Name: magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
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RJAH acknowledges support from EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS acknowledges funding from EPSRC under grant number EP/K5035-4X/1.

注：実験装置は、 図1に概略的に示されています。 2。装置の主要部分は、回転プラットフォーム（300ミリメートル×300ミリメートル）で構成されて部屋を持つ超伝導マグネット（1.8 T）の強い磁場の中に自重で下降銅シリンダー（55ミリメートルの直径）に搭載されました温度垂直ボア。プラットフォームは、鍵穴オリフィスを有するすべり軸受をオン、オフ軸モータを介して回転させます。銅シリンダーが同時に回転し、保持ピンが除去されると下降キー状の駆動軸に取り付けられています。 非標準装備の調製<ol><li>浮選ボート<ol><li>それは側面に触れることなく、実験槽内に快適にフィットするように、ボートのサイズにしてください。 注：浮揚艇（ 図3参照）は 、ポリスチレンの壁やスポンジベースで構成されています。 </li><li> STの層でスポンジを守りますチョロンティッシュペーパー。 注：ティッシュペーパーの目的は、できるだけボートに注ぎ流体からできるだけ垂直勢いを放散することです。 </li></ol></li></ol>実験の調製<ol><li>液体層の調製<ol><li>蒸留水は、実験室の温度（22±2℃）にまで来て許可します。約650 mLを各実験の実現のために必要とされます。 注：この混合物を平衡化できるようにするには、空気をexsolvingに、実験中の気泡の形成を防止します。 </li><li>それぞれ緻密下層光上位層用液を調製するために使用される2つの別々の容器、A及びBに等量に蒸留水を分離します。 </li><li>下の緻密層の現場外の準備。コンテナAの内容： <ol><li> 1リットル当たり水1リットル当たり0.43モルのNaCl（塩化ナトリウムの約25 gで濃度を達成するために塩化ナトリウムを加えます水が必要となります）。 </li><li>下位層のコンテナ（ 例えば 、コール-パーマー00295から16＆-18）に0.33グラム、赤と青の水追跡染料を追加します。 </li><li> 0.1グラムのL -1フルオレセインナトリウムを追加します。 注：下位層は今、外観に不透明で、約1012.9±1.2キロmの密度を有することになります-3。 </li></ol></li><li>光上層の現場外の準備。容器Bの内容： <ol><li>水1リットル当たり0.06モルのMnCl 2（水1リットル当たりのMnCl 2の約12グラム）の濃度を達成するためのMnCl 2、塩を追加します。 注：上層は外観が透明で、約998.2±0.5キロのメートル-3の密度を持つことになります。 </li></ol></li><li>所望の粘度が達成されるまで、流体層の粘度を変化させるために、グリセロールのC 3 H 8 O 3は、各層に等しい量で加えます。典型的なviscositiesの範囲1.00×10 -3で嘘- 21.00×10 -3 Pa・sで。各層の粘度は同じです。 注：必要になるまで混合物を安全に別々の容器に格納されてもよいです。 </li><li>密度成層の現場外の準備。 <ol><li>円筒状の内槽に容器Aの内容物を300 mLを加え（ 図2参照 ）。 </li><li>容器Bから流体中の浮遊ボートのスポンジを浸し。 注：（2.1.6.2）した後の手順は、時間に敏感なので、すべての磁石まで、さらなるステップを実行しないと、照明、録音および機械的メカニズムの準備ができています。 </li><li>コンテナBのうち、浮遊船を持ち上げて、それが垂れ停止したときに、慎重に内側円筒タンク内の高密度流体の層の上に浮揚艇を配置します。 </li><li>の流量で浮遊船にコンテナBからの光層の流体を追加し始めます3 ml /分。浮揚艇は、2つの層の間の界面から離れて持ち上げるように徐々に流量を増加させます。インターフェイスは、流体の流れの増加の勢いによって乱さが、このプロセスはせいぜい20分を要しないことを十分に速くされていないことを十分に遅い流速を維持します。