الآثار المترتبة على مجالات وكيبلر في بركة عميقة سائل مع ظروف سطح السائل غيرت والمسبار
Summary
هذا البروتوكول يوضح التكوين التجريبية الأساسية لإجراء التجارب على دخول المياه مع مجالات وكيبلر. وتناقش أساليب لتغيير سطح السائل مع الأقمشة حدودية، وإعداد مجالات غير ترطيب كيميائيا، والخطوات اللازمة لاستخراج البيانات والتصور دفقة.
Abstract
الآثار الرأسي للمجالات المتعلقة بالمياه النظيفة كانت موضوعا للعديد من التحقيقات دخول المياه الذي يتسم به تشكيل تجويف، دفقة أسنشن التاج وورثينجتون جيت الاستقرار. هنا، علينا أن ننشئ البروتوكولات التجريبية لدراسة ديناميات دفقة عند المجالات وكيبلر السلس ويتابيليتي متفاوتة والكتلة، وأثر قطر الحرة سطح بركة عميقة السائل تعديل بواسطة الأقمشة حدودية رقيقة والتوتر السطحي سائلة. التحقيقات دخول المياه توفر تجارب موجوداً وتجميعها بسهولة والمنفذة لدراسة ميكانيكا الموائع المعقدة. نقدم هنا بروتوكولا الانضباطي لوصف الارتفاع دفقة، وتدفق فصل المقاييس، والمسبار الكينماتيكا، والممثل النتائج التي يمكن الحصول عليها إذا كان استنساخ نهجنا. الأساليب قابلة للتطبيق عند أبعاد دفقة مميزة لا تزال أدنى بحوالي 0.5 متر. ومع ذلك، هذا البروتوكول قد يكون تكييفها لآفاق إطلاق المسبار وتأثير السرعات، الذي يبشر بالخير لترجمة النتائج إلى البحرية، والتطبيقات الصناعية.
Introduction
وصف ديناميات دفقة الناشئة عن الآثار العمودي للأجسام الصلبة على تجمع سائل عمق1 ينطبق على التطبيقات العسكرية والبحرية والصناعية مثل القذائف التسيارية الدخول والبحر سطح الماء تهبط2، 3،،من45. أجريت الدراسات الأولى لدخول الماء جيدا قبل أكثر من قرن6،7. هنا، نحن وضع بروتوكولات واضحة متعمقة وأفضل الممارسات لتحقيق نتائج متسقة للتحقيقات دخول المياه. للمساعدة في تصميