Düşen küreler değişmiş sıvı ve Impactor yüzey koşulları ile derin sıvı bir havuzu üzerinde etkileri

Özet

Bu iletişim kuralı ile düşen küreler su giriş deneyler için temel deneysel yapılandırma gösterir. Sıvı yüzeyi geçirgen kumaşlar ile değiştirilmesi, kimyasal olarak ıslatma küreler hazırlanması için yöntemleri ve sıçrama görselleştirme ve veri ayıklama için adımları ele alınmıştır.

Özet

Temiz su küre dikey etkileri çok sayıda su giriş araştırmalar kavite oluşumu karakterize konu oldu, sıçrama taç yükseliş ve Worthington istikrar jet. Burada, biz ne zaman düzgün düşen değişen wettability, kütle ve çapı etkiye sahip ince edilebilen kumaşlar ve sıvı yüzey tarafından değiştirilmiş bir derin sıvı havuzu ücretsiz yüzeyine yuvar sıçrama dynamics incelenmesi için deneysel protokol kurmak. Su giriş araştırmalar erişilebilir, kolay montajı ve yürütülen deneyler karmaşık akışkanlar mekaniği çalışmak için sağlar. Biz burada splash yüksekliği, akış ayırma ölçümleri ve Impactor kinematik ve yaklaşımımız üreyen elde edilebilir temsilcisi sonuçları karakterize için ayarlanabilir bir iletişim kuralı mevcut. Karakteristik sıçrama boyutları yaklaşık 0,5 m altında kaldığında yöntemleri geçerlidir. Ancak, bu iletişim kuralını hangi kamu sonuçları için deniz çevirmek için iyi daha fazla Impactor yayın yükseklikte ve etkisi hızları, için adapte olabilir ve sanayi uygulamaları.

Giriş

Splash dinamikleri üzerinde derin sıvı havuz¹ dikey katı cisimlerin etkilerinden kaynaklanan karakterizasyonu^{2açılış balistik füze su giriş ve deniz yüzeyi gibi askeri, deniz ve endüstriyel uygulamalar için geçerlidir, 3,4,5}. Su girişi ilk çalışmaların bir yüzyıldan daha önce de yapılmıştır^6,7. Burada, açık derinlemesine protokolleri ve su girişi araştırmalar için tutarlı sonuçlar elde etmek için en iyi yöntemler kurmak. Geçerli deneysel tasarım yardım etmek için bir yöntem sunulur sıhhi şartları bakımından, interfacial koşulları değiştirme, boyutsuz parametreleri kontrolünü, kimyasal Impactor yüzey modifikasyonu ve sıçrama kinematik görselleştirme için.

Dikey düşen hidrofilik küreler durgun sıvı üzerinde etkileri düşük hızları⁸' de hava-tuzak hiçbir işaret. Bulduğumuz ince edilebilen kumaşlar sıvı yüzey üstüne yerleşimini kavite oluşumu nedeniyle zorunlu akış ayırma¹neden olur. Yetersiz miktarda kumaş yüzeyinde yeterli katmanlama üstesinden küreler sıvı giriş¹sürüklerken sıçramasına zayıflar iken orta Weber numaraları aralığında sıçramasına güçlendirir. Bu makalede, biz hidrofilik küreler su girişindeki maddi gücü etkileri oluşturmak için uygun iletişim kuralları açıklar.

Kavite sıçramalarına gelen hidrofobik oluşturan bir iyi gelişmiş sıçrama taç yükseliş kırıcılar göstermek birincil jet zaman onların su-sevme karşıtları⁸' e göre yüzey üzerinde çıkıntı izledi. Burada, su iticilik hidrofilik küre yüzeyine kimyasal olarak değiştirme yoluyla elde etmek için bir yaklaşım mevcut.

Yüksek hızlı kameralar ve advent ile splash görselleştirme ve karakterizasyonu daha ulaşılabilir hale gelmiştir. Öyle olsa bile, alanında kurulan Standartlar tek kamera kullanım için seyahat birincil eksenine dik ara. Genel gider görünümler için ek bir yüksek hızlı kamera kullanımı hedeflenen yeri küreler strike hükümvermek için gerekli olduğunu göstereceğiz.