上位層は、流体の320ミリリットルを含むまで充填してください。 注：下位層は、約33ミリメートルの深さになり、上位層は、約39ミリメートルの深さになります。 </li><li>注意深く各層の深さが等しくなるように上層にルーサイト蓋を下げます。流体と空気が全く空気が下に閉じ込められていないことを確認して、ブリード穴を通って流れることを可能にします。ルーサイトのふたの上に明確な光層の液体の層（約6ミリメートル）を確認します。 注：プロセスが成功した場合は、それらの間のシャープな界面と同等の深さの液体の二つの層が存在することになります。界面の拡散層の厚みが2μm未満であろうこの段階でメートル。 </li></ol></li><li> 6ミリメートル内槽のルーサイト蓋上の高さに明確な蒸留水で外槽を埋めます。四角いオン観察すると内側円筒タンクから生じる一切の曲率によって誘発される視差はありません。 注：各層の液体が連続してこの時点で、インターフェースを介して拡散しているので、次のステップにすぐ進みます。 </li></ol></li><li>成層のスピンアップ<ol><li>プラットフォーム上で実験タンクを配置します。 </li><li>トラック内の鍵穴オリフィスと位置の保持ピンを介してマグネットのボアにおける銅円筒との取り決め、ドライブシャフトの位置を決めます。タンクは遠く（60センチメートル）液体に磁力がこの位置に無視できるような磁石からであることを確認してください。 注：成層を含む実験的なタンクを運ぶには、いくつかの困難をもたらします。長い、低振幅、スロッシング波が目に歩いて設定しましたEタンクは、上位層の上に浮いたときに達成インターフェースの品質にほとんど影響を与え、離れて減衰します。 </li><li> 0.002ラジアンsで回転速度を高める-2、紡績アップ流体を所望の回転速度に、モーターをオンにします。 60分- 16における回転速度スピンアップ時間についてはオーダー20分でした。 注：使用する最速の回転速度は13.2ラジアン秒-1でした 。 </li></ol></li></ol>実験3.実行<ol><li>磁石は1.2 Tの磁界強度を示しており、不安定性が開始される高さでそのれる磁場勾配である（卒業生のB 2）/ 2いることを確認し= -14.3 T 2 M -1、Bは、磁気誘導であります。 </li><li>ビデオカメラは、駆動軸がその最低位置にあるときにいずれかの実験の側面図で焦点が合っている、または平面ミラーPLを介して焦点にあるように配置されていることを確認実験の上に出し抜か。 </li><li>周囲の照明は、カメラで撮影した画像のいずれもが飽和されないよう、正しいレベルであるが、完全な応答が（0〜255の範囲内のグレースケール強度）が使用されていることを確認してください。 </li><li>ビデオ録画（240 FPS）を開始します。記録機能を操作しながらカメラを移動防止するために、リモートコントロールを使用してください。 </li><li>回転させながら磁場の中に、タンクが下降することができ、保持ピンを外します。 </li></ol> 4.リセット実験<ol><li>実験装置をリセット<ol><li>録画を停止するには、リモートコントロールを使用してください。 </li><li>ディスクにムービーファイルを保存します。 </li><li>それが停止に遅くなるように手で、モータに電圧​​を下げます。漏出を防止するように徐々にこれを実行します。 </li><li>磁石から実験装置を取り外します。 </li><li>適切に混合液層を廃棄して（塩化マンガン四水和物MSDSを参照してください）。 </li><li> （水でタンクを洗浄塩のすべてのトレースが洗い流さされるまで、）を蒸留する必要はありません。液体と皮膚との直接接触は避けること。 </li><li>全く残渣を次の実験を汚染することがあり、その残っていないことを確実にするためにティッシュペーパーで慎重にタンクを乾燥させます。 </li></ol></li></ol> 5.画像処理<ol><li>各ムービーフレームから個々の画像を抽出し、ロスレスの.png形式で保存します。プラットフォームまたは銅円筒例えば、各フレームの任意の不要な部分をマスクします。 </li><li>離散高速フーリエ変換を用いた不安定性の開始後2秒間各画像フレームの二次元自己相関関数16を算出します。最小値を記録、平均、および実験の回転速度および流体層の粘度について観察された波長の最大値。 </li></ol>

