Dieses Protokoll zeigt Wasserinjektionsexperimente mit Freifallkugeln. Diskutiert werden die Wechsel von flüssigen Oberflächen mit eingedrungenen Geweben, die Herstellung chemischer Stoffe in aufstrebenden Sphären, die Spritzvisualisierung und die Datenextraktion. Diese Techniken geben Einblicke in die grundlegende Forschung zur Strömungsdynamik, die auf das Verständnis von Grenzflächenwechselwirkungen zwischen festen Objekten und fluiden Körpern ausgerichtet ist.
Demonstriert wird das Verfahren von Joshua Bom und Jeremy Stephen, Studenten aus Alberta. Tragen Sie während dieses Verfahrens industrielle Nitrilhandschuhe, um eine Kontamination des Wassers und der Schlagstoffe mit Hautölen zu vermeiden. Beginnen Sie gründlich transparenten Tank mit Leitungswasser und Reinigungsmittel gründlich zu reinigen.
Dann füllen Sie es mit 32 Liter Leitungswasser. Reinigen Sie zwei metrische Lineale mit 99%Isopropylalkohol und lassen Sie sie für eine Minute trocknen. Montieren Sie ein Lineal mit Blick auf die Vorderseite des Tanks mit der Basis nur das Wasser berühren.
Fixieren Sie das zweite Lineal vertikal unter Wasser. Dann sichern Sie eine aufklappbare Plattform über dem Tank, so dass die Plattform innerhalb der gleichen Tiefenebene wie die oben wasserlineal in Bezug auf die Vorderseite des Tanks ist. Stellen Sie die Plattform auf die maximal gewünschte Fallhöhe ein und befestigen Sie dann ein Multi-LED-Licht an einem Gelenkarm und positionieren Sie das Licht über und vor dem Tank, um die Spritzzone unter der Plattform vollständig auszuleuchten.
Stellen Sie einen schwarzen Bildschirm auf der Rückseite des Tanks ein, um bei der Visualisierung von Spritzern und Hohlräumen zu helfen. Legen Sie einen sauberen ölfreien Stoßdämpfer wie einen geschlossenen Zellschwamm an den Boden des Tanks und halten Sie ihn mit sauberen Gewichten an Ort und Stelle. Als nächstes montieren Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit Blick auf den Tank in Übereinstimmung mit der Oberfläche der Flüssigkeit.
Schließen Sie auf Wunsch einen Triggerschalter an die Kamera an. Schließen Sie die Kamera an einen Computer an, und konfigurieren Sie die Kamera für eine Bildrate von mindestens 1.000 Bildern pro Sekunde. Wählen Sie die gewünschte Auflösung und stellen Sie die Verschlusszeit auf eine pro gerahmter Sekunde ein.
Legen Sie ggf. den Triggermodus auf Ende fest. Als nächstes reinigen Sie eine kleine Schaufel und Polyoxid-Methanolkugeln mit 99%Isopropylalkohol, um Hautöle und andere Verunreinigungen zu entfernen. Lassen Sie die Kugeln und Schaufel für eine Minute trocknen.
Preform testet Und passt die Kameraposition, den Fokus und die Auflösung an, um die optimale Visualisierungsqualität für das Spritzereignis zu erreichen. Dann holen Sie die Kugeln mit einem Schaufel und reinigen Sie die Kugeln und Schaufel mit Isopropylalkohol. Wenn Sie bereit sind, mit dem Experiment zu beginnen, beginnen Sie mit dem Filmen des Tanks.
Heben Sie die Scharnierplattform an Ort und Stelle und ruhen Sie eine saubere trockene Kugel auf der Plattform. Lösen Sie die Basis der Plattform, um die Kugel in den Tank fallen zu lassen. Beenden Sie dann das Filmen, speichern Sie die Videodatei, und trimmen Sie das Video, um nur das Splash-Ereignis anzuzeigen.
Wenn Sie bereit sind, mit dem nächsten Test fortzufahren, rufen Sie die Kugel mit dem Scoop ab. Reinigen Sie die Kugel mit Isopropylalkohol und lassen Sie sie eine Minute trocknen, bevor Sie den Test wiederholen. Wenn das Experiment beendet ist, leeren Sie den Tank und lassen Sie ihn trocknen.
Um durchdringende Stoffe für den Test vorzubereiten, trennen Sie die gewünschten Stoffe in quadratische oder runde Lagen und verwenden Vernier-Sättel, um die komprimierte Dicke des trockenen Gewebes zu messen. Wenn Sie das Experiment einrichten, montieren Sie eine zweite Hochgeschwindigkeitskamera über dem Tank, um eine Ansicht von oben nach unten auf die Kugel zu bieten, die auf den Stoff wirkt. Schließen Sie die horizontalen Kameraausgänge mit BNC-Kabeln an die Overhead-Kamera-Eingangsklemmen an.
Schließen Sie einen Triggerschalter an die horizontale Kamera an. Verwenden Sie dann Ethernet-Kabel, um beide Kameras mit einem Offline-Router zu verbinden, der mit dem Kameracomputer verbunden ist. Fokussieren und konfigurieren Sie beide Kameras wie gewohnt.
