Impactos de las esferas de la caída libre en una piscina profunda líquida con líquido alterada y el impactador de condiciones de la superficie

Resumen

Este protocolo muestra la configuración experimental básica para experimentos de entrada de agua con esferas de caída libre. Se discuten métodos para la alteración de la superficie del líquido con tejidos penetrables, la elaboración de esferas químicamente no-adherencia de soldadura y pasos para la extracción de datos y visualización de splash.

Resumen

Impactos verticales de las esferas de agua han sido objeto de numerosas investigaciones de entrada de agua caracterizan la formación de la cavidad, splash corona ascensión y Worthington jet estabilidad. Aquí establecemos protocolos experimentales para examinar la dinámica de chapoteo cuando suave caída libre esferas de mojabilidad diferente, la masa y el impacto de diámetro de la superficie libre de una piscina profunda líquida modificada por surfactantes líquidos y tejidos finos penetrables. Investigaciones de entrada de agua proporcionan fácilmente accesibles, montados y ejecutados los experimentos para el estudio de mecánica de fluidos compleja. En este documento presentamos un protocolo regulable para la caracterización de altura splash, mediciones de la separación del flujo y cinemática del impactador y resultados representativos que podrían adquirirse si reproducir nuestro enfoque. Los métodos son aplicables cuando dimensiones splash característicos permanecen por debajo de aproximadamente 0,5 m. Sin embargo, este protocolo puede ser adaptado para mayores alturas de lanzamiento del impactador y velocidades de impacto, que un buen augurio para la traducción de resultados naval y aplicaciones de la industria.

Introducción

La caracterización de la dinámica de presentación derivados de impactos verticales de objetos sólidos en una piscina profunda líquido¹ es aplicable a usos militares, navales e industriales tales como misiles balísticos agua entrada y mar la superficie de aterrizaje^{2, 3,4,5}. Los primeros estudios de entrada de agua se llevaron a cabo bien hace más de un siglo^6,7. Aquí, establecemos claramente detallados protocolos y mejores prácticas para lograr resultados consistentes para las investigaciones de entrada de agua. Para ayudar el diseño experimental válido, se presenta un método para el mantenimiento de condiciones sanitarias, alteración de las condiciones interfaciales, control de parámetros sin dimensiones, modificación química de la superficie del impactador y visualización de la cinemática de splash.

Los impactos verticales de esferas hidrofílicas de caída libre en el fluido quieto no mostrar ningún signo de atrapamiento de aire en bajas velocidades⁸. Encontramos que la colocación de telas finas penetrables en la cima de la superficie del líquido causa la formación de la cavidad debido a la separación de flujo forzado¹. Una pobre cantidad de tela en la superficie amplifica salpicaduras a través de un rango de números de Weber moderados mientras que suficientes capas atenúa salpicaduras como arrastrar las esferas superar en entrada del fluido¹. En este artículo, explicamos los protocolos adecuados para establecer los efectos de la resistencia del material en la entrada de agua de las esferas hidrofílicas.

Cavidad formando salpicaduras de hidrofóbico impactadores muestran la ascensión de una corona bien desarrollada splash, seguido de la protuberancia del inyector primario muy por encima de la superficie en comparación con sus homólogos de agua gusto⁸. Aquí, presentamos un enfoque para el logro de repelencia al agua a través de modificar químicamente la superficie de esferas hidrofílicas.

Con la llegada de cámaras de alta velocidad, caracterización y visualización de salpicaduras se han convertido en más alcanzables. Aún así, normas establecidas en el campo piden el uso de una sola cámara ortogonales al eje principal del viaje. Nos muestran que el uso de una cámara de alta velocidad adicional para arriba vistas es necesario adjudicar esferas huelga la ubicación deseada.

