Name: 変更された流体とインパクターの表面状態と深い液体プールに自由落下球体の影響 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 49 s
Description: 学ぶ 自由落下球体の水没実験における液体表面の変更と疎水性球体の調製法。貫通性繊維を用いた界面相互作用の可視化とデータ抽出技術を習得し、流体力学研究の基礎を理解する。

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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。

1. 垂直方向の影響の実験の設定
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>2 無次元パラメーターの制御
<ol><li>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。</li>
	<li>衝撃速度を生成するHの高さの範囲にわたって実験<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59300/59300eq1.jpg">、 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59300/59300eq2.jpg"> 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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>レイノルズ数の計算<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59300/59300eq3.jpg">とウェーバー番号<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59300/59300eq4.jpg">、 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。</li>
</ol>3. 衛生実験条件を維持します。
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>4. 不死身の生地で表面を重ねる
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>(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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 化学的に疎水性の球の準備
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>6. スプラッシュ可視化のためのカメラの同期
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>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
<ol><li>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)。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Watson, D. A., Stephen, J. L., Dickerson, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Jet+amplification+and+cavity+formation+induced+by+penetrable+fabrics+in+hydrophilic+sphere+entry%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Jet amplification and cavity formation induced by penetrable fabrics in hydrophilic sphere entry.</a> Physics of Fluids. 30, 082109(2018).</li>
<li>Truscott, T. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Cavity+dynamics+of+water+entry+for+spheres+and+ballistic+projectiles%22">Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles</a>. , Massachusetts Institute of Technology. Doctor of Philosophy Thesis (2009).</li>
<li>Truscott, T., Techet, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+spinning+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Water entry of spinning spheres.</a> Journal of Fluid Mechanics. 625, 135(2009).</li>
<li>Techet, A., Truscott, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+spinning+hydrophobic+and+hydrophilic+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Water entry of spinning hydrophobic and hydrophilic spheres.</a> Journal of Fluids and Structures. , 716(2011).</li>
<li>Zhao, S., Wei, C., Cong, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+investigation+of+water+entry+of+half+hydrophilic+and+half+hydrophobic+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Mathematical+Problems+in+Engineering%22%5BJournal%5D)">Numerical investigation of water entry of half hydrophilic and half hydrophobic spheres.</a> Mathematical Problems in Engineering. 2016, 1-15 (2016).</li>
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<li>Krishnan, S. R., Seelamantula, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+selection+of+optimum+Savitzky-Golay+filters%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Signal+Processing%22%5BJournal%5D)">On the selection of optimum Savitzky-Golay filters.</a> IEEE Transactions on Signal Processing. 61, 380-391 (2013).</li>
<li>Cheny, J., Walters, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extravagant+viscoelastic+effects+in+the+Worthington+jet+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Non-Newtonian+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Extravagant viscoelastic effects in the Worthington jet experiment.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 67, 125-135 (1996).</li>
<li>Castillo-Orozco, E., Davanlou, A., Choudhur, P. K., Kumar, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+impact+on+deep+liquid+pools%3A+Rayleigh+jet+to+formation+of+secondary+droplets%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Droplet impact on deep liquid pools: Rayleigh jet to formation of secondary droplets.</a> Physical Review E. 92, (2015).</li>
<li>Aristoff, J. M., Truscott, T. T., Techet, A. H., Bush, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+water+entry+cavity+formed+by+low+bond+number+impacts%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">The water entry cavity formed by low bond number impacts.</a> Physics of Fluids. 20, 091111(2008).</li>
<li>Aristoff, J., Bush, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+small+hydrophobic+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Water entry of small hydrophobic spheres.</a> Journal of Fluid Mechanics. 619, 45-78 (2009).</li>
<li>Aristoff, J., Truscott, T., Techet, A., Bush, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+water+entry+of+decelerating+spheres%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">The water entry of decelerating spheres.</a> Physics of Fluids. 22, (2010).</li>
<li>Truscott, T., Epps, B., Techet, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unsteady+forces+on+spheres+during+free-surface+water+entry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Unsteady forces on spheres during free-surface water entry.</a> Journal of Fluid Mechanics. 704, 173-210 (2012).</li>
<li>Truscott, T. T., Epps, B. P., Belden, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+entry+of+projectiles%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Water entry of projectiles.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 46, 355-378 (2013).</li>
<li>Gekle, S., Gordillo, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+and+breakup+of+Worthington+jets+after+cavity+collapse+part+1%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Generation and breakup of Worthington jets after cavity collapse part 1.</a> Journal of Fluid Mechanics. 663, 293-330 (2010).</li>
<li>Cross, R., Lindsey, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+drag+force+on+a+falling+ball%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">Measuring the drag force on a falling ball.</a> The Physics Teacher. 169, (2014).</li>
<li>Cross, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vertical+impact+of+a+sphere+falling+into+water%5BTitle%5D)+AND+%22The+Physics+Teacher%22%5BJournal%5D)">Vertical impact of a sphere falling into water.</a> The Physics Teacher. , 153(2016).</li>
<li>Dickerson, A. K., Shankles, P., Madhavan, N., Hu, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mosquitoes+survive+raindrop+collisions+by+virtue+of+their+low+mass%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (25), 9822-9827 (2012).</li>
<li>Dickerson, A. K., Shankles, P., Hu, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Raindrops+push+and+splash+flying+insects%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Raindrops push and splash flying insects.</a> Physics of Fluids. 26, 02710(2014).</li>
</ol>