Protokol

1. deneme dikey etkileri için yapılandırma

1. Şeffaf su haznesi boyutları yaklaşık 60 cm doldurmak x 30 cm x 36 cm (uzunluk x Ağırlık x derinlik) 32 L su ile ve Bankası sıvı oturur gibi kapsayıcı içinde dikey olarak metre cetvel ('görsel ölçek') Şekil 1a' görüldüğü gibi bağlarsınız.
   Not: Derinlik ve genişlik tank 20 kez denemeye ihmal edilebilir⁹duvar etkileri sağlamak için kullanılan en büyük Küre çapı büyük olması gerekir. O burada açıklanan irade daha büyük giriş hızı büyük tank derinliği gerektirir. Damla yükseklikleri ve izleme yazılımı kalibrasyonu belirlemek için kullanılan görsel ölçek 7 bölümünde açıklanır.
2. Bir ek metre cetvel boyutlarını büyütmek için hareket edebilir suyun altına yerleştirin. Bu görsel ölçek takip yazılımı sualtı ölçümler için kalibre için kullanılır.
3. Küreler sıvı yukarıda askıya alır ve teğet ivme yerçekimi Impactor yeri ne zaman serbest bırakmak, daha büyük Şekil 1a' görüldüğü gibi elde etmek için aşağıya doğru döner bir menteşeli platformu ('bırakma mekanizması') oluşturun. Hızlı dönüş lastikleri kullanarak destekleyici bileşen Merkezi için menteşeli platformu bağlanarak elde edilir. Desteklenmeyen ve dönmeyen Impactor sonucudur.
   Not: Platform kolayca 3D printerlere harcama maddeler ile imal edilmiştir.
4. Etkisi denemeler için başparmak menteşeli platform taban ve küre sıvı üzerinde yerleşim için bir yatay konuma 90 ° döndürmek için yerleştirin.
   Not: geri çekme başparmak platform tabanından serbest bırakıldığında tetiklenir.
5. Öyle ki aygıt-ebilmek var olmak ayarlamak için çeşitli yükseklikleri bırakma mekanizması bir imbik stand için yapıştırmayın.
6. Yer imbik bırakma mekanizması görsel ölçek olarak aynı derinlik düzlem içinde öyle ki deponun yanında dur. Bir ağırlık imbik stand tabanına devrildiği önlemek için gerektiği gibi ekleyin.
7. Bırakma mekanizması en çok istenilen deneysel bırakma yüksekliği ayarlayın. Bu 6 bölümünde açıklandığı gibi en iyi sıçrama görselleştirme için gereklidir ve sıçrama ilgi her zaman kameranın görüş çerçevesinde nelerdir sağlar.
8. Sıçrama bölgesindesiniz seyir kamera yukarıda ışık monte öyle ki bir çok LED ışık eklem kolunu iliştirin. Ortam ışığı tek başına yetersiz yüksek kare hızları yerinde aydınlatmak sıçrama kinematik ayıklamak için gereklidir.
   Not: Bir asla çok fazla ışık olacak.
9. Şekil 2' de görüldüğü gibi sıçrama ve boşluğu görselleştirme yardım etmek için su deposu arkasında siyah bir ekran yerleştirin.
10. Bir cam koruyucu şok emici, kapalı hücreli sünger gibi su deposu ve ucu cilt soyma önlemek için ağırlıklar ile altına yerleştirin.
    Not: küre darbe emici hava boşluğuna çimdik¹⁰kapalı önce ile etkileşime girmez öyle ki içinde belgili tanımlık tank sıvı yüksekliği olmalıdır.

2. kontrol etme boyutsuz parametreleri

1. Düz küreler çeşitli kitleler ve çapları ile deneyler. Bunun için polyoxymethylene (örneğin, Delrin) para yapma topları özellikle de iş ve hiçbir kalıp bölümü çizgi var. Kitleler ve çapları bir analitik dengesi ve Vernier kumpas ile sırasıyla ölçmek.
2. Yükseklikleri H etkisi hızları oluşturmak için bir dizi üzerinde deneyler nerede m/s² yerçekimi nedeniyle ivme olduğunu. Yükseklik kamera çerçeve içinde görsel ölçek ölçmek.
   Not: video çözümleme aracı Otomatik izleme özelliğinde etkisi hızları ölçmek için 7 bölümünde açıklandığı gibi kullanın.
3. Sıvı karışımları su ve yüzey gerilimi değiştirmek için uygun yüzey (örneğin, gliserin veya sabun) ile deneyler. Yüzey gerilimi ile yüzey tensiometer ölçmek.
4. Reynolds sayıları hesaplamak ve Weber numaraları ρ sıvı yoğunluğu nerede D Küre çapı, μ σ sıvının yüzey gerilimi ve sıvı dinamik viskozite.

