자기 유도 회전 레일리 - 테일러 불안정성
Summary
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.
Abstract
레일리 – 테일러 불안정성을 조사하는 기술은 고전 중력의 유효 방향을 반대로하고, 조밀 한 유체쪽으로 라이터 유체를 가속 압축 가스 1 로켓 2 선형 전동기 (3)를 사용하는 것을 포함한다. 다른 저자 예를 들어, 4, 5, 6은 흐름을 개시하기 위해 제거되어 배리어와 중력 불안정 층화를 분리 하였다. 그러나, 회전하는 계층화하는 경우의 초기 포물선 인터페이스 실험적 상당한 기술적 인 어려움을 부과한다. 우리는 레일리 – 테일러 불안정시 회전의 영향을 조사하기 위해 유동 고체 본체의 회전에 성층화 업 스핀 그래야만 시작할 수 싶다. 우리는 여기에서 채용 한 방식은의 자기장을 사용하는 것이다초전도 자석 흐름을 개시하기 위해 두 액체의 유효 중량을 조작한다. 우리는 표준 부양 기술을 사용하여 중력 안정 두 겹의 계층화를 만듭니다. 상층은 하층보다 조밀하고 따라서 시스템은 레일리 – 테일러 안정하다. 양 층은 고체 바디 회전 될 때까지이 층화이어서해서 회전시키고 포물선 인터페이스가 관찰된다. | χ |이 실험은 낮은 자화율과 유체를 사용 ~ 10-6 – 자성 액체에 비해 10-5. 자기장의 지배적 효과는 유효 중량 변화 각 층에 몸체 하중을인가한다. 상층 약하게되는 하층 약하게 반자성 동안 상자성. 자기장이인가 될 때 상부 층이 자석을 향해 끌린다하면서 하층 자석로부터 반발된다. 레일리 테일러 불안정성이 높은 경사 자장의인가에 의해 달성된다. 우리는 또한 그 INC 관찰각 층 내의 유체의 동점도 reasing, 불안정성의 길이 규모를 증가시킨다.
Introduction
2 층으로 이루어진 밀도 성층 유체 시스템은 안정하거나 불안정한 구성으로 중력장에 배치 될 수있다. 인터페이스에 섭동이 중력에 의해 복원 안정하고, 파는 인터페이스에서 지원 될 수있다 : 밀도 무거운 층은 밀도가 낮은 광 층의 기초한다면 시스템은 안정적이다. 무거운 층은 광 오버레이 층이면, 시스템은 불안정하고 인터페이스 성장 섭동. 이 기본적인 유체 불안정성은 레일리 – 테일러 불안정 7, 8이다. 정확히 같은 불안정성은 무거운 층을 향해 가속 비 회전 시스템에서 관찰 할 수있다. 작은 규모의 박막 현상 (9)로부터의 관측 천체 물리학 스케일 기능, 예를 들어, 게 성운에 : 때문에 그것은 또한 규모에서 크게 차이가 매우 많은 흐름에서 관찰되는 불안정성의 기본 성격펄서 바람에 의해 만들어진 손가락 같은 구조가 관찰 EF "> (10)는, 조밀 한 초신성 잔해를 통해 가속된다. 그것은 초기 불안정한 밀도 차이가되면 레일리 – 테일러 불안정성 제어 또는 영향을받을 수있는 방법에 관한 공개 질문 계면에 설치했다. 하나의 가능성은, 시스템의 부피 회전을 고려한다. 실험의 목적은 시스템의 회전의 영향을 조사하고,이 안정화까지의 경로가 될 수 있는지 여부.