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著者らは、開示することは何もありません。

プロトコル内の2つの重要なステップがあります。最初は2.1.6.4です。光層は、その後、あまりにも急速に緻密層上に浮いている場合は2混和性流体層の不可逆的な混合が行われます。回避されると二つの層の間に鋭い（&lt;2mm）をインターフェイスが達成されることが必須です。第二の重要なステップは3.1.5です。実験は、ソリッドボディの回転中に、または位置の可視化と撮像装置なしとスタンバイプロシージャ（2.1.6）を繰り返すに完全に回転させアップされずに磁石に向かって解放された場合。 液層の組成は、磁界強度および運動性能は、すべての前の層化（2.1.6）を作るために最初に確認することができます。最も実用的な困難は、従って、任意の所定の実験を開始する前に解決することができます。我々は、しかし、磁場の中に降下速度が小さく、望ましくない変化を発見しました。一般的に、より速くRotating実験はゆっくりと回転した実験よりも磁界にもっとゆっくり少し下ります。我々は給脂が下降速度のばらつきを低減する助けにはならなかったが見つかりましたけれども、滑り軸受を変更する必要があるかもしれません。私たちは、私たちは10±1ミリメートル秒-1の実験のすべてのための一貫した下降速度を達成するために許可されたプラットフォーム上に小さな（非磁性体）の重量を配置することがわかりました。 装置の主な制限は、磁場が瞬間的に適用することができないことです。超伝導磁石は、励起するために1〜2時間を必要とします。流体層はアップ紡糸された後、理想的には、我々は即座に不安定性を誘発するためにタンクに強い一様な磁場を印加することになります。この理由のために、この実験では、タンクは、磁場に均一の速度で下げました。 磁場に実験を低下させるための必要性にもかかわらず、この技術は、確立されたよりも多くの利点を有していますメソッド。この方法は、ロケット工学の方法2とは異なり、滑らかでもある、とLEM方法3と同様に、しかし、ロック解除の方法とは異なり、ロックを必要としません。これは、流体層の初期スパンアップ状態が放物面のインタフェースを持っているようレイリー・テイラー流れを回転における重要な利点です。さらに、ロックを持っていないことにより、ロック除去によって誘導される付与渦シートに関連する困難が回避されます。我々は、我々の実験では、レイリー・テイラー不安定性に対する回転の影響の最初の実験的な実現であると信じます。 私たちの技術は、これまでの古典流体力学への応用を視野に入れて開発されました。私たちは、流体粒子の有効重量を操作するために弱い常磁性と反磁性液体を使用しています。当社は、現在までに、磁場と流体力学が非接続されるように考慮することができました。この技術はこちらよりを用いた研究の今後の方向性電子磁性流体の挙動と、このデカップリングは、もはや有効で回転レイリー・テイラー不安定性のセットアップ、中の磁場との相互作用を考慮。

