Name: magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability at JoVE.com

RJAH acknowledges support from EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS acknowledges funding from EPSRC under grant number EP/K5035-4X/1.

NOT: Deney aygıtı Şekil l&#39;de şematik olarak gösterilmiştir. 2. aparatın ana bölümü bir döner platforma (300 mm ila 300 mm x) bir oda bir bakır silindir süper-iletken mıknatıs (1.8 T) güçlü bir manyetik alan içine kendi ağırlığı altında iner (55 mm çapında) üzerine monte edilmiş oluşmaktadır sıcaklık dikey delik. Platform anahtar deliği deliğe sahip bir kayma-taşıyan döner eksen dışı motor ile dönmek üzere yapılır. bakır silindir eş zamanlı olarak döner ve tutma-kutuplu çıkartıldıktan sonra iner anahtar şekilli tahrik miline takılır. Standart dışı Ekipman 1. Hazırlık <ol><li> flotasyon tekne <ol><li> o tarafları dokunmadan deneysel tankın içinde rahatça oturur şekilde teknenin boyutunu olun. NOT: yüzdürme tekne (. Bkz 3) polistiren duvarlar ve sünger tabanı oluşur. </li><li> st bir tabaka ile sünger korumaRong kağıt mendil. NOT: kağıt mendil amacı mümkün olduğunca teknenin içine dökülür sıvıdan kadar dikey ivme dağıtmak etmektir. </li></ol></li></ol> Deney 2. Hazırlık <ol><li> Sıvı tabakaların hazırlanması <ol><li> Damıtılmış su laboratuar sıcaklığında (22 ± 2 ° C) kadar çıkmasına izin verin. Yaklaşık olarak 650 ml her bir deney gerçekleşmesi için gereklidir. NOT: Karışım dengeye gelmesini sağlamak nedeniyle hava exsolving için deneyde kabarcıklarının oluşumunu engeller. </li><li> Sırasıyla, yoğun alt tabaka ve hafif bir üst katman sıvısı hazırlamak için kullanılacak iki ayrı kaplar, A ve B, eşit hacimlerde damıtılmış suyun ayırın. </li><li> Yoğun alt tabakanın ex-situ hazırlanması. Kabının içeriği için: <ol><li> litresi başına NaCI (yaklaşık 25 g su litresi başına 0.43 mol NaCI konsantrasyonu elde etmek için NaCl ilavesu) gerekli olacaktır; </li><li> Alt tabaka kabına 0.33 g kırmızı ve mavi su izleme boyalar ekleyin (örneğin Cole-Parmer 00295-16--18); </li><li> 0.1 g ilave edin -1 floresein sodyum. Not: Alt tabaka artık olabilir görünüm opak yaklaşık 1012,9 ± 1,2 kg m 3 arasında bir yoğunluğa sahip olacaktır. </li></ol></li><li> Işık üst tabakanın ex-situ hazırlanması. Kap B içeriği için: <ol><li> Su litresi başına MnCl2 (litre suya MnCI2, yaklaşık 12 g), 0.06 mol bir konsantrasyon elde etmek için MnCl2 tuz ilave edilir. Not: Üst tabaka görünüm saydam olması ve yaklaşık 998,2 ± 0.5 kg m 3 arasında bir yoğunluğa sahip olacaktır. </li></ol></li><li> Arzu edilen viskoziteye