntüleme aracı kullanarak lif uzunluğu belirlemek için kullanın.

5. kimyasal olarak hidrofobik küreler hazırlanması

  1. Sprey hidrofobik baz kat küre yüzeyinden yaklaşık 15-30 cm. Yüzey nemlendirici kaçının. 1\u20122 min için ek kaplamalar eklemeden önce kurumasını bekleyin. İki daha fazla baz kat uygulanır. Üst kat uygulamadan önce 30 dakika kurumasını bekleyin.
    Not: Ek yüzey sayısını ürün üreticisinin tavsiyelerine göre değişebilir.
  2. Sprey hidrofobik üst kat yüzeyden yaklaşık 15-30 cm. Yüzey nemlendirici kaçının. 1-2 min için ek kaplamalar eklemeden önce kurumasını bekleyin. Üst kat, iki ya da üç daha fazla kaplama uygulanır. Işık kullanmak için ve tam kullanım için 12 h 30 dakika kurumasını sağlar.
    Not: Ek yüzey kat sayısı ürün üreticisinin tavsiyelerine göre değişebilir.
  3. Yaklaşık 20 denemeler sonra hidrofobik kaplama nedeniyle aşırı kullanım güvenliği tehlikeye. Kaplama ile % 99 izopropil kaldırmak ve 5.1 ve 5.2 numaralı adımları yineleyin.

6. kameralar sıçrama görselleştirme için eşitleme

  1. Yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi ile uygun bir mercek etkisi eksenine dik ve satır içi sıvı yüzeyi ile yerleştirin.
    Not: Bir 55 mm prime lens iyi bir başlangıç noktası sağlar.
  2. Kumaşlar kullanılmak üzere olduğu, ek bir yüksek hızlı fotoğraf makinesi Şekil 1badımında görüldüğü gibi etkileri, yukarıdan aşağıya görünümünü sağlamak için deneme ekleyin.
  3. Aşağıdaki adımları kullanarak bir bilgisayara birden fazla kamera eşitleyin.
    1. Yatay fotoğraf makinesinin her iki çıkış terminalleri BNC kablolama ile munzam fotoğraf makinesi her iki giriş terminalleri için bağlayın.
    2. Tetikleyici anahtarı yalnızca yatay fotoğraf makinesini bağlayın.
    3. Bilgisayara bağlı bir ağ yönlendirici her ikisi fotoğraf makinesi Ethernet kabloları takın.
      Not: bir yönlendirici yokluğunda, bilgisayarlar ayrı kameraların Ethernet kabloları bağlayın.
  4. Video alma yazılımı, kameralar aşağıdaki ayarlarla yapılandırın. En az 1000 fps kare hızını ayarlamak, ekran çözünürlüğü için istenen Çözünürlük ayarlayın. 1 kare başına ikinci çekim hızı ayarlamak ve sona erdirmek için tetik modunu ayarlayın.
  5. En fazla yayın yükseklikten Worthington jetleri video karesi içinde olduğundan emin olmak için test deneme bir dizi yapmak.
  6. İstenen görselleştirme kalite elde edene kadar kamera konumunu ve odak buna göre ayarlayın.
  7. Kaydettikten sonra kinematik ve geometrik ölçümleri hulâsa--dan uygun video analiz aracını kullanarak video. İzci, bir açık kaynak çözümleme aracı veya herhangi bir yazılım karşılaştırmalı kabiliyetinin kullanın.