Protocolo

1. configurar el experimento de impacto vertical

1. Llenar un tanque de agua transparente de dimensiones aproximadamente 60 cm x 30 cm x 36 cm (longitud x peso x profundidad) con 32 L de agua y montar una regla de metro ('escala visual') verticalmente dentro del contenedor que la base se encuentra sobre el líquido, como se ve en la Figura 1a.
   Nota: La profundidad y anchura del tanque deben ser mayores que 20 veces el diámetro de las esferas más grandes utilizados en el experimento para asegurar efectos de pared son despreciables⁹. Velocidades de entrada mayor que ésos descritos aquí voluntad requieren mayor profundidad de tanque. La escala visual para determinar alturas de caída y calibración del software de seguimiento se discute en la sección 7.
2. Coloque una regla adicional bajo el agua, que puede actuar para aumentar dimensiones. Esta escala visual se utiliza para la calibración de seguimiento de software para mediciones bajo el agua.
3. Construir una plataforma abisagrada ('desbloqueo') que suspende las esferas sobre el líquido y gira hacia abajo, para lograr aceleración tangencial mayor de gravedad en el lugar del impactador soltando, como se ve en la Figura 1a. Rotación rápida se logra mediante la conexión de la plataforma articulada con el centro de apoyo componente mediante bandas elásticas. El resultado es un impactador sin soporte y sin rotación.
   Nota: La plataforma se fabrica fácilmente con la impresora 3D.
4. Para ensayos de impacto, coloque su pulgar para base de plataforma articulada y gírelo 90° en posición horizontal para la colocación de esferas sobre el líquido.
   Nota: La contracción se desencadena cuando pulgar es lanzado desde la base de la plataforma.
5. Fije el mecanismo de liberación en un soporte de retorta, tal que el dispositivo se puede ajustar a distintas alturas.
6. Lugar la retorta soporte al lado del tanque que el desbloqueo es en el mismo plano de profundidad como la escala visual. Añadir un peso a la base del soporte de réplica según sea necesario para evitar la caída.
7. Ajustar el mecanismo de liberación a la altura máxima deseada gota experimental. Esto es necesario para la visualización óptima splash como se explica en el apartado 6 y garantiza que las características de splash de interés siempre dentro del marco de visualización de la cámara.
8. Fije una multi-LED luz a un brazo articulado que la luz se monta sobre la cámara, mirando hacia la zona de salpicaduras. Luz de ambiente solo es insuficiente para iluminar la escena en las tarifas de marco alto necesario para extraer cinemática de splash.
   Nota: Uno puede no tener demasiada luz.
9. Colocar una pantalla negra en la parte posterior del tanque de agua para facilitar la visualización de la cavidad y splash como se ve en la figura 2.
10. Coloque un vidrio de protección amortiguador, como una esponja de células cerradas, en la parte inferior del tanque de agua y pegar con pesas para evitar volver a allanar.
    Nota: La altura del líquido en el tanque debe ser tal que la esfera no interactúa con el amortiguador de choque antes de la pizca de la cavidad de aire de¹⁰.

2. control de parámetros sin dimensiones

1. Realizar experimentos con esferas lisas de diferentes diámetros y masas. Para ello, polioximetileno (p. ej., Delrin) fabricación de moneda bolas funciona particularmente bien y no tener ninguna línea de la parte de molde. Medir masas y diámetros con una balanza analítica y el calibrador a Vernier respectivamente.
2. Realizar experimentos en un rango de alturas H para generar velocidades de impacto donde m/s² es la aceleración debido a la gravedad. Mida la altura con la escala visual dentro del marco de la cámara.
   Nota: Utilice la función de Seguimiento automático de la herramienta de análisis de vídeo como se explica en la sección 7 para medir las velocidades de impacto.
3. Realizar experimentos con líquidos mezclas de agua y tensioactivos adecuados (p. ej., glicerina o jabón) para modificar la tensión superficial. Medir la tensión superficial con un tensiómetro superficial.
4. Calcular el número de Reynolds números de Weber y , donde ρ es la densidad del fluido, D es el diámetro de la esfera, μ es la viscosidad dinámica del líquido y σ la tensión superficial del líquido.

3. mantener las condiciones sanitarias de experimentales

1. Realizar experimentos usando guantes de nitrilo industrial y recuperar las esferas del depósito de agua con una bola desinfectada.
   PRECAUCIÓN: La piel naturalmente produce aceites que pueden afectar la humectabilidad de los impactadores y contaminar el fluido condiciones.
2. Limpiar las esferas con alcohol isopropílico al 99% y dejar para secar durante 1 minuto entre ensayos para excluir la influencia de las impurezas.
3. Usando a telas que romperán durante impacto, reemplazar el agua en el tanque después de cada ensayo si los desechos no pueden ser recogidos manualmente.
4. Al final del experimento, vacíe el tanque y dejar que se seque.
5. Antes de un experimento, limpie el tanque con agua para eliminar impurezas.

4. capas de la superficie con tejidos penetrables

1. Separar al tejido en cuadrados o redondos capas en preparación para las pruebas de impacto. Utilice un calibrador a Vernier para obtener espesor comprimido de la tela.
   Nota: Espesor de la tela va a cambiar cuando está mojado.
2. Descansar suavemente la tela seca sobre la superficie de la piscina líquida. Asegúrese de que las capas no iniciar descenso antes del lanzamiento del impactador y reemplazar los tejidos inmediatamente después de la colisión.
3. Utilice una cucharada higienizada para colocar a la tela debajo de la plataforma articulada antes de lanzar esferas.
4. (Opcional) Llevar a cabo las siguientes pruebas utilizando una muestra de tejido para caracterización de materiales.
   1. Realizar ensayos de tracción con un comprobador de resistencia a la tracción para determinar el módulo elástico de la muestra.
   2. Utilizar un microscopio digital para obtener una vista microscópica del tejido y determinar la longitud de la fibra utilizando una herramienta de proyección de imagen.