ulaşılana kadar sıvı tabakaların viskozitesini değiştirmek için, her bir katman eşit miktarlarda gliserol C3 H 8 O 3 ekleyin. Tipik viscositiearalığında 1.00 × 10 -3 s yalan - 21.00 × 10 -3 Pa. Her bir katmanın viskozitesi aynıdır. NOT: Gereken kadar karışımlar güvenli bir şekilde ayrı kaplarda muhafaza edilebilir. </li><li> Yoğunluk tabakalaşma ex-situ hazırlanması. <ol><li> Silindir biçimindeki iç tanka kabının içeriği 300 mL (Şek. 2). </li><li> Konteyner B sıvıdaki yüzdürme teknenin sünger daldırın. NOT: (2.1.6.2) işlem süresi duyarlı Sonuçta mıknatıs ve aydınlatma, kayıt ve mekanik mekanizmalar hazır olana kadar, yani başka adımları uygulayın yoktur. </li><li> Dikkatle iç silindirik tank içinde yoğun sıvı tabakasının üstüne flotasyon tekne koyun, damlama durduğunda, konteyner B dışarı yüzdürme tekne kaldırın ve. </li><li> Bir akış hızında flotasyon tekne konteyner B ışık tabakalı sıvı ekleme başlayın3 mL / dakika. yüzdürme tekne iki katman arasındaki ara uzakta asansörleri yavaş yavaş bu akış hızını artırır. Arabirim sıvı akışı artan ivme ile rahatsız, ancak bu süreç en fazla 20 dakika alır yeterince hızlı olmadığını yavaş yeterince akış hızını korumak. Üst tabaka sıvı 320 mL içeren kadar doldurarak devam edin. Not: Alt tabaka yaklaşık 33 mm&#39;lik bir derinlikte olacaktır, ve üst tabaka, yaklaşık 39 mm derinlikte olacaktır. </li><li> Dikkatle her tabakanın tabaka kalınlıkları, eşit olduğu gibi, üst tabaka içine Lucite kapağının alt. akışkan ve hava hava altında tuzak sağlanması, kanama deliklerinden akmasına izin verin. Lucite kapağın üstüne bir katman (yakl. 6 mm) berrak ışık tabakası sıvı gözlemleyin. NOT: İşlemin başarılı olmuşsa aralarında keskin bir arayüz ile eşit derinlikte sıvı iki kat olacak. arayüzde difüzyon tabakasının kalınlığı en az 2 m olacaktırBu aşamada m. </li></ol></li><li> 6 mm iç tankın lucite kapağının üstünde bir yüksekliğe kadar berrak distile su ile dış doldurun. gözlemleyerek kare-on iç silindir tankı kaynaklanan hiçbir eğrilik kaynaklı paralaks olacak Upon. NOT: Her tabakada sıvı sürekli bu noktada arayüzü üzerinden difüzyon olduğundan, aşağıdaki adımlara hemen geçin. </li></ol></li><li> tabakalaşma spin-up <ol><li> platformda deneysel tankı yerleştirin. </li><li> mıknatıs, parça ve konumda tutma pin anahtar deliği delikten tahrik milinin delik bakır silindir ile düzenleme yerleştirin. Tank uzakta (60 cm) sıvıların manyetik kuvvetler bu pozisyonda ihmal edilebilir şekilde mıknatıstan olduğundan emin olun. NOT: tabakalaşma içeren deneysel tankı Taşıma birkaç zorluklar