著者が明らかに何もありません。

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,<sup cla...

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.

<table><tbody><tr><td>3Dプリンター</td><td>FlashForge</td><td>Creator Pro</td><td>デュアル押出</td></tr><tr><td>アルコール</td><td>白鳥</td><td>M314</td><td>99% イソプロピル</td></tr><tr><td>BNC ケーブル</td><td>Thorlabs</td><td>2249-C-24</td><td></td></tr><tr><td>キャリパー</td><td>いつでも ツール</td><td>203185</td><td>ダイヤル</td></tr><tr><td>カメラ</td><td>フォトロン</td><td>ミニ AX-100</td><td>16GB RAM</td></tr><tr><td>コンピューター</td><td>Dell</td><td>Windows 7 Pro</td><td></td></tr><tr><td>生地</td><td>ジョージアパシフィック</td><td>19378</td><td>トイレットペーパー</td></tr><tr><td>生地</td><td>クリネックス</td><td>10036000478478</td><td>ティッシュ</td></tr><tr><td>レーザーカッター</td><td>グローフォージ</td><td>ベーシック</td><td></td></tr><tr><td>ライト</td><td>GS Vitec</td><td>LT-V9-15</td><td>マルチ LED</td></tr><tr><td>顕微鏡</td><td>キーエンス</td><td>VHX-900F</td><td>デジタル</td></tr><tr><td>レトルト</td><td>スタンド VWR</td><td>VWRF08530.083</td><td></td></tr><tr><td>ルーター</td><td>ASUS</td><td>RT-N12</td><td>オフ ネットワーク</td></tr><tr><td>ルーラー</td><td>Westcott</td><td>10432</td><td>メーター ルーラー</td></tr><tr><td>ソフトウェア</td><td>オープンソース</td><td>トラッカー</td><td>ビデオ分析</td></tr><tr><td>ソフトウェア</td><td>フォトロン</td><td>Fastcam ビューア</td><td>ビデオ録画</td></tr><tr><td>球</td><td>Amazon</td><td>8DELSET</td><td>デルリン</td></tr><tr><td>スプレー</td><td>錆-発煙</td><td>274232</td><td>撥水</td></tr>界<tr><td>面活性剤</td><td>ドーン</td><td>37000973782</td><td>液体石鹸</td></tr><tr>界<td>面活性剤</td><td>USPコーシャ</td><td>5ガロン</td><td>グリセリン</td></tr><tr><td>引張試験機</td><td>MTS</td><td>モデル42</td><td></td></tr><tr><td>トリガースイッチ</td><td>カスタムメイド</td><td></td><td></td></tr><tr><td>水タンク</td><td>アクア氏</td><td>MA-730</td><td>非強化ガラス</td></tr></tbody></table>