우리는 중력의 방향에 평행 한 축에 대한 정상 회전 될 두 층 중력 불안정 층화 구성된 유체 시스템을 고려한다. 불안정한 두 겹의 밀도 성층화에 대한 교란은 해체 할 수있는 수직 구조를 경향이 인터페이스에서, 전복, 즉 소용돌이의 경압 세대로 이어집니다. 그러나, 회전하는 유체는 일관된 수직 성으로 자체를 구성하는 것으로 알려져있다회전축과 정렬 ructures는 테일러 열 '11 소위. 따라서, 연구중인이 시스템은 회전의 안정화 효과 간의 경쟁을 거쳐 수직 구조로 흐름을 구성하고 뒤집어 두 층을 방지하고, 조밀 한 유체의 불안정화 효과는 계면에서 전도 운동을 생성 라이터 유체를 덮는된다 . 증가 된 회전 속도와보다 안정된 구조로 스스로 재정렬하기 위해 서로 대향 감 방사상 이동하는 유체 층의 능력이 점점 테일러 Proudman 정리 (12, 13)에 의해 억제되어 반경 방향 이동을 감소 및 불안정성이 개발로 실현 관찰 된 구조는 규모가 작다. 무화과. 한 프로그램이 불안정 개발로 형성하는 와류의 회전의 효과를 정 성적. 에서좌측 화상은 회전이없고, 흐름은 전형적인 비 회전 레일리 – 테일러 불안정 근사값이다. 오른쪽 이미지의 모든 실험 파라미터는 시스템이 탱크의 중심과 정렬 된 수직축을 중심으로 회전되는 것을 제외하고는 좌측 이미지와 동일하다. 회전의 효과가 형성되는 와류의 크기를 감소시키는 것을 알 수있다. 이것은, 차례로, 비 회전 상대보다 느리게 전개 불안정성을 초래한다.
유체의 응력 텐서 수정 자기 변형 효과는 중력과 동일한 방식으로 작용하는 것으로 간주 될 수있다. 우리는 따라서 중력 안정 계층화를 만들고 솔리드 바디 회전로를 회전 할 수 있습니다. 그래디언트 자계를 부과함으로써 생성 된 자성체의 힘은 중력의 필드를 수정하는 효과를 모방. 이 인터페이스 불안정되도록 유체 시스템 beha 렌더링VES 회전 하에서 고전 레일리 – 테일러 불안정 같이 좋은 근사이다. 이러한 접근법은 이전에 회전 14,15없이 두 차원에서 시도되고있다. 유도 자기장 B와인가 구배 자계 본체 력 일정한 자기 볼륨 자화율 χ의 유체에 적용이 F = 대학원 (χ의 B 2 / μ 0)에 의해 주어진다 B = | B | 0 = 4π × 10-7 μ는 NA -2- 자유 공간의 투자율이다. 따라서 우리는 강도 g의 중력장의 밀도 ρ의 유체의 단위 부피당 유효 중량 ρ의 g 주어진다 각 유체 층의 유효 중량을 조작 자석을 고려할 수 – χ (∂의 B 2 / ∂ Z ) / (2 μ 0).
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜 내에서 두 가지 중요한 단계가 있습니다. 첫번째 2.1.6.4이다. 광 층이 후 너무 빨리 조밀 한 층에 떠 경우 두 개의 혼합 유체 층의 돌이킬 수없는 혼합이 발생한다. 피할 수 있고, 두 층 사이의 날카로운 (<2mm) 인터페이스를 달성하는 것이 필수적이다. 두 번째 중요한 단계는 3.1.5입니다. 실험이-에 의해 스탠드 완전히 위치와의 시각화 및 이미지 캡처 장치 솔리드 바디 회전에 또는없이 – ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
RJAH acknowledges support from EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS acknowledges funding from EPSRC under grant number EP/K5035-4X/1.
Materials
| Blue water tracing dye | Cole-Parmer | 00295-18 | |
| Red water tracing dye | Cole-Parmer | 00295-16 | |
| Sodium Chloride | >99% purity | ||
| Manganese Chloride Tetrahydrate | See MSDS | ||
| Fluorescein sodium salt | |||
| Magnet | Cryogenic Ltd. London |
Referenzen
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