sunar; Uzun, düşük genlikli, sloshing dalgalar th yürüyerek kurmake tankı üst katman yüzen zaman elde arayüzü kalitesi üzerinde önemsiz bir etkiye sahip, uzak bozulacaktır. </li><li> Iplik-up sıvıyı istenen dönme oranı, 0.002 rad s -2 dönme hızını artırarak, motora açın. 60 dk - 16 rotasyon oranları için spin-up süresi sipariş 20 dakika oldu. NOT: Kullanılan en hızlı dönme hızı 13.2 Rad s -1 oldu. </li></ol></li></ol> Deney 3. Yürütme <ol><li> Mıknatıs 1.2 T bir alan gücünü belirten ve istikrarsızlık alan degrade başlatıldığı hangi yükseklikte ki (grad B 2) olduğundan emin olun B manyetik indüksiyon olduğunu / 2 = -14,3 T 2 m -1, . </li><li> Video kamera tahrik mili en alt konumunda olduğunda, her iki deney yandan görünüşüdür odak, ya da bir plan görünüşüdür ayna pl ile odak olacak şekilde yerleştirilmiş olduğundan emin olunDeneme yukarıdaki aced. </li><li> Emin olun ortam aydınlatma kamera tarafından yakalanan görüntünün hiçbiri doymuş şekilde doğru seviyelerde olduğunu, ancak tam yanıt (0-255 aralığında gri tonlama yoğunluklarda) kullanılması. </li><li> Video kaydını (240 fps) başlar. kayıt fonksiyonunu çalışırken kamerayı hareket önlemek için uzaktan kumandayı kullanın. </li><li> dönerken manyetik alan içine, tank inmeye izin tutma pimini çıkarın. </li></ol> 4. Sıfırlama Deney <ol><li> Deneysel teçhizat Reset <ol><li> Video kaydını durdurmak için uzaktan kumandayı kullanın. </li><li> diske film dosyasını kaydedin. </li><li> Bu durma yavaşlatır ve böylece elle motora gerilimi daha düşük. dökülen önleyecek şekilde yavaş yavaş bu gerçekleştirin. </li><li> mıknatıs deneysel düzenleme çıkarın. </li><li> uygun karışık sıvı katmanları atınız (Manganez Klorür Tetrahidrat MSDS&#39;i bakınız). </li><li> (O suyla durulayın tankıtuzların tüm izleri yıkanıp edilene kadar), distile edilmesi gerekmez. sıvılar doğrudan cilt temasından kaçının. </li><li> Resim Tortu, daha sonraki deneyler kontamine olabilir bırakılır sağlamak için kağıt mendil ile dikkatli bir şekilde tankı kurutun. </li></ol></li></ol> 5. Görüntü İşleme <ol><li> her film karesinden bireysel imajları ve .png biçiminde kayıpsız olarak kaydedin. Örneğin platform ya da bakır silindir, her bir karenin istenmeyen alanları maske dışına. </li><li> Ayrı bir hızlı Fourier dönüşümü kullanılarak istikrarsızlık başladıktan sonra 2 s boyunca her görüntü karesi, iki boyutlu otomatik bağıntı fonksiyonunu 16 hesaplayın. , Minimum değerlerini de kaydedin ortalama ve deney dönüş hızı ve sıvı katman viskozitesi için gözlenen dalga boyu en fazla bir değer. </li></ol>