3. sıhhi deneysel koşullar Bakımı

1. Endüstriyel nitril eldiven giyerken deneyler ve küreler su tankından arındırılmış bir kepçe ile alabilirsiniz.
   Dikkat: Cilt doğal olarak kırıcılar wettability etkiler ve sıvı koşulları kusur yağlar üretir.
2. Küreler % 99 izopropil alkol ile temiz ve yabancı maddelerin etkisini önlemek için denemeler arasında 1 dakika kurumasını sağlar.
3. Saçak'ın el ile toplanamaz etkisi sırasında parçalayın kumaşlar kullanılıyorsa, su tankında her davadan sonra yerini.
4. Deney sonunda, tank boş ve kurumaya bırakın.
5. Bir deneme daha önce herhangi bir kirleri çıkarmak için su ile tank temiz.

4. katman yüzey ile aşılabilir kumaşlar

1. Kumaş kare içine ayırmak veya plies etkisi denemeler için hazırlık yuvarlak. Vernier Kaliper kumaşın sıkıştırılmış kalınlık elde etmek için kullanın.
   Not: Islak kumaş kalınlığı değişir.
2. Yavaşça kuru kumaş yüzeyi sıvı havuzun üstüne getirin. Plies iniş daha yayınlanmadan önce başlamak yok ve hemen çarpışmadan sonra kumaşlar yerine sağlamak.
3. Ayıklanmış bir kepçe küreler serbest bırakmadan önce kumaş menteşeli platform altında konumlandırmak için kullanın.
4. (İsteğe bağlı) Bir kumaş örnek için malzeme karakterizasyonu kullanarak aşağıdaki sınamaları gerçekleştirin.
   1. Elastik modül örnek belirlemek için bir çekme test kullanarak gerilme test yapın.
   2. Dijital mikroskop kumaş mikroskobik bir görünümünü elde etmek ve bir görüntüleme aracı kullanarak lif uzunluğu belirlemek için kullanın.

5. kimyasal olarak hidrofobik küreler hazırlanması

1. Sprey hidrofobik baz kat küre yüzeyinden yaklaşık 15-30 cm. Yüzey nemlendirici kaçının. 1\u20122 min için ek kaplamalar eklemeden önce kurumasını bekleyin. İki daha fazla baz kat uygulanır. Üst kat uygulamadan önce 30 dakika kurumasını bekleyin.
   Not: Ek yüzey sayısını ürün üreticisinin tavsiyelerine göre değişebilir.
2. Sprey hidrofobik üst kat yüzeyden yaklaşık 15-30 cm. Yüzey nemlendirici kaçının. 1-2 min için ek kaplamalar eklemeden önce kurumasını bekleyin. Üst kat, iki ya da üç daha fazla kaplama uygulanır. Işık kullanmak için ve tam kullanım için 12 h 30 dakika kurumasını sağlar.
   Not: Ek yüzey kat sayısı ürün üreticisinin tavsiyelerine göre değişebilir.
3. Yaklaşık 20 denemeler sonra hidrofobik kaplama nedeniyle aşırı kullanım güvenliği tehlikeye. Kaplama ile % 99 izopropil kaldırmak ve 5.1 ve 5.2 numaralı adımları yineleyin.