5. preparar esferas hidrofóbicas químicamente

1. Spray base hidrofóbica de la capa aproximadamente 15 – 30 cm de la superficie de la esfera. Evite mojar la superficie. Déjelo secar durante 1\u20122 minutos antes de añadir capas adicionales. Aplique dos capas de base más. Deje que se seque durante 30 minutos antes de aplicar la capa superior.
   Nota: El número de superficie adicional puede variar en base a las recomendaciones del fabricante del producto.
2. Spray la tapa hidrofóbica capa aproximadamente 15 – 30 cm de la superficie. Evite mojar la superficie. Déjelo secar durante 1 – 2 minutos antes de añadir capas adicionales. Aplicar dos o tres capas más de la capa superior. Dejar para secar durante 30 minutos para uso de luz y 12 h de uso.
   Nota: El número de capas adicionales de superficie puede variar en base a las recomendaciones del fabricante del producto.
3. Después de aproximadamente 20 ensayos, capa hidrofóbica queda comprometida debido a una manipulación excesiva. Remover la capa con 99% isopropílico y repita los pasos 5.1 y 5.2.

6. sincronización de cámaras para visualización de splash

1. Coloque una cámara de alta velocidad con una lente adecuada perpendicular al eje de impacto y en línea con la superficie del líquido.
   Nota: Una lente de 55 mm prime ofrece un buen punto de partida.
2. Donde las telas a utilizar, añadir una cámara de alta velocidad adicional a la experiencia para proporcionar una visión de arriba hacia abajo de los impactos, como se ve en la Figura 1b.
3. Sincronizar varias cámaras a un ordenador mediante los pasos siguientes.
   1. Conectar dos terminales de salida de la cámara de horizontal a ambos terminales de entrada de la cámara adicional usando cables BNC.
   2. Conecte el interruptor de gatillo en la cámara horizontal solamente.
   3. Conecte cables de Ethernet de ambas cámaras a un enrutador de red conectado al ordenador.
      Nota: En ausencia de un router, conecte los cables Ethernet de cámaras para separar los equipos.
4. En el software de adquisición de video, configurar las cámaras con los ajustes siguientes. Establece la velocidad de fotogramas en un mínimo de 1.000 fps, resolución de pantalla a la resolución deseada. La velocidad de obturación a 1 por cada marco de segundo y modo de gatillo para terminar.
5. De altura máxima de lanzamiento, realizar una serie de ensayos de prueba para asegurar que los jets de Worthington en el fotograma de vídeo.
6. Ajuste la posición de la cámara y el enfoque en consecuencia hasta la calidad de visualización deseado.
7. Después de la grabación, extraiga medidas geométricas y cinemáticas de videos utilizando una herramienta de análisis de vídeo adecuado. Usar el Tracker, una herramienta open source de análisis o cualquier software de capacidad comparativa.

7. digitalización de la cinemática del impacto con el software tracker

1. Seleccione memoria de calibración de la caja de herramientas rastreador y hacer coincidir la escala visual (Figura 2a), haciendo el mayor tiempo posible stick.
2. Haz clic en el stick de calibración y establezca el valor escalado a la longitud de la escala visual generada por el palo. Es decir, si el palillo de calibración extiende 1 cm en escala visual, establecer escala valor a 1.
   Nota: Esto asegura que las mediciones de software son del orden de centímetros.
3. Alternar la reproducción de vídeo haciendo clic en iniciar y detener y configurar vídeo hasta el fotograma deseado.
4. Seleccione medida del palillo de la caja de herramientas rastreador y extraer splash corona altura k, cavidad ancho b, de la profundidad de la cavidad ly Worthington chorro de altura h, como se ve en la figura 2b,c.
   Nota: La vara de medir es ajustable en ambos extremos y se puede utilizar simultáneamente con otras selecciones de cuadro de herramientas.
5. Seleccione prolongador de la caja de herramientas de seguimiento y medir el ángulo de separación q del fluido con respecto al impactador, como se ve en la figura 2b. El transportador es ajustable en ambos extremos y se puede utilizar simultáneamente con otras selecciones de cuadro de herramientas.
6. Seleccionar la función de Seguimiento automático en el software para registrar datos de velocidad y de posición temporal. Se reanudaron cuando el seguimiento es interrumpido debido a la falta de claridad en el video, uso manual seguimiento hasta obtener la claridad y seguimiento auto.

Resultados

Esto estableció protocolos permiten el cumplimiento de los chorros de Worthington, derivados de impactos verticales sobre un número de rango de Weber como se ve en la figura 2C. Estos resultados son publicados en Watson et al.,¹, que se puede hacer referencia a las condiciones experimentales exactas utilizadas para producir los datos presentados en este documento. Nos ...

Discusión

Este protocolo describe el diseño experimental y las mejores prácticas para las investigaciones de esferas de caída libre en una piscina profunda líquida. Comenzamos destacando los pasos necesarios para configurar el experimento de impactos verticales. Es importante crear un entorno de splash ideal con el uso de una zona de chapoteo suficientemente grande tal que los efectos de pared son despreciables⁹y una escala visual adecuada para la extracción de cinemática¹²

Materiales

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