Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto

Riepilogo

Questo protocollo viene illustrata la configurazione sperimentale di base per gli esperimenti di entrata acqua con sfere di caduta libera. Metodi per l'alterazione della superficie liquida con tessuti penetrabile, la preparazione delle sfere chimicamente non bagnabilità e passaggi per l'estrazione di dati e visualizzazione di spruzzo sono discusse.

Abstract

Gli impatti verticali delle sfere su acqua pulita sono stati oggetto di numerose indagini di entrata di acqua che caratterizzano la formazione di cavità, splash corona ascensione e Worthington jet stabilità. Qui, noi stabilire protocolli sperimentali per l'esame di dinamiche di spruzzo quando caduta gravitica liscio sfere di varie bagnabilità, massa e diametro impatto la superficie libera di una piscina profonda liquida modificata da tessuti sottili penetrabili e liquidi tensioattivi. Le indagini di entrata acqua forniscono accessibili, facilmente assemblati ed eseguiti esperimenti per lo studio della meccanica dei fluidi complesso. Presentiamo qui un protocollo sintonizzabile per la caratterizzazione di altezza di spruzzo, metriche di separazione di flusso e cinematica del dispositivo d'urto e risultati rappresentativi che potrebbero essere acquistati se riprodurre il nostro approccio. I metodi sono applicabili quando caratteristico spruzzo dimensioni rimangono sotto circa 0,5 m. Tuttavia, questo protocollo può essere adattato per una maggiore altezza di rilascio del dispositivo d'urto e velocità di impatto, che lascia ben sperare per la traduzione di risultati a navale e applicazioni industriali.

Introduzione

La caratterizzazione delle dinamiche di splash derivanti da impatti verticali di oggetti solidi su una piscina profonda liquido¹ è applicabile alle applicazioni militari, navali e industriali come missile balistico acqua ingresso mare superficie e atterraggio^{2, 3,4,5}. I primi studi di entrata dell'acqua sono state condotte ben più di un secolo fa^6,7. Qui, stabiliamo protocolli chiaro approfondite e best practice per il raggiungimento di risultati coerenti per le indagini di entrata di acqua. Per facilitare il disegno sperimentale valido, un metodo è presentato per il mantenimento delle condizioni sanitarie, alterazione delle condizioni interfacciale, controllo dei parametri adimensionali, modificazione chimica della superficie del dispositivo d'urto e la visualizzazione della cinematica di spruzzo.

Impatti verticali delle sfere idrofile caduta libera sul fluido quiescente non mostrano alcun segno di aria-allettamento alle basse velocità⁸. Troviamo che il posizionamento dei tessuti sottili penetrabili in cima alla superficie fluida provoca la formazione di cavità a causa di flusso forzata separazione¹. Un importo esiguo di tessuto sulla superficie amplifica spruzzi attraverso una gamma di numeri di Weber moderati mentre sufficiente stratificazione attenua spruzzi come sfere superare trascinare a fluido voce¹. In questo articolo, spiegheremo protocolli adatti per stabilire gli effetti di resistenza del materiale relativo all'iscrizione di acqua di sfere idrofile.

Cavità formando spruzzi da idrofobo impattori Visualizza l'ascensione di una corona di spruzzo ben sviluppato, seguita dalla protrusione del getto primario ad alta sopra la superficie rispetto ai loro omologhi di acqua-gradire⁸. Qui, presentiamo un approccio per raggiungere idrorepellenza attraverso modificare chimicamente la superficie delle sfere idrofile.

Con l'avvento delle macchine fotografiche ad alta velocità, caratterizzazione e visualizzazione splash sono diventati più raggiungibile. Anche così, standard consolidati nel campo chiamare per l'uso di una singola telecamera ortogonale all'asse primario del viaggio. Indichiamo che l'uso di un'altra telecamera ad alta velocità per viste dall'alto è necessario giudicano sfere colpire la posizione desiderata.