<ol>
	<li>Lewis, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+instability+of+liquid+surfaces+when+accelerated+in+a+direction+perpendicular+to+their+planes.+II.">The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II.</a> Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).</li><li>Read, K. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+turbulent+mixing+by+Rayleigh-Taylor+instability.">Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability.</a> Physica D. 12, 45-58 (1984).</li><li>Dimonte, G., Schneider, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulent+Rayleigh-Taylor+instability+experiments+with+variable+acceleration.">Turbulent Rayleigh-Taylor instability experiments with variable acceleration.</a> Phys. Rev. E. 54, 3740-3743 (1996).</li><li>Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+:+experiments+with+image+analysis.">Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis.</a> Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).</li><li>Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+in+complex+stratifications.">Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications.</a> J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).</li><li>Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mixing+in+Rayleigh-Taylor+instability.">Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability.</a> J. Fluid Mech. , 97-124 (1994).</li><li>Lord Rayleigh, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+the+Character+of+the+Equilibrium+of+an+Incompressible+Heavy+Fluid+of+Variable+Density.">Investigation of the Character of the Equilibrium of an Incompressible Heavy Fluid of Variable Density.</a> Proc. Lon. Math. Soc. 14, 170-177 (1883).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+instability+of+fluid+surfaces+when+accelerated+in+a+direction+perpendicular+to+their+planes.+I.">The instability of fluid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I.</a> Proc. Roy. Soc., A. 201, 192-196 (1950).</li><li>Limat, L., Jenffer, P., Dagens, B., Touron, E., Fermigier, M., Wesfreid, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravitational+instabilities+of+thin+liquid+layers:+dynamics+of+pattern+selection.">Gravitational instabilities of thin liquid layers: dynamics of pattern selection.</a> Physica D. 61, 166-182 (1992).</li><li>Gelfand, J. D., Slane, P. O., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Dynamical+Model+for+the+Evolution+of+a+Pulsar+Wind+Nebula+Inside+a+Nonradiative+Supernova+Remnant.">A Dynamical Model for the Evolution of a Pulsar Wind Nebula Inside a Nonradiative Supernova Remnant.</a> Astrophys. J. 703, 2051-2067 (2009).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+Motion+of+Solid+Bodies+in+Rotating+Fluids.">Experiments on the Motion of Solid Bodies in Rotating Fluids.</a> Proc. Roy. Soc., A. 104, 213-218 (1923).</li><li>Proudman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+Motion+of+Solids+in+a+Liquid+Possessing+Vorticity.">On the Motion of Solids in a Liquid Possessing Vorticity.</a> Proc. Roy. Soc., A. 92, 408-424 (1916).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motion+of+Solids+in+Fluids+when+the+Flow+is+not+lrrotational.">Motion of Solids in Fluids when the Flow is not lrrotational.</a> Proc. Roy. Soc., A. 93, 99-113 (1917).</li><li>Carl&#232;s, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+for+Immiscible+Fluids+of+Arbitrary+Viscosities:+A+Magnetic+Levitation+Investigation+and+Theoretical+Model.">Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model.</a> Phys. Rev. Lett. 96, 104501 (2006).</li><li>Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carl&#232;s, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+Experiments+with+Precise+and+Arbitrary+Control+of+the+Initial+Interface+Shape.">Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 204502 (2007).</li><li>Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Inhibition+of+the+Rayleigh-Taylor+Instability+by+Rotation.">The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation.</a> Sci. Rep. 5, 11706 (2015).</li><li>Rossby, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+of+B&#233;nard+convection+with+and+without+rotation.">A study of B&#233;nard convection with and without rotation.</a> J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).</li></ol>