<html>二層からなる密度成層流体システムは、安定または不安定な構成のいずれかで重力場に配置することができます。インターフェイスへの摂動が重力によって復元され、安定しており、波がインターフェイス上でサポートすることができる：高密度の重い層は密度の低い、光層の下にある場合、システムが安定しています。重い層は、光層に重なっている場合、システムは不安定であり、インターフェイスへの摂動は成長します。この基本的な流体不安定性は、レイリー・テイラー不安定性7、8です。全く同じ不安定性は、より重い層に向かって加速された非回転系で観察することができます。小規模薄膜現象9からの観察された天体スケールの特徴、例えば、カニ星雲へ：原因、それはまた、規模が大きく異なる、非常に多くのフローで観察された不安定性の基本的な性質へパルサー風によって作成された指のような構造が観察されたEF &quot;&gt; 10は、より緻密な超新星残骸で加速されている。これは、初期の不安定な濃度差があった後レイリー・テイラー不安定性を制御または影響を与えることができる方法としてオープン質問です界面で確立した。一つの可能​​性は、システムの大部分の回転を考慮することである。実験の目的は、システム上での回転の効果を調べることであり、これは安定化への経路とすることができるかどうか。 私たちは、重力の方向に平行な軸を中心とし定常回転の対象となる二層の重力不安定成層から構成された流体システムを考えます。摂動に不安定な二層の密度成層は、ブレーク・アップするために、任意の垂直構造の世話、界面において、転倒、 すなわち 、渦度の傾圧世代につながります。しかし、回転流体は、コヒーレント縦目に自分自身を整理することが知られています回転の軸と整列ructures、いわゆる「テイラー列&#39;11。したがって、調査対象のシステムは、回転の安定化効果との間の競合を受け、垂直構造への流れを整理し、転倒二つの層を防止し、かつ密度の高い流体の不安定化効果は、界面での転倒運動を生成ライター用オイルの上を覆っていること。増加した回転速度で、より安定した形状に自身を再配置するために、互いに反対方向で、半径方向に移動する流体層の能力が、ますますテイラープラウドマン定理12、13によって阻害される。半径方向の移動が低減されますそして、不安定性が発展するように具現観察構造は規模が小さくなっています。 イチジク。図1は、質的に不安定性が発達するように形成する渦上の回転の効果を示しています。の中に左側のイメージは、回転がないと流れは、古典的な非回転レイリー・テイラー不安定性への近似です。右側の画像では、すべての実験パラメータは、システムが、タンクの中心と整列し、縦軸を中心に回転されていることを除いて、左側の画像と同一です。回転の影響が形成されている渦の大きさを減少させることであることがわかります。これは、今度は、非回転カウンターパートよりもゆっくりと発症不安定になります。 流体の応力テンソルを変更磁気効果が変更された重力場と同じように作用するとみなすことができます。したがって、我々は重力的に安定な成層を作成して、ソリッドボディ回転にそれをスピンアップすることができます。勾配磁場をかけることによって生成された磁性体の力は、その後、重力場を変更する効果を模倣します。これは、インターフェイスが不安定にこのような流体システムbehaことレンダリングVES、回転下での古典的なレイリー・テイラー不安定性と良好な近似に。このアプローチは、以前に回転14、15せずに二次元的に試みられています。誘導磁場Bと印加される傾斜磁場のために、身体の力は一定の磁気体積率χの流体に適用さをf =大学院（χのB 2 /μ0）、で与えられる。ここで、B = | B | 0 =4π×10をμ-7 NA -2自由空間の透磁率です。 χ（∂B 2 /∂zの -したがって、我々は、強度gの重力場における密度ρの流体の単位体積当たりの有効量はρのグラムで与えられる各流体層の有効重量を操作するために磁石を考慮することができます）/（2μ0）。

<table><tbody><tr><td>Blue water tracing dye</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>Red water tracing dye</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>Sodium Chloride</td><td></td><td></td><td>&gt;99% purity</td></tr><tr><td>Manganese Chloride Tetrahydrate</td><td></td><td></td><td>See MSDS</td></tr><tr><td>Fluorescein sodium salt&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnet</td><td>Cryogenic Ltd. London</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability

