磁感应旋转瑞利 - 泰勒不稳定性
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
调查瑞利-泰勒不稳定经典技术包括使用压缩气体1，火箭2或线性电动机3反转重力的有效方向，并加快向致密流体较轻流体。其他作者如： 4，5，6已分离的重力不稳定层与被除去以发起的流动的障碍。然而，在一个旋转的分层的情况下，抛物线初始界面施加显著技术困难实验。我们希望能够在分层自旋成固体旋转，然后才开始流为了研究旋转时瑞利 – 泰勒不稳定的影响。我们在这里所采用的方法是使用的磁场超导磁体操纵两种液体的有效重量以引发流动。我们创建一个使用标准浮选技术的重力稳定两层分层。上部层比下部层的密度小，因此该系统是瑞利 – 泰勒稳定。然后，该分层纺丝机，直到两个层都是在固体旋转和抛物线界面观察。这些实验使用具有低磁化率，流体|χ| 〜10 -6 – 10 -5相比，一个铁磁流体。磁场的占主导地位的影响施加车身力每一层改变有效重量。上层是弱顺磁性，而下层是弱抗磁性。当施加的磁场，而上层朝向磁铁吸引下层从磁铁排斥。瑞利 – 泰勒不稳定与高梯度磁场中的应用来实现。我们还观察到，INC。reasing流体的动态粘度在每一层，增加长度尺度的不稳定性。
Introduction
包括两层的密度分层的流体系统可以在任一稳定的或不稳定的结构被布置在引力场。如果致密重层underlies密度较小，光层则系统是稳定的：扰动界面是稳定的，在重力作用下恢复，并且波可能的接口上被支持。如果重层覆盖的光层，然后系统是不稳定的和扰动的界面生长。这一基本的流体不稳定性是瑞利-泰勒不稳定性7,8。完全相同的不稳定性，可以在该朝向较重层加速非旋转系统中观察到。由于它在很多流动的规模也相差很大观察不稳定的根本性质：由小规模的薄膜现象9观察天体物理尺度特征，例如，蟹状星云EF“> 10，其中观察到手指状结构，由脉冲星风创建正在通过密集的超新星遗迹加快。这是一个悬而未决的问题瑞利-泰勒不稳定性如何可以控制或影响，一旦最初的不稳定的密度差一直在界面处建立的。一种可能性是考虑系统的散装转动。该实验的目的是研究在系统上的旋转的作用，以及是否可能是稳定的路由。
我们认为由两个层重力不稳定层，是受围绕平行于重力方向的轴线转动平稳的流体系统。的扰动到不稳定两层密度分层导致斜压产生涡， 即 ，倾覆，在界面，趋于分手任何垂直结构。然而，旋转流体已知本身组织成相干垂直ST与旋转轴对齐ructures，所谓的“泰勒列”11。因此所研究的系统经受旋转的稳定效果之间的竞争，这是组织流入垂直结构并防止两层倾覆，和的致密流体的不稳定影响覆在界面产生一个翻转运动的打火机流体。具有增加的旋转速度的流体层的径向移动，以相反方向彼此以本身重新组合成一个更稳定的配置的能力，被越来越多地由泰勒普劳德曼定理12,13抑制：径向运动被减少而作为物化不稳定的发展所观察到的结构是规模较小。 图。 1所示定性旋转上形成作为不稳定拓漩涡的影响。在里面左手图像没有转动和流动是近似值经典非旋转瑞利 – 泰勒不稳定。在右手图像中的所有的实验参数是相同的，只是系统正在绕与油箱的中心对准的垂直轴线左侧的图像。它可以看出，旋转的作用是减小所形成的涡流的大小。这，反过来，将导致该比非旋转对应发展更缓慢的不稳定性。
该修改在流体中的应力张量的磁效应可以被视为以相同的方式作为修正重力场作用。因此，我们能够创造一个引力稳定层和自旋它变成固体旋转。通过施加梯度磁场产生的磁体积力则模仿修改引力场的效果。这使得该接口不稳定使得流体系统BEHAVES，以一个很好的近似，因为在旋转的古典瑞利 – 泰勒不稳定性。这种方法已被以前试图在两个维度不旋转14,15。用于与感应磁场B施加梯度磁场，施加恒定磁体积磁化率χ的流体的体积力为f =研究所（χB 2 /μ0），考虑到其中B = | C |和μ0 =4π×10 -7 NA -2是自由空间的磁导率。因此，我们可以考虑在磁铁来操作各个流体层，其中，每在强度克重力场密度ρ的流体的单位体积的有效重量用ρ 为g的有效重量- χ（∂B 2 /∂ž ）/（2μ0）。
Protocol
Representative Results
Discussion
有该协议中的两个关键步骤。第一是2.1.6.4。如果光层的致密层上浮动过快，那么这两个混溶流体层的不可逆的混合发生。至关重要的是，这是避免与这两个层之间的尖锐（<2mm）的接口的实现。第二个关键步骤是3.1.5。如果实验朝磁铁释放，而没有被完全纺成刚体旋转或不可视化和图像采集设备，位置和待命然后重复上述步骤（2.1.6）。
液体层的组成，磁场强度和电动机性?…
Disclosures
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 |
References
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