6. kameralar sıçrama görselleştirme için eşitleme

1. Yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi ile uygun bir mercek etkisi eksenine dik ve satır içi sıvı yüzeyi ile yerleştirin.
   Not: Bir 55 mm prime lens iyi bir başlangıç noktası sağlar.
2. Kumaşlar kullanılmak üzere olduğu, ek bir yüksek hızlı fotoğraf makinesi Şekil 1badımında görüldüğü gibi etkileri, yukarıdan aşağıya görünümünü sağlamak için deneme ekleyin.
3. Aşağıdaki adımları kullanarak bir bilgisayara birden fazla kamera eşitleyin.
   1. Yatay fotoğraf makinesinin her iki çıkış terminalleri BNC kablolama ile munzam fotoğraf makinesi her iki giriş terminalleri için bağlayın.
   2. Tetikleyici anahtarı yalnızca yatay fotoğraf makinesini bağlayın.
   3. Bilgisayara bağlı bir ağ yönlendirici her ikisi fotoğraf makinesi Ethernet kabloları takın.
      Not: bir yönlendirici yokluğunda, bilgisayarlar ayrı kameraların Ethernet kabloları bağlayın.
4. Video alma yazılımı, kameralar aşağıdaki ayarlarla yapılandırın. En az 1000 fps kare hızını ayarlamak, ekran çözünürlüğü için istenen Çözünürlük ayarlayın. 1 kare başına ikinci çekim hızı ayarlamak ve sona erdirmek için tetik modunu ayarlayın.
5. En fazla yayın yükseklikten Worthington jetleri video karesi içinde olduğundan emin olmak için test deneme bir dizi yapmak.
6. İstenen görselleştirme kalite elde edene kadar kamera konumunu ve odak buna göre ayarlayın.
7. Kaydettikten sonra kinematik ve geometrik ölçümleri hulâsa--dan uygun video analiz aracını kullanarak video. İzci, bir açık kaynak çözümleme aracı veya herhangi bir yazılım karşılaştırmalı kabiliyetinin kullanın.

7. digitizing etkisi kinematik izci yazılımı ile

1. Kalibrasyon sopa İzleyicisi araç kutusundan seçin ve görsel ölçek (Şekil 2a), mümkün olduğunca uzun sopa yapma maç.
2. Kalibrasyon sopa tıklatın ve sopa tarafından yayılmış görsel ölçek uzunluğu ölçekleme değerini ayarlayın. Kalibrasyon sopa görsel ölçekte 1 cm yayılmışsa, diğer bir deyişle, ölçekleme değeri 1'e ayarlayın.
   Not: Bu bilgisayar yazılımı--dan alınan ölçümlere santimetre sırasına göre sağlar.
3. Video oynatmayı başlatma ve durdurma tıklatarak geçiş yapmak ve istediğiniz kareye video ayarlayın.
4. Sopa ölçme İzleyicisi araç kutusundan seçin ve Şekil 2b,cgörüldüğü gibi sıçrama taç yüksekliği k, boşluğu genişliği b, kavite derinlik lve Worthington jet yüksekliği h, ayıklayın.
   Not: Ölçme sopa her iki ucunda da ayarlanabilir ve diğer araç kutusu seçimleri ile aynı anda kullanılabilir.
5. İletki İzleyicisi araç kutusundan seçin ve Şekil 2bgörüldüğü gibi sıvı Impactor göre ayırma açısı q ölçün. İletki her iki uçta da ayarlanabilir ve diğer araç kutusu seçimleri ile aynı anda kullanılabilir.
6. Otomatik izleme özelliği geçici konum ve hız veri kaydetmek için yazılım seçin. İzleme netlik elde edilir kadar video, kullanım el ile izleme içinde netlik eksikliği nedeniyle kesintiye uğramış ve otomatik izleme olduğunda sürdürülür.

Sonuçlar

Bu kurulan iletişim kurallarına izin ver dikey etkileri Weber aralığı sayılar üzerinde doğan Worthington jetleri gözetilmesi için Şekil 2 cgörüldüğü gibi. Bu sonuçlar Watson ve ark.¹burada sunulan veriler üretmek için kullanılan tam deneysel koşullar için başvurulabilir, yayınlanır. Biz sıvı ücretsiz sıvı yüzeyi üzerinde çıkıntılı dar...

Tartışmalar

Bu iletişim kuralı deneysel tasarım ve düşen küre derin sıvı havuzu üzerine araştırmalar için en iyi yöntemler açıklanmaktadır. Biz dikey etkileri denemenin yapılandırmak için gereken adımları vurgulayarak başlar. Önemsiz⁹ve kinematik^{12,13,14 ayıklamak için uygun görsel ölçeği duvar etkileri vardır öyle ki yeterince büyük sıçrama bölgesindesiniz kullanımı ile bir ideal sı?...}

Malzemeler

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