レイリー・テイラー不安定性を調べるための古典的な技術は、重力の効果的な方向を反転し、密度の高い流体に向かって軽い流体を加速するために、圧縮ガス1、ロケット2またはリニア電気モータ3を使用することを含みます。他の著者例えば 図4、図 5、 図6は、フローを開始するために除去されているバリアと重力不安定な成層を分離しています。しかし、回転成層の場合には放物線の初期インタフェースは、実験的に重要な技術的な問題を課します。我々は、レイリー・テイラー不安定時の回転の影響を調査するために流れをソリッドボディ回転に層別化し、スピンアップだけにして開始できるようにしたいです。我々がここで採用したアプローチは、磁場を使用することですフローを開始するために、2つの液体の有効量を操作するための超電導磁石。我々は、標準的な浮選技術を用いて、重力的に安定な二層の層別化を作成します。上層は下層よりも密度が低いので、システムはレイリー・テイラー安定しています。両方の層は、ソリッドボディ回転であり、放物線状インターフェイスが観察されるまで、この層別化は、その後、スピンアップされています。 χ|これらの実験は、低磁化率、との流体を使用します| 〜10 -6 -磁性流体に比べて10 -5、。磁場の支配的な効果は、有効重量を変更し、各レイヤに身体の力を加えます。下層が弱い反磁性である一方で、上層は弱い常磁性です。磁場が印加されると、上層は磁石に向かって引き寄せられ、一方、下層は、磁石から反発されます。レイリー・テイラー不安定性は、高勾配磁場の適用によって達成されます。我々はさらに大口ことを観察しました各層に流体の動粘度をreasing、不安定の長さスケールを増加させます。