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

protokolü içinde iki kritik adımlar vardır. İlk 2.1.6.4 olduğunu. Işık tabaka daha sonra çok hızlı bir şekilde yoğun bir tabaka üzerinde süzülüyor ise iki karışabilir sıvı tabakaların geri dönüşümsüz karıştırma gerçekleşir. Önlendiği ve iki tabaka arasında keskin bir (&lt;2 mm) bir arayüz sağlanır esastır. İkinci kritik adım 3.1.5 olduğunu. Deney stand-by tamamen pozisyonunda ve görselleştirme ve görüntü yakalama aparatı, katı vücut rotasyon içine veya olmadan-up bükü...

<html> İki tabakadan oluşan bir yoğunlukta tabakalı sıvı sistemi stabil veya stabil olmayan bir düzenleme içinde, bir çekim alanında ayarlanabilmektedir. arayüzüne tedirginlikler yerçekimi tarafından restore istikrarlı ve dalgalar arayüzünde desteklenir edilebilir: yoğun ağır katman daha az yoğun, ışık tabakası altında yatan o zaman sistem stabildir. ağır katman ışık tabakası bindirmeleri Eğer sistem kararsız ve arayüz büyümeye tedirginlikler. Bu temel sıvı istikrarsızlık Rayleigh-Taylor istikrarsızlık 7, 8. Kesinlikle aynı istikrarsızlık ağır katmanda doğru hızlanır dönmeyen sistemlerde görülebilir. Küçük ölçekli ince film olayların 9&#39;dan gözlenen astrofizik ölçekli özellikleri, örneğin, yengeç nebula için: nedeniyle de ölçekte büyük ölçüde değişir pek çok akımlarında gözlenen istikrarsızlık temel doğasıpulsar rüzgarlar tarafından oluşturulan parmak benzeri yapılar görülmektedir ef &quot;&gt; 10, yoğun süpernova kalıntıları ile hızlanır. Bu ilk dengesiz yoğunluk farkı olmuştur kez Rayleigh-Taylor istikrarsızlık kontrol edilen ya da nasıl etkilenebileceği konusunda açık bir sorudur bir arayüz kurulan. bir olasılık sisteminin toplu dönüşünü ele almaktır. deneylerin amacı sistemine dönme etkisini araştırmaktır ve bu istikrar bir yol olabilir ister. Biz, çekim doğrultusuna paralel bir eksen etrafında sürekli bir rotasyona tabi olan bir iki tabakalı yerçekimsel kararsız tabakalaşma oluşan bir akışkan sistemi düşünün. Dengesiz iki-katmanlı yoğunluğu tabakalaşma göre bir karışıklık kırılma kadar herhangi bir dikey yapı eğilimi, ara yüzeyde, devrilme, örneğin girdap bölgesinin Baroklinik üretimi, yol açar. Ancak, dönen akışkan tutarlı dikey st kendisini organize etmek bilinmektedirdönme ekseni ile hizalanmış tiriyoruz &#39;Taylor, sütun&#39; 11 olarak adlandırılan. Bu nedenle soruşturma altında sistem dönme stabilize etkisi arasındaki rekabeti uğrar, dikey yapılar içine akışını organize etmek ve devrilme iki katmandan önlenmesi ve yoğun sıvı istikrar bozucu etkisi arayüzünde bir devrilme hareketi oluşturur hafif sıvı örten olduğunu . Artan dönme hızıyla daha kararlı bir yapılandırma kendilerini yeniden düzenlemek amacıyla, birbirlerine zıt anlamda, radyal olarak hareket ettirilmesi için akışkan tabakalar kabiliyeti giderek Taylor-Proudman teoremi 12, 13 tarafından inhibe edilir: Radyal hareket azalır ve istikrarsızlık geliştikçe hayata gözlenen yapılar ölçekte küçüktür. İncir. Şekil 1 istikrarsızlık geliştikçe oluşturan girdapların dönme etkisini niteliksel. İçindeSol görüntü yok rotasyon yoktur ve akış klasik dönmeyen Rayleigh-Taylor istikrarsızlığa bir tahmindir. Sağ görüntüdeki bütün deney parametreleri sistemi tankın merkezi ile hizaya dikey bir eksen etrafında döndürülmesi olması dışında sol görüntü ile aynıdır. Dönme etkisi oluşur girdapların boyutunu azaltmak için olduğu görülebilir. Bu da, dönmeyen muadili daha yavaş gelişen bir dengesizlik sonuçlanmaktadır. sıvı stres tensörünün değiştirme manyetik etki modifiye çekim alanı ile aynı şekilde hareket olarak kabul edilebilir. Bu nedenle bir kütleçekimsel istikrarlı tabakalaşma oluşturmak ve katı vücut rotasyonu içine dönmesi mümkün. gradyan manyetik alan heybetli tarafından oluşturulan manyetik vücut güçleri daha sonra yerçekimi alanını değiştirerek etkisini taklit. Bu arayüz kararsız şekilde sıvı sistemi beha işlerves, dönme altında klasik Rayleigh-Taylor istikrarsızlık gibi iyi bir yaklaşım, için. Bu yaklaşım, daha önce dönme 14, 15 olmadan iki boyutlu olarak denenmiştir. Indüklenen manyetik alan B, uygulanan manyetik alan gradyanı, vücut kuvveti sabit bir manyetik birim duyarlılık kay kare testi bir sıvıya uygulanan F = grad (χ B 2 / μ 0), ile verilmektedir B = | B | ve 0 = 4π × μ 10 -7 NA -2 serbest alan manyetik geçirgenlik olduğunu. Bu nedenle, kuvvet g çekim alanında yoğunluğu r bir akışkanın birim hacmi başına efektif ağırlık ρ g verilen her bir akışkan tabaka, etkin ağırlığı işlemek için mıknatıs düşünebilir - χ (∂ B2 / ∂ z ) / (2 μ 0).

