自由落体对变液和冲击物表面条件下深层液池的影响

摘要

该协议演示了自由落体进水实验的基本实验结构。讨论了用可渗透织物改变液体表面的方法、化学非润湿球体的制备以及飞溅可视化和数据提取的步骤。

摘要

球体对清洁水的垂直影响一直是许多水进入调查的主题, 其特征是腔的形成、飞溅冠的提升和沃辛顿的喷射稳定性。在这里, 我们建立了实验协议, 以检查飞溅动力学时, 光滑的自由落体球不同的润湿性, 质量和直径影响一个深液池的自由表面修改薄渗透织物和液体表面活性剂。进水调查为研究复杂流体力学提供了可访问的、易于组装和执行的实验。我们在此提出了一个可调谐的协议, 用于表征飞溅高度、流量分离指标和冲击运动学, 以及如果重现我们的方法可能会获得的代表性结果。当特征飞溅尺寸保持在约0.5 米以下时, 该方法适用。然而, 该协议可以适应更大的冲击释放高度和冲击速度, 这预示着将结果转化为海军和工业应用的好兆头。

引言

固体物体对深液池¹的垂直撞击所产生的飞溅动力学特性适用于军事、海军和工业应用, 如弹道导弹进水和海面^{着陆 2, 3,4,5}。第一次进水研究是在一个多世纪前^{的 6、7日}进行的。在这里, 我们建立了明确的深入协议和最佳做法, 以便在进水调查中取得一致的结果。为了辅助有效的实验设计, 提出了一种卫生条件维护、界面条件改变、无量纲参数控制、冲击表面化学修饰、飞溅运动学可视化等方法。

自由落体亲水球体对静止流体的垂直影响在低速时没有空气堵塞的迹象.我们发现, 在流体表面上放置薄型可穿透织物会导致空腔形成, 原因是强制流动分离¹。表面上少量的织物放大了在一系列中等韦伯数上的飞溅, 而足够的分层衰减飞溅, 因为球体克服了流体入口¹的阻力。在本文中, 我们解释了适用于确定材料强度对亲水球进水的影响的协议。

从疏水冲击器形成的凹槽显示了一个发育良好的飞溅冠的提升, 其次是原始射流在地表上方的突起, 而与他们喜欢水的对应者^相比。在这里, 我们提出了一种方法, 以实现防水通过化学改性的水面亲水球。

随着高速摄像机的出现, 飞溅可视化和表征变得更加容易实现。即使如此, 该领域的既定标准也要求使用与旅行的主轴正交的单个相机。我们表明, 使用额外的高速摄像头的架空视图是必要的, 以判断球体罢工的预期位置。

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研究方案

1. 配置垂直冲击的实验

1. 将尺寸约为60厘米 x30 厘米 x 36 厘米 (长度 x 重量 x 深度) 的透明水箱填充32升的水, 并在容器内垂直安装仪表尺 ("视觉刻度"), 使底座位于流体顶部, 如图1a 所示。
   注: 罐的深度和宽度必须大于实验中使用的最大球体直径的 20倍, 以确保墙体效应可以忽略不计.比这里描述的更高的进入速度将需要更大的坦克深度。第7节讨论了用于确定落差高度和跟踪软件校准的视觉刻度。
2. 在水下放置一个额外的仪表标尺, 它可以放大尺寸。此视觉刻度用于校准水下测量的跟踪软件。
3. 构建一个铰链平台 ("释放机制"), 该平台将球体悬挂在流体上方并向下旋转, 以便在释放时在撞击物位置实现大于重力的切向加速度, 如图 1 a 所示。通过使用松紧带将铰链平台连接到支撑部件的中心来实现快速旋转。其结果是一个不受支持的和非旋转的冲击器。
   注: 使用3d 打印机可轻松制作平台。
4. 对于冲击试验, 将拇指放置在铰链平台的底部, 并将其旋转90°到水平位置, 以便将球体放置在流体上方。
   注: 当拇指从平台底部释放时, 将触发收缩。
5. 将释放机构贴在反驳支架上, 使设备可以调整到不同的高度。
6. 将蒸馏器支架放在储罐旁边, 使释放机构与视觉刻度在同一深度平面内。根据需要在蒸馏器支架的底部添加一个重量, 以防止翻倒。
7. 将释放机制调整到所需的最大实验落差高度。这对于第6节中讨论的最佳飞溅可视化是必要的, 并确保感兴趣的飞溅特性始终在相机的观看框架内。
8. 将多 led 灯连接到关节臂上, 使光线安装在相机上方, 向下看溅区域。仅有环境光不足以照亮场景所需的高帧速率, 以提取飞溅运动学。
   注: 一个人永远不能有太多的光。
9. 在水箱后面放置一个黑屏, 以帮助飞溅和腔可视化, 如图 2所示。
10. 将玻璃保护减震器 (如闭孔海绵) 放置在水箱底部, 并与重量固定, 以防止重新浮出水面。
    注: 储罐中流体的高度应使球体在气腔夹紧10之前不与减震器相互作用.