イチジク。 4は、2つの流体間の界面でのレイリー・テイラー不安定性の発達を示し、四つの異なる回転速度について：Ω= 1.89ラジアン秒-1（一番上の行）、Ω= 3.32ラジアン秒-1、Ω= 4.68ラジアン秒- 1、およびΩ= 8.74ラジアン秒-1（下段）。インタフェースは= 3.0秒（右側の列）をtに0.5秒刻みでトン= 0秒（左側の列）から時間的に進化して示されています。右側の列は、したがって、上から下の行にそれぞれ0.90、1.59、2.23、および4.17完全な回転を表します。 初期の時間（T〜0.5〜1.0秒）でインターフェイスに摂動が支配的な長さスケールを呈する分かります。連想させる蛇状対流ロール17の構造を観察することができます。タンクの中心は最初の不安定化にもかかわらず、明確なありませんタンクの中心に開始。不安定性は、良好な近似に、タンクの全範囲にわたっては開始されます。 （照明リグの一部の反射を観察することができる最高回転速度では、これは実装構成では不可避であり、タンク蓋上記流体の自由表面の曲率に起因して発生します。） 回転速度の増加に伴って、観察された不安定性は、長さスケールに減少することが明らかです。初期擾乱構造が続くパスが再び側壁に出て、タンクの中心に向かって蛇行や、重要な放射状の偏差を持って低い回転速度では。最低回転速度において不安定性は、蛇行以上の細胞です。回転速度が増加するにつれて細胞の初期摂動はもはや観察されず、より多くの蛇行状構造が現れます。回転速度をこれらの構造の幅を大きくするとsが低下します。また、半径方向の蛇行の量があまりにも減少することを観察することができます。これは、回転速度を示すために、不安定性が方位摂動が時間が進化するにつれ、より顕著になってきて放射状に最初に開発し、それを見ることができます。 3.0秒≈時間tとは、構造が原因で、半径方向または方位角摂動に生じたかを識別することは困難です。 画像から主要な観察は、構造体の観察された長さスケールが大きく、回転速度のために小さいことです。また、不安定性がロック除去によって作成された渦シートから発生しないことで技術の強さを見ることができます。 イチジク。 5は、固定された回転速度（Ω= 7.8±0.1ラジアン秒-1）に維持するが、流体の粘度を変化させる一連の実験からの画像を示しています。各層の粘度の比は、Tを比較しました水の粘度O、μ/μW、1.00（一番上の行）から20.50（下段）に変化し、各画像の時間= 1.5秒（右欄）をtにトン = 0秒（左列）ごとに異なります。 2つの層の粘度として観察長さスケールが増加する増加することは明らかです。観測された長さスケール示す最も粘性のある場合には、少なくとも粘性の場合に観察さ6ミリメートルの長さスケールに比べて約18ミリメートルです。また、最も粘性の場合に強い壁効果があるように見えることが分かります。粘度が増加するにつれて我々は、長波長不安定に短いから一般的な傾向を観察します。 観察された不安定性は、時間的にゆっくりと変化し、我々は実験の映画の中で各画像の自己相関を経由して、実験的に測定波長を持っています。自己相関は、画像強度の変換、二次元離散高速フーリエ変換から計算されます。光画像の領域が不安定にピークを表し、暗い領域は、トラフを示しています。レイリー・テイラー不安定性の分散関係が不安定の所与のモードの成長率は、その波長に依存することを示しているように自己相関の最大は、従って極めて重要である不安定波長の尺度です。 イチジク。図6は、回転速度を変化させるための不安定性の観測された波長の代表的な測定結果を示しています。私たちは、回転速度が不安定性の観測された波長を増加して約4ラジアン秒-1より高い回転率は約6ミリメートルの下限しきい値に減少することを確認します。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55088/55088fig1.jpg" /> 図1：レイリー・テイラー不安定性に対する回転の定性的効果。左側の画像は、私の開発レイリー・テイラー不安定性のものですNAは、システムの非回転します。不安定性は、「密度の高い」（緑）は、流体を下方に運ぶ大きな渦を形成し、時間的に開発しています。右側の画像は、同じ流体であるので、同じ磁気/重力不安定が、ここではシステムが回転しています。回転の効果は、形成渦の大きさを制限し、流体のバルク垂直輸送を阻害することがわかります。示した時間は、それぞれ左側の開始及び右側後1.92秒と3.52秒です。タンク直径90 mmであり、右側の画像における回転速度は、2.38ラジアン秒-1でした 。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55088/55088fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55088/55088fig2.jpg" /> 図2： 実験セットアップ。 CYlindricalタンクが2液体の層が含まれています。ルーサイト蓋は二つの層のための強固な蓋を形成しています。蓋上記流体は、ルーサイトからの反射やまぶしさを除去するのに役立ちます。円筒形タンクは、矩形の外槽内に、蒸留水に浸漬されます。これらのタンクは、プラットフォーム上に配置され、磁気力が無視できるマグネット上記紡糸アップされています。プラットフォームは鍵穴形のすべり軸受の回転中心から外れたモータによって回転されます。実験を開始するには、ピンを除去し、実験は、磁場の中に自重で下降し、同時に回転します。 （この図は、16から変更されている。） <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55088/55088fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55088/55088fig3.jpg" /> 図3：浮選「ボート」。ザ浮揚艇は「ボート」を作るためにポリスチレン壁（グレー）の下面にホット接着高密度のスポンジ層（黄色）によって行われます。光上層液をゆっくりと二つの層の間に最小限の混合を有する緻密下層の上に浮い、スポンジを介して拡散します。成層はさらに、さらに、入射光の流体層の運動量を拡散するためにスポンジ層の上にティッシュペーパー（青）の層を配置することによって改善することができます。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55088/55088fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/55088/55088fig4.jpg" /> 図4： 回転速度を増加させる効果を実証する実験の第二のシリーズから現像不安定の画像のシーケンス。 Ωからの回転増加率= 1.89 RADS -1上段のΩへ= 8.74ラジアン秒-1下段インチ示した時間は、不安定性の発症が観察された時点から測定しています。スケールバーは1センチメートルのステップで10cmの長さを示しています。黒丸の直径10.7センチの長さを表します。 （この図は、16から変更されている。） <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55088/55088fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/55088/55088fig5.jpg" /> 図5： 不安定で流体粘度を変化させることの効果を示す一連の画像 。回転速度は=Ωに固定した7.8±0.1ラジアンsが-1に示す各実験、および時間のために1.5の間隔です。中段は約粘度を有するシステムにおける不安定性を示しています水の8.36倍。一番上の行では、システムの粘度は水の約20.50倍です。不安定スケールの観察長さが増加し、流体粘度増加することが分かります。スケールバーは1センチメートルのステップで10cmの長さを示しています。黒丸の直径10.7センチの長さを表します。 （この図は、16から変更されている。） <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55088/55088fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/55088/55088fig6.jpg" /> 図6：不安定性の発症時の支配的な観測された波長。私たちは約4ラジアン秒を超えるすべての回転速度のために、約6ミリメートルの不安定性のスケールのための下限しきい値を観察-1。エラーバーは、測定最大値と最小値を示します不安定性の開始後最初の2秒以上の波長。 （この図は、16から変更されている。） <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55088/55088fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