Protocollo

1. configurare l'esperimento per impatti verticali

1. Riempire un serbatoio di acqua trasparente di dimensioni circa 60 cm x 30 x 36 cm (lunghezza x peso x profondità) con 32 L di acqua e montare un righello misuratore ('scala visiva') verticalmente all'interno del contenitore, tale che la base si trova in cima il fluido, come si vede nella Figura 1a.
   Nota: La profondità e la larghezza del serbatoio deve essere maggiore di 20 volte il diametro delle sfere più grande utilizzato nell'esperimento per garantire effetti wall sono trascurabili⁹. Una maggiore velocità di entrata di quelli qui descritti sarà richiedono una maggiore profondità del serbatoio. La scala visivo utilizzata per determinare altezze di caduta e calibrazione del software di monitoraggio è discussa nella sezione 7.
2. Posizionare un righello di ulteriori metro sotto l'acqua, che può agire per ingrandire le dimensioni. Questa scala visiva viene utilizzata per la calibrazione software di monitoraggio per misurazioni sott'acqua.
3. Costruire una piattaforma ribaltabile '(meccanismo di rilascio del) che sospende sfere sopra il liquido e ruota verso il basso, per ottenere l'accelerazione tangenziale maggiore gravità nella posizione del dispositivo d'urto quando rilasciato, come si vede nella Figura 1a. Rapida rotazione si ottiene collegando la piattaforma incernierata al centro del componente portante con elastici. Il risultato è un dispositivo d'urto non supportato e non rotante.
   Nota: La piattaforma è fabbricata facilmente con stampante 3D.
4. Per le prove di impatto, collocare il pollice alla base della piattaforma ribaltabile e ruotarla di 90° in posizione orizzontale per il posizionamento delle sfere sopra il liquido.
   Nota: Retrazione viene attivato quando viene rilasciato thumb dalla base della piattaforma.
5. Apporre il meccanismo di rilascio di uno stand della storta, tale che il dispositivo è regolabile a varie altezze.
6. Posto della storta stare accanto al serbatoio, tale che il meccanismo di rilascio si trova sullo stesso piano di profondità come la scala visiva. Aggiungere un peso alla base dello stand della storta come necessario per evitare il ribaltamento.
7. Regolare il meccanismo di sgancio per l'altezza massima di rilascio sperimentale desiderata. Questo è necessario per la visualizzazione ottimale splash come discusso nella sezione 6 e garantisce che le caratteristiche di spruzzo di interesse sono sempre all'interno del frame di visualizzazione della telecamera.
8. Allegare una multi-LED luce di un braccio articolato tale che la luce viene montata sopra la fotocamera, guardando giù sulla zona di splash. Luce ambiente da solo è insufficiente per illuminare la scena all'alto frame rate necessario per estrarre cinematica splash.
   Nota: non si può mai avere troppa luce.
9. Posizionare una schermata nera sul retro del serbatoio di acqua per facilitare la visualizzazione splash e cavità come si vede nella Figura 2.
10. Posizionare un di ammortizzatore-protezione del vetro, come una spugna a cellule chiuse, nella parte inferiore del serbatoio dell'acqua e affisso con pesi per prevenire che rifa la superficie.
    Nota: L'altezza del liquido nel serbatoio deve essere tale che la sfera non interagisce con ammortizzatore prima aria cavità pizzico fuori¹⁰.

2. controllo parametri adimensionali

1. Condurre esperimenti con smooth sfere di varie masse e diametri. Per questo, poliossimetilene (ad es., Delrin) moneta difabbricazione palle funzionano particolarmente bene e non hanno alcuna linea di parte di muffa. Misurare i diametri con una bilancia analitica e il calibro a corsoio e masse rispettivamente.
2. Condurre esperimenti su un range di altezze H per generare velocità di impatto dove m/s² è l'accelerazione dovuto gravità. Misurare l'altezza con la scala visiva all'interno della cornice di fotocamera.
   Nota: Utilizzare la funzionalità di Auto-Tracking nello strumento di analisi dei video come discusso nella sezione 7 per misurare la velocità di impatto.
3. Condurre esperimenti con fluide miscele di acqua e tensioattivi adatti (ad es., glicerina o sapone) per modificare la tensione superficiale. Misurare la tensione superficiale con un tensiometro superficiale.
4. Calcolare i numeri di Reynolds numeri di Weber e , dove ρ è la densità del fluido, D è il diametro della sfera, μ è la viscosità dinamica del fluido e σ la tensione superficiale del liquido.