変更された流体とインパクターの表面状態と深い液体プールに自由落下球体の影響

Impacts of Free-falling Spheres on a Deep Liquid Pool with Altered Fluid and Impactor Surface Conditions

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。

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<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59300/59300eq5.jpg">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...

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。

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ...

このプロトコルは、自由落下球を用いた水注入実験を実証する。浸透した布を有する液体表面の変化、新興球における化学の調製、スプラッシュ可視化、およびデータ抽出について議論される。これらの技術は、固体物体と流体体の間の界面相互作用を理解するために向けた基本的な流体力学研究への洞察を提供する。この手順のデモンストレーションは、アルバータ州出身の学部生であるジョシュア・ボムとジェレミー・スティーブンです。皮膚オイルで水とインコンターを汚染しないように、この手順を通して工業用グレードのニトリル手袋を着用してください。水道水と洗剤で透明なタンクを徹底的に清掃し始めます。その後、水道水の32リットルでそれを埋めます。99%イソプロピルアルコールで2つのメトリック定規をきれいにし、1分間乾燥させます。水に触れるだけで、タンクの前部に向けて定規を1つマウントします。水中で垂直に第2定規を固定します。次に、タンクの前面に対して、プラットフォームが上記の水定規と同じ深さ平面内になるように、タンク上のヒンジ付きプラットフォームを固定します。プラットフォームを最大のドロップ高さに調整してから、マルチ LED ライトを関節アームに取り付け、ライトをタンクの上と前に配置して、プラットフォームの下のスプラッシュ ゾーンを完全に照らします。スプラッシュとキャビティの視覚化を支援するために、タンクの背面に黒い画面を設定します。タンクの底部に閉じたセルスポンジなどのクリーンオイルフリーショックアブソーバーを敷き、クリーンウェイトで所定の位置に保持します。次に、流体の表面に沿ってタンクに向かって高速カメラを取り付けます。必要に応じて、トリガースイッチをカメラに接続します。カメラをコンピュータに接続し、1 秒あたり 1,000 フレーム以上のフレーム レートにカメラを構成します。目的の解像度を選択し、シャッター速度を 1 フレーム単位の秒に設定します。該当する場合は、トリガー・モードを End に設定します。次に、99%イソプロピルアルコールを用いて小さなスクープとポリオキシドメタノール球を洗浄し、皮脂やその他の汚染物を除去します。球体とすくいが1分間乾燥させます。プリフォームテスト試験を行い、カメラの位置、フォーカス、解像度を調整して、スプラッシュイベントの最適な可視化品質を実現します。その後、スクープで球を取り出し、球体をきれいにし、イソプロピルアルコールですくいます。実験を開始する準備ができたら、タンクの撮影を開始します。ヒンジプラットフォームを所定の位置に持ち上げ、プラットフォーム上できれいな乾燥した球を休ませてください。プラットフォームのベースを解放して、球体をタンクにドロップします。次に、ビデオファイルを保存してビデオをトリミングしてスプラッシュイベントのみを表示します。次のテストに進む準備ができたら、スクープで球を取り出します。イソプロピルアルコールで球を洗浄し、テストを繰り返す前に1分間乾燥させます。実験が終了したら、タンクを空にして乾燥させます。テストのために浸透可能な生地を準備するには、所望の生地を正方形または丸い層に分離し、バーニエキャリパーを使用して乾燥生地の圧縮厚さを測定します。