磁気的に誘導された回転レイリー・テイラー不安定性
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
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。
Introduction
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 "> 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'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）。
Protocol
Representative Results
Discussion
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（<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?…
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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