3. mantenere condizioni sperimentali sanitari

1. Condurre esperimenti con i guanti di nitrile industriali e recuperare le sfere dal serbatoio di acqua con uno scoop sterilizzato.
   Attenzione: Pelle naturalmente produce oli che possono influenzare la bagnabilità di impattori e alterino le condizioni di fluido.
2. Pulire le sfere con alcool isopropilico al 99% e lasciare per asciugare per 1 min tra prove per escludere l'influenza delle impurezze.
3. Se utilizzando tessuti che si rompono durante l'impatto, è necessario sostituire il serbatoio dell'acqua dopo ogni prova se scarti non possono essere eseguiti manualmente.
4. Alla fine dell'esperimento, è necessario svuotare il serbatoio e lasciarlo asciugare.
5. Prima di un esperimento, pulire il serbatoio con acqua per rimuovere eventuali impurità.

4. la superficie di stratificazione con tessuti penetrabili

1. Separare il tessuto in quadrato o rotondo plies in preparazione per le prove di impatto. Utilizzare un calibro a corsoio per ottenere compresso spessore del tessuto.
   Nota: Spessore del tessuto cambierà quando è bagnato.
2. Dolcemente riposare il tessuto asciutto sopra la superficie dello stagno liquido. Assicurarsi che i veli non cominciano la discesa prima del rilascio del dispositivo d'urto e sostituire tessuti immediatamente dopo la collisione.
3. Utilizzare una paletta sterilizzata per collocare il tessuto sotto la piattaforma ribaltabile prima di rilasciare sfere.
4. (Opzionale) Effettuare i seguenti test utilizzando un campione di tessuto per la caratterizzazione dei materiali.
   1. Eseguire prove di trazione tramite un dinamometro per determinare il modulo elastico del campione.
   2. Utilizzare un microscopio digitale per ottenere una vista microscopica del tessuto e determinare la lunghezza della fibra utilizzando uno strumento di imaging.

5. preparazione sfere chimicamente idrofobi

1. Spruzzo della base idrofobo cappotto circa 15 – 30 cm dalla superficie della sfera. Evitare l'ammollo la superficie. Lasciare asciugare per 1\u20122 min prima di aggiungere ulteriori rivestimenti. Applicare due mani di base più. Lasciare asciugare per 30 minuti prima di applicare il top coat.
   Nota: Il numero di superfici aggiuntive variano in base alle raccomandazioni del produttore del prodotto.
2. Spruzzo alto idrofobo cappotto circa 15 – 30 cm dalla superficie. Evitare l'ammollo la superficie. Lasciare asciugare per 1 – 2 min prima di aggiungere ulteriori rivestimenti. Applicare due o tre ulteriori rivestimenti del cappotto superiore. Lasciare per asciugare per 30 min per uso di luce e 12 ore per uso completo.
   Nota: Il numero di strati superficiali aggiuntivi variano in base alle raccomandazioni del produttore del prodotto.
3. Dopo circa 20 prove, il rivestimento idrorepellente diventa compromessa a causa di movimenti eccessivi del microfono. Rimuovere il rivestimento con 99% isopropilico e ripetere i punti 5.1 e 5.2.