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Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

We present a protocol for preparing a two-layer density-stratified liquid that can be spun-up into solid body rotation and subsequently induced into Rayleigh-Taylor instability by applying a gradient magnetic field.

磁気的に誘導された回転レイリー・テイラー不安定性

Classical techniques for investigating the Rayleigh-Taylor instability include using compressed gasses1, rocketry2 or linear electric motors3 to reverse ...

magnetically-induced-rotating-rayleigh-taylor-instability

Nanyang Technological University

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Rotation and Rigid Bodies

SCIENTISTS IN ACTION

9.5K ビュー.  University of Nottingham. We present a protocol for preparing a two-layer density-stratified liquid that can be spun-up into solid body rotation and subsequently induced into Rayleigh-Taylor instability by applying a gradient magnetic field.

ビデオ: Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

乱流で3Dプリント粒子の配向および回転速度を測定するための方法

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

工学

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb explosion imaging setup in which a hitherto-impractical camera angle is realized. In our imaging technique, diatomic molecules are irradiated with a circularly polarized strong laser pulse. The ejected atomic ions are accelerated perpendicularly to the laser propagation. The ions lying in the laser polarization plane are selected through the use of a mechanical slit and imaged with a high-throughput, 2-dimensional detector installed parallel to the polarization plane. Because a circularly polarized (isotropic) Coulomb exploding pulse is used, the observed angular distribution of the ejected ions directly corresponds to the squared rotational wave function at the time of the pulse irradiation. To create a real-time movie of molecular rotation, the present imaging technique is combined with a femtosecond pump-probe optical setup in which the pump pulses create unidirectionally rotating molecular ensembles. Due to the high image throughput of our detection system, the pump-probe experimental condition can be easily optimized by monitoring a real-time snapshot. As a result, the quality of the observed movie is sufficiently high for visualizing the detailed wave nature of motion. We also note that the present technique can be implemented in existing standard ion imaging setups, offering a new camera angle or viewpoint for the molecular systems without the need for extensive modification.

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

レーザー駆動の超高速分子回転のダイレクトイメージング

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

化学

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

管内の単相およびフロー ローカル瞬時対流熱伝達の測定

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that characterize the transport phenomena in a rotating channel are identified via the parametric analysis of the momentum and energy equations referring to a rotating frame of reference. Based on these dimensionless flow equations, an experimental strategy that links the design of the test module, the experimental program and the data analysis is formulated with the attempt to reveal the isolated Coriolis-force and buoyancy effects on heat transfer performances. The effects of Coriolis force and rotating buoyancy are illustrated using the selective results measured from rotating channels with various geometries. While the Coriolis-force and rotating-buoyancy impacts share several common features among the various rotating channels, the unique heat transfer signatures are found in association with the flow direction, the channel shape and the arrangement of heat transfer enhancement devices. Regardless of the flow configurations of the rotating channels, the presented experimental method enables the development of physically consistent heat transfer correlations that permit the evaluation of isolated and interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on the heat transfer properties of rotating channels.

Here, we present an experimental method for decoupling the interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on full-field heat transfer distributions of a rotating channel.