実験を設定する際に、2台目の高速カメラをタンクの上に取り付け、生地に影響を与える球体のトップダウンビューを提供します。水平カメラ出力をBNCケーブルで頭上のカメラ入力端子に接続します。トリガースイッチを水平カメラに接続します。次に、イーサネットケーブルを使用して、両方のカメラをカメラコンピュータに接続されたオフラインルーターに接続します。通常どおり、両方のカメラに焦点を合わせ、設定します。実験をプリフォームする準備ができたら、乾燥した布をタンク内の液体の表面に静かに休ませてください。トライアルが始まる前に、ファブリックが沈み始めないようにします。清潔なオイルフリースクープを使用して、ヒンジ付きプラットフォームの下に生地を配置します。トリガースイッチを使用して、衝突を設定する前に、両方のカメラでスプラッシュゾーンの同時撮影を開始します。衝突直後にファブリックを取り外します。衝撃にファブリックの破片と擦り傷が手動で空に収集できない場合は、すべての生地が取り除かれであることを保証するために、すべての試験の後にタンクをきれいにします。化学的に疎水性の球体を作り始めるには、ポリオキシドメントール球体をアクリルホルダーに収める。表面コーティング用の球体の配置は、このプロトコルの最も困難な側面です。位置決めは、わずかに広い球を持つ層コートアクリルシートで制御されます。球体の表面を浸さずに、約15〜30センチメートル離れた疎水性ベースコートで球をスプレーします。次に、表面を浸さずに約15〜30センチメートル離れた疎水性トップコートで球をスプレーし、1〜2分間乾燥させます。同じ方法で2つまたは3つの上のコーティングを適用します。球体を軽く使用する場合は30分、またはフルユースで約12時間乾燥させます。衝撃試験を事前形成すると、各試験の後に球体を完全に乾燥させるので、イソプロピルアルコールですすいでください。疎水性コーティングは、約20回の試験後に劣化します。この球を再利用するには、99%イソプロピルアルコールでコーティングを除去し、前述のようにベースとトップコートを再塗布する。解析を開始するには、ビデオ解析ソフトウェアにスプラッシュイベントの高速ビデオをインポートします。スケール ツールを使用して、ルーラーの表示領域に基づいてスケール値をセンチメートル単位で設定します。ビデオを進んで、スプラッシュクラウンの昇天と空気の封じ込めを示す適切なフレームを見つけます。スプラッシュ クラウンの高さ、キャビティの幅、およびキャビティの深さを測定します。角度測定ツールを使用して、分離角度を決定します。ビデオをさらに進め、ワージントンジェットの形成を示す適切なフレームを見つけ、ワージントンジェットの高さを測定します。最後に、自動トラッキング機能を使用して、インパクトの時間的位置と速度日付を抽出します。追跡が中断された場合は、自動追跡が再開できるまで手動追跡を使用します。ここでは、この手順を使用して、垂直方向の衝撃による飛散に対するファブリックの影響を評価しました。1つのポニーを持つスプラッシュの高さは、布製のないスプラッシュの高さに対して増幅されました。2つの層を持つスプラッシュの高さは、生地のないスプラッシュの高さにほぼ等しかった。飛び散りは3と4の層で大きく減衰しました。織物の単一の層に影響を与える球からの空洞の深さ、スプラッシュ地高、および空洞幅のウェーバー数全体で最小の変動が観察された。球体の垂直位置を水中で追跡し、各ファブリックの層を加えて水中速度のより大きな減少を観察することを可能にした。研究者は、実験中に衛生実験条件の維持に細心の注意を払い、一貫した有効な結果を得る必要があります。この技術は、ここで提示される材料に限定されず、同様の機能と機能の材料で行うことができます。シリングのような高い貯留層の導入によって、このプロシージャは固体または液体表面に液体の液滴の縦の影響の調査のために上昇させることができる。このプロトコルは、一般的な大きな影響速度と、すべて海軍および産業用途に適した次元のないパラメータの範囲を増加させるために、より大きなスケールで事前に形成することができます。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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