6. la sincronizzazione telecamere per visualizzazione splash

1. Posizionare una telecamera ad alta velocità con una lente adatta perpendicolare all'asse di impatto e in linea con la superficie del liquido.
   Nota: Un obiettivo primario di 55 mm fornisce un buon punto di partenza.
2. Dove tessuti devono essere utilizzati, è possibile aggiungere un'altra telecamera ad alta velocità per l'esperimento per fornire una visione top-down degli impatti, come visto in Figura 1b.
3. Sincronizzazione di più telecamere a un computer attenendosi alla seguente procedura.
   1. Collegare entrambi i terminali di uscita della fotocamera orizzontale a due terminali di ingresso della telecamera aggiuntivo utilizzando cavi BNC.
   2. Collegare l'interruttore a grilletto alla fotocamera orizzontale solo.
   3. Collegare cavi Ethernet da entrambe le telecamere in un router di rete collegato al computer.
      Nota: In assenza di un router, collegare i cavi Ethernet di telecamere per separare i computer.
4. Il software di acquisizione video, è possibile configurare le telecamere con le seguenti impostazioni. Impostare il frame rate fino a un minimo di 1.000 fps, impostare la risoluzione dello schermo per la risoluzione desiderata. Impostare la velocità dell'otturatore a 1 ogni fotogramma secondo e modalità di trigger alla fine.
5. Da massimo rilascio altezza, condurre una serie di collaudi per garantire che i getti di Worthington sono all'interno del fotogramma video.
6. Regolare di conseguenza la posizione della telecamera e messa a fuoco finché non si ottiene la qualità di visualizzazione desiderata.
7. Dopo la registrazione, estrarre misure cinematiche e geometriche da video utilizzando uno strumento di analisi video adatto. Usare Tracker, uno strumento di analisi di open source o software di capacità comparativa.

7. digitalizzazione cinematica di impatto con software tracker

1. Selezionare taratura bastone dalla casella degli strumenti di tracking e abbinarlo alla scala visiva (Figura 2a), rendendo il bastone più a lungo possibile.
2. Fare clic su bastone di calibrazione e impostare il valore di scala per la lunghezza della scala visiva ha misurata dal bastone. Cioè, se il bastone di calibrazione si estende su 1 cm su scala visiva, impostare scala valore a 1.
   Nota: In questo modo le misurazioni effettuate da software sono nell'ordine di centimetri.
3. Attivare o disattivare la riproduzione dei video facendo clic su start e stop e impostare il video sul fotogramma desiderato.
4. Selezionare il bastone di misura dalla casella degli strumenti di tracking ed estrarre spruzzo corona altezza k, cavità larghezza b, cavità profondità le Worthington getto altezza h, come si vede nella Figura 2b,c.
   Nota: Il bastone di misurazione è regolabile su entrambi i lati e può essere usato simultaneamente con altre selezioni di casella degli strumenti.
5. Selezionare goniometro dalla casella degli strumenti di tracking e misurare l' angolo di separazione q del fluido rispetto al dispositivo d'urto, come si vede nella Figura 2b. Il goniometro è regolabile su entrambi i lati e può essere usato simultaneamente con altre selezioni di casella degli strumenti.
6. Selezionare la funzione di Auto-Tracking nel software per registrare dati di velocità e posizione temporale. Quando il rilevamento è interrotto a causa della mancanza di chiarezza nel video, uso manuale gestione fino ad ottenuta chiarezza e auto-tracking è ripreso.

Risultati

Questo stabilito protocolli consentono l'osservanza dei getti Worthington derivanti da impatti verticali sopra un numeri di intervallo di Weber come si vede in Figura 2C. Questi risultati sono pubblicati in Watson et al.¹, che è possibile fare riferimento per le esatte condizioni sperimentali utilizzate per produrre i dati presentati qui. Ci concentriamo sulla pellicola...

Discussione

Questo protocollo descrive il disegno sperimentale e procedure consigliate per le indagini delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida. Cominciamo mettendo in evidenza i passaggi necessari per configurare l'esperimento per impatti verticali. È importante creare un ambiente ideale spruzzata con l'uso di una zona sufficientemente grande splash tale che parete effetti sono trascurabili⁹e una scala visivo adatta per l'estrazione di cinematica^12,

Materiali

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