Wenn Sie bereit sind, das Experiment vorzuforsen, ruhen Sie das trockene Gewebe vorsichtig auf der Oberfläche der Flüssigkeit im Tank. Stellen Sie sicher, dass der Stoff nicht vor Beginn der Prüfung zu sinken beginnt. Verwenden Sie eine saubere, ölfreie Schaufel, um das Gewebe unter der aufklappbaren Plattform zu positionieren.
Verwenden Sie den Triggerschalter, um gleichzeitig mit beiden Kameras die Spritzzone zu filmen, bevor Sie die Kollision einrichten. Entfernen Sie den Stoff unmittelbar nach der Kollision. Wenn das Gewebe beim Aufprall fragmentiert und die Kratzer nicht manuell leer gesammelt werden können und den Tank nach jeder Prüfung reinigen, um sicherzustellen, dass das gesamte Gewebe entfernt wird.
Um mit der Herstellung chemisch hydrophober Kugeln zu beginnen, fügen Sie eine Polyoxid-Mentholkugel in einen Acrylhalter ein. Die Positionierung von Kugeln für eine Oberflächenbeschichtung ist der schwierigste Aspekt dieses Protokolls. Die Positionierung wird mit Schichtbeschichtung Acrylplatten gesteuert, die Löcher etwas breiter als die Kugeln haben.
Sprühen Sie die Kugel mit einer hydrophoben Grundschicht aus etwa 15 bis 30 Zentimetern Entfernung, ohne die Oberfläche der Kugel einzuweichen. Als nächstes sprühen Sie die Kugel mit der hydrophoben Deckschicht aus etwa 15 bis 30 Zentimetern Entfernung, ohne die Oberfläche einzuweichen und lassen Sie sie ein bis zwei Minuten trocknen. Tragen Sie zwei oder drei weitere Top-Beschichtungen auf die gleiche Weise auf.
Lassen Sie die Kugel für 30 Minuten für den leichten Gebrauch oder etwa 12 Stunden für den vollen Gebrauch trocknen. Bei der Vorformung lassen Die Kugel nach jeder Prüfung vollständig trocknen, anstatt sie mit Isopropylalkohol zu spülen. Die hydrophobe Beschichtung wird nach etwa 20 Versuchen abgebaut.
Um diese Kugel wiederzuverwenden, entfernen Sie die Beschichtung mit 99%isopropylalkohol und wenden Sie die Grund- und Deckschichten wie zuvor beschrieben erneut an. Um die Analyse zu starten, importieren Sie ein Hochgeschwindigkeitsvideo des Splash-Ereignisses in eine Videoanalysesoftware. Verwenden Sie die Skalierungswerkzeuge, um den Skalierungswert in Zentimetern basierend auf dem sichtbaren Bereich des Lineals festzulegen.
Fahren Sie durch das Video, um einen geeigneten Rahmen zu finden, der Spritzkronenaufstieg und Lufteinschlüsse zeigt. Messen Sie die Spritzkronenhöhe, die Hohlraumbreite und die Hohlraumtiefe. Verwenden Sie das Winkelmesswerkzeug, um den Trennwinkel zu bestimmen.
Gehen Sie im Video weiter, um einen geeigneten Rahmen zu finden, der die Worthington Jet-Formation zeigt, und die Worthington Jet-Höhe zu messen. Verwenden Sie schließlich die automatische Nachverfolgungsfunktion, um die zeitliche Position und das Geschwindigkeitsdatum für den Aufpraller zu extrahieren. Wenn die Nachverfolgung unterbrochen wird, verwenden Sie die manuelle Nachverfolgung, bis die automatische Nachverfolgung fortgesetzt werden kann.
Hier wurde dieses Verfahren verwendet, um die Auswirkungen von Gewebe auf das Spritzen von vertikalen Stößen zu bewerten. Die Spritzhöhe mit einer Lage wurde relativ zur Spritzhöhe ohne Stoff verstärkt. Die Spritzhöhe mit zwei Lagen entsprach in etwa der Spritzhöhe ohne Stoff.
Das Spritzen wurde stark mit drei und vier Lagen abgeschwächt. Bei den Weber-Zahlen wurden minimale Abweichungen für Hohlraumtiefe, Spritzbodenhöhe und Hohlraumbreite von Kugeln beobachtet, die eine einzelne Stofflage beeinflussen. Die vertikalen Positionen der Kugeln wurden unter Wasser verfolgt, was die Beobachtung größerer Abnahmen der Unterwassergeschwindigkeit mit jeder zusätzlichen Stofflage ermöglicht.
Die Ermittler müssen während des Experiments sehr darauf achten, dass die hygienischen Versuchsbedingungen erhalten bleiben, um konsistente und valide Ergebnisse zu erzielen. Diese Technik ist nicht auf die hier vorgestellten Materialien beschränkt und kann mit Materialien mit ähnlichen Funktionalitäten und Fähigkeiten hergestellt werden. Mit der Einführung eines erhöhten Reservoirs wie eines Syrings kann dieses Verfahren für Untersuchungen der vertikalen Einschläge von flüssigen Tröpfchen auf feste oder flüssige Oberflächen beschleunigt werden.
Dieses Protokoll kann auch in größerem Maßstab auf generische größere Aufprallgeschwindigkeiten und eine Erhöhung der Anzahl von dimensionenlosen Parametern vorgeformt werden, was für Marine- und Industrieanwendungen gut geeignet ist.