<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

Rayleigh-Taylor istikrarsızlık araştırılması için klasik teknikler ağırlık etkili yönünü tersine çevirmek ve yoğun sıvının doğru hafif sıvı hızlandırmak için sıkıştırılmış gazlar 1, roketçiliğin 2 veya doğrusal elektrik motorları 3 kullanılması yer alıyor. Diğer yazarlar, örneğin 4, 5, 6 akmayı başlatmak için kaldırıldığında, bir bariyer ile çekimsel olarak kararsız tabakalaşma ayırmıştır. Bununla birlikte, bir döner tabakalaşma bir örnekte, parabolik başlangıç ​​arayüz deneysel önemli teknik sorunlar getirmektedir. Biz Rayleigh-Taylor istikrarsızlık üzerine dönme etkilerini araştırmak amacıyla akışını katı cisim rotasyon içine tabakalaşma-spin ve ancak ondan sonra başlatmak mümkün olmasını diliyorum. Burada benimsedik yaklaşım manyetik alanı kullanmaktırBir süperiletken mıknatıs akışını başlatmak için iki sıvının etkili ağırlığını işlemek için. Biz standart yüzdürme teknikleri kullanılarak bir kütleçekimsel istikrarlı iki katmanlı tabakalaşma oluşturmak. Üst katmanı, alt katmanın daha az yoğun ve böylece sistem Rayleigh-Taylor kararlıdır. Her iki tabakalar katı vücut rotasyonu olana Bu tabakalaşma sonra yukarı bükülmüş ve bir parabolik bir arayüz görülmektedir. | Χ | Bu deneyler, düşük manyetik duyarlılık, birlikte sıvıları kullanmak ~ 10 -6 - Bir ferrofluid kıyasla 10 -5. manyetik alanın baskın etkisi etkili ağırlık değişen her katman bir vücut kuvvet uygular. Üst tabaka zayıf olan alt tabaka, zayıf diamanyetik ise paramanyetik. Manyetik alan uygulandığında, üst tabaka mıknatıs doğru çekilir ise, alt katman mıknatıs tarafından itilir. Bir Rayleigh-Taylor instabilite yüksek gradyan manyetik alanın uygulanması ile elde edilir. Biz daha o inc gözlendiHer bir katmanın sıvı dinamik viskoziteye reasing, instabilite uzunluk ölçeğini arttırır.

İncir. 4, iki sıvı arasındaki arayüzde Rayleigh-Taylor istikrarsızlık gelişimini gösterir dört farklı rotasyon oranları: Ω = 1.89 Rad s -1 (üst satırda), Ω = 3.32 rad s -1, Ω = 4.68 rad s - 1 ve Ω = 8.74 rad s -1 (alt sıra). Interface = 3,0 s (sağ sütun) t = t zamanında 0,5 s&#39;lik artışlarla 0 s (sol sütun) gelişen gösterilmiştir. Sağ kolon, bu nedenle üstten alt satırında sırasıyla...

Watch this Scientific Journal Video about Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability at JoVE.com

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.

Manyetik Kaynaklı Döner Rayleigh-Taylor İstikrarsızlık

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

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Civil Engineering

Unit 1

Fluid Statics

Rotation and Rigid Bodies

SCIENTISTS IN ACTION

9.5K Görüntüleme.  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.

Video: 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.

Oryantasyon ve dönme hızının ölçülmesi yöntemleri türbülansına tanecikler 3D basılmış

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

Mühendislik

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.

Lazer güdümlü Ultrafast Moleküler Rotasyon Doğrudan Görüntüleme

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

Kimya

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.

Görsel olarak bağlı normal yüzeylerde yeni başlayan parçacık çekimde karakterizasyonu: çalkantılı koşullarına Laminer üzerinden

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.

Yerel anlık konvektif ısı transferi boru - tek ve iki aşamalı akış ölçümleri

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.

Uncoupling Coriolis kuvveti ve tam-alan ısı üzerinde dönen yüzdürme etkileri dönen bir kanal özelliklerini aktarma

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.

İnşaat ve ışık tahrik altın Nanorod Rotary Motor sistemi

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.

Manyetik olarak ayarlı ölçüm Ferroelectric polarizasyon sıvı kristaller içinde

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.

Mikro Schlieren Tekniği ile bir mikroakışkan Aygıt karıştırma homojen Analizi

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

Biyomühendislik

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.

Fotonik Nanoyapıların Spektral ve Açı Çözümlü Manyeto-Optik Karakterizasyonu

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.

Akustik Levitasyon Sisteminde Küresel Olmayan Kabarcık Salınımları ile Mikroakışın İndüksiyonu

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