2. 控制无量纲参数

1. 用各种质量和直径的光滑球体进行实验。为此, 聚氧乙烯醚 (如 delrin) 投币球工作特别好, 没有模具零件线。分别使用分析天平和 vernier 卡尺测量质量和直径。
2. 在 h 的高度上进行实验, 以产生撞击速度 , 其中²是重力引起的加速度。使用相机帧内的视觉刻度测量高度。
   注: 如第7节所述, 使用视频分析工具中的自动跟踪功能来测量冲击速度。
3. 使用水和合适的表面活性剂 (如甘油或肥皂) 进行液体混合物的实验, 以改变表面张力。用表面张力计测量表面张力。
4. 计算雷诺数和韦伯数 , 其中液体的密度, d 是球体直径, μ是流体的动态粘度和流体的表面张力。

3. 保持卫生实验条件

1. 在戴工业亚硝酸盐手套的同时进行实验, 并用消毒后的勺子从水箱中取出球体。
   注意: 皮肤自然会产生油, 会影响撞击器的润湿性和污染液体的条件。
2. 用99% 的异丙醇清洁球体, 并允许在试验间隙干燥 1分钟, 以防止杂质的影响。
3. 如果使用在撞击过程中破裂的织物, 如果无法手动收集废料, 请在每次试验后更换水箱中的水。
4. 实验结束后, 将油箱倒空, 让它晾干。
5. 实验前, 用清水清洗水箱, 去除任何杂质。

4. 用可穿透织物对表面进行分层

1. 将织物分离成正方形或圆形层, 为冲击试验做准备。使用游标卡尺获得压缩厚度的织物。
   注: 湿法时织物厚度会发生变化。
2. 轻轻地把干燥的织物放在液池的表面上。确保在撞击物释放前不会开始下降, 并在碰撞后立即更换织物。
3. 在释放球体之前, 使用经过消毒的勺子将织物放置在铰链平台下方。
4. (可选)使用织物样品进行以下测试, 以进行材料表征。
   1. 使用拉伸测试仪进行拉伸测试, 以确定样品的弹性模量。
   2. 使用数字显微镜获得织物的显微镜视图, 并使用成像工具确定纤维长度。

5. 制备化学疏水球体

1. 在离球体表面约15-30 厘米的地方喷洒疏水基涂层。避免浸泡表面。在添加额外的涂层之前, 让它干燥 1\ u20122 分钟。再涂两件底漆。在涂上上衣之前, 请让它干燥30分钟。
   注: 根据产品制造商的建议, 额外表面的数量可能会有所不同。
2. 将疏水的上衣在离表面约15-30 厘米的地方喷洒。避免浸泡表面。在添加额外的涂层之前, 让它干燥1–2分钟。涂两到三层以上的上漆。允许干燥 30分钟, 轻用, 12小时, 完全使用。
   注: 根据产品制造商的建议, 额外表面涂层的数量可能会有所不同。
3. 经过大约20次试验, 疏水涂层由于过度处理而受到损害。去除99% 异丙基的涂层, 重复步骤5.1 和5.2。

6. 同步摄像机进行飞溅可视化

1. 放置一个高速相机与合适的镜头垂直于冲击轴, 并与流体表面的一致。
   注:55 毫米原透镜提供了一个良好的起点。
2. 在使用织物的情况下, 在实验中添加一个额外的高速摄像机, 以提供自上而下的影响视图, 如图1b 所示。
3. 使用以下步骤将多台摄像机同步到计算机。
   1. 使用 bnc 电缆将水平摄像机的两个输出端子连接到附加摄像机的两个输入端子。
   2. 仅将触发开关连接到水平相机。
   3. 将两个摄像机的以太网电缆插入连接到计算机的网络外路由器。
      注: 在没有路由器的情况下, 将摄像机的以太网电缆连接到单独的计算机。
4. 在视频采集软件中, 使用以下设置配置摄像机。将帧速率设置为最小 1, 000 fps, 将屏幕分辨率设置为所需的分辨率。将快门速度设置为每帧秒 1次, 并将触发模式设置为结束。
5. 从最大释放高度开始, 进行一系列测试试验, 以确保沃辛顿飞机在视频帧内。
6. 相应地调整相机位置和对焦, 直到达到所需的可视化质量。
7. 录制后, 使用合适的视频分析工具从视频中提取运动学和几何测量。使用跟踪器、开源分析工具或任何具有比较能力的软件。

7. 使用跟踪器软件对冲击运动学进行数字化处理

1. 从 "跟踪器" 工具箱中选择校准棒, 并将其与视觉刻度 (图 2a) 匹配, 使刻度杆尽可能长。
2. 单击校准棒, 并将缩放值设置为该刻度跨越的视觉缩放的长度。也就是说, 如果校准棒在视觉刻度上跨越1厘米, 则将缩放值设置为1。
   注: 这可确保从软件中进行的测量值的测量值的测量值约为厘米。
3. 通过单击"开始"和"停止" 切换视频播放, 并将视频设置为所需的帧。
4. 从跟踪器工具箱中选择测量棒, 并提取飞溅冠高k、腔宽度b、腔深度l和沃辛顿喷射高度h, 如图 2b,c所示。
   注: 测量棒两端可调节, 可与其他工具箱选择同时使用。
5. 从跟踪器工具箱中选择量角器, 测量流体相对于撞击器的分离角 q, 如图 2b所示。量角器两端可调节, 可与其他工具箱选择同时使用。
6. 选择软件中的自动跟踪功能以记录时间位置和速度数据。当由于视频中的不清晰而中断跟踪时, 请使用手动跟踪, 直到获得清晰度并恢复自动跟踪。

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结果

这一既定协议允许遵守沃辛顿喷气式飞机所产生的垂直撞击范围内的韦伯数 , 如图2c 所示。这些结果发表在 watson 等人的^文章1 中, 可供用于生成本文所示数据的确切实验条件参考。我们关注的是在自由液体表面上方突出的流体的窄拉长膜。在图 3中, 我们展示了?...

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讨论

该协议描述了在深层液池中调查自由落体球的实验设计和最佳实践。我们首先强调配置垂直影响实验所需的步骤。使用足够大的飞溅区域创建理想的飞溅环境非常重要, 这样墙体效果可以忽略^不计9, 并且需要适当的视觉尺度来提取运动学^{12、13、14 , 15,16,<...}

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材料

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