7. digitizing etkisi kinematik izci yazılımı ile

  1. Kalibrasyon sopa İzleyicisi araç kutusundan seçin ve görsel ölçek (Şekil 2a), mümkün olduğunca uzun sopa yapma maç.
  2. Kalibrasyon sopa tıklatın ve sopa tarafından yayılmış görsel ölçek uzunluğu ölçekleme değerini ayarlayın. Kalibrasyon sopa görsel ölçekte 1 cm yayılmışsa, diğer bir deyişle, ölçekleme değeri 1'e ayarlayın.
    Not: Bu bilgisayar yazılımı--dan alınan ölçümlere santimetre sırasına göre sağlar.
  3. Video oynatmayı başlatma ve durdurma tıklatarak geçiş yapmak ve istediğiniz kareye video ayarlayın.
  4. Sopa ölçme İzleyicisi araç kutusundan seçin ve Şekil 2b,cgörüldüğü gibi sıçrama taç yüksekliği k, boşluğu genişliği b, kavite derinlik lve Worthington jet yüksekliği h, ayıklayın.
    Not: Ölçme sopa her iki ucunda da ayarlanabilir ve diğer araç kutusu seçimleri ile aynı anda kullanılabilir.
  5. İletki İzleyicisi araç kutusundan seçin ve Şekil 2bgörüldüğü gibi sıvı Impactor göre ayırma açısı q ölçün. İletki her iki uçta da ayarlanabilir ve diğer araç kutusu seçimleri ile aynı anda kullanılabilir.
  6. Otomatik izleme özelliği geçici konum ve hız veri kaydetmek için yazılım seçin. İzleme netlik elde edilir kadar video, kullanım el ile izleme içinde netlik eksikliği nedeniyle kesintiye uğramış ve otomatik izleme olduğunda sürdürülür.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Bu kurulan iletişim kurallarına izin ver dikey etkileri Weber aralığı sayılar üzerinde doğan Worthington jetleri gözetilmesi için figure-results-1 Şekil 2 cgörüldüğü gibi. Bu sonuçlar Watson ve ark.1burada sunulan veriler üretmek için kullanılan tam deneysel koşullar için başvurulabilir, yayınlanır. Biz sıvı ücretsiz sıvı yüzeyi üzerinde çıkıntılı dar uzun film odaklıyız.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bu iletişim kuralı deneysel tasarım ve düşen küre derin sıvı havuzu üzerine araştırmalar için en iyi yöntemler açıklanmaktadır. Biz dikey etkileri denemenin yapılandırmak için gereken adımları vurgulayarak başlar. Önemsiz9ve kinematik12,13,14 ayıklamak için uygun görsel ölçeği duvar etkileri vardır öyle ki yeterince büyük sıçrama bölgesindesiniz kullanımı ile bir ideal sıçrama ortam yaratmak önemlidir

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

Yazarlar mühendislik ve Bilgisayar Bilimleri (CECS), merkezi bu proje finansmanı için Florida Üniversitesi Joshua Bom ve Chris Souchik sıçrama görüntü ve Nicholas Smith değerli geribildirim için kabul etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
3D YazıcıFlashForgeCreator ProÇift Ekstrüzyon
AlkolKuğuM314%99 İzopropil
BNC KablolarıThorlabs2249-C-24
KaliperHer Zaman Araçlar203185Kadranlı
KameraPhotronMini AX-10016GB Ram
BilgisayarDellWindows 7 Pro
KumaşGeorgia Pacific19378Tuvalet
Kağıdı KumaşKleenex10036000478478Doku
Lazer KesiciGlowforgeTemel
IşıklarGS VitecLT-V9-15Multi-LED
MikroskopKeyenceVHX-900FDijital
İmbik StandıVWRVWRF08530.083
YönlendiriciASUSRT-N12Kapalı Ağ
CetveliWestcott10432Metre Cetvel
YazılımıAçık KaynakİzleyiciVideo Analiz
YazılımıPhotronFastcam ViewerVideo Kayıt
KüresiAmazon8DELSETDelrin
SpreyPas-Oleum274232Su İtici
Yüzey Aktif MaddeŞafak37000973782Sıvı Sabun
Yüzey Aktif MaddeUSP Koşer5 GalonGliserin
Çekme Test CihazıMTSModel 42
Tetik AnahtarıÖzel Yapım
Mr. AquaMA-730Tempersiz Cam
Su Deposu

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

S v Havuz arpmasS rama Dinami iKuma PenetrasyonuHidrofobik KaplamaY ksek H zl G r nt lemeKavitasyon Olu umuWorthington Jetiarpma Kinemati iAk kanlar Mekani i

İlgili makaleler