連結を解くコリオリの力と全視野熱回転浮力の影響回転チャネルのプロパティを転送します。

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due to their potential applications for future device technologies such as sensors and storage. However, conventional approaches, which usually utilize materials containing magnetic metal ions (or radicals), have a major problem: only a few materials have been found to show the coupling phenomena at room temperature. Recently, we proposed a new approach to achieve room-temperature magnetoelectrics. In contrast to conventional approaches, our alternative proposal focuses on a completely different material, a &#34;liquid crystal&#34;, free from magnetic metal ions. In such liquid crystals, a magnetic field can be utilized to control the orientational state of constituent molecules and the corresponding electric polarization through magnetic anisotropy of the molecules; it is an unprecedented mechanism of the magnetoelectric effect. In this context, this paper provides a protocol to measure ferroelectric properties induced by a magnetic field, that is, the direct magnetoelectric effect, in a liquid crystal. With the method detailed here, we successfully detected magnetically-tuned electric polarization in the chiral smectic C phase of a liquid crystal at room temperature. Taken together with the flexibility of constituent molecules, which directly affects the magnetoelectric responses, the introduced method will serve to allow liquid crystal cells to acquire more functions as room-temperature magnetoelectrics and associated optical materials.

In this report, we present a protocol to examine direct magnetoelectric effects, i.e., induction of ferroelectric polarization by applying magnetic fields, in liquid crystals. This protocol provides a unique approach, supported by the softness of liquid crystals, to achieve room-temperature magnetoelectrics.

液晶における強誘電分極の磁場調整を測定

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

生物工学

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Induction of Microstreaming by Nonspherical Bubble Oscillations in an Acoustic Levitation System

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. Experimental observations suggest that the temporary permeabilization of these barriers may be due to shear stress that is exerted on cell tissues by cavitation microstreaming. Cavitation microstreaming is the generation of vortex flows which arise around oscillating ultrasound microbubbles. To produce such liquid flows, bubble oscillations must deviate from purely spherical oscillations and include either a translational instability or shape modes. Experimental studies of bubble-induced flows and shear stress on nearby surfaces are often restricted in their scope due to the difficulty of capturing shape deformations of microbubbles in a stable and controllable manner. We describe the design of an acoustic levitation chamber for the study of symmetry-controlled nonspherical oscillations. Such control is performed by using a coalescence technique between two approaching bubbles in a sufficiently intense ultrasound field. The control of nonspherical oscillations opens the way to a controlled cavitation microstreaming of a free surface-oscillating microbubble. High-frame rate cameras allow investigating quasi-simultaneously the nonspherical bubble dynamics at the acoustic timescale and the liquid flow at a lower timescale. It is shown that a large variety of fluid patterns may be obtained and that they are correlated to the modal content of the bubble interface. We demonstrate that even the high-order shape modes can create large-distance fluid patterns if the interface dynamics contain several modes, highlighting the potential of nonspherical oscillations for targeted and localized drug delivery.

A fast and reliable technique is proposed to control the shape oscillations of a single, trapped acoustic bubble that is based on coalescence technique between two bubbles. The steady-state, symmetry-controlled bubble shape oscillations allow analysis of the fluid flow generated in the vicinity of the bubble interface.

音響浮上システムにおける非球面気泡振動によるマイクロストリーミングの誘導

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. ...

磁気的に誘導された回転レイリー・テイラー不安定性

要約

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乱流で3Dプリント粒子の配向および回転速度を測定するための方法

レーザー駆動の超高速分子回転のダイレクトイメージング

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

管内の単相およびフローローカル瞬時対流熱伝達の測定

連結を解くコリオリの力と全視野熱回転浮力の影響回転チャネルのプロパティを転送します。

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

液晶における強誘電分極の磁場調整を測定

マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

音響浮上システムにおける非球面気泡振動によるマイクロストリーミングの誘導

磁気的に誘導された回転レイリー・テイラー不安定性

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マイクロスケールシュリーレン法によるマイクロ流体デバイス内の混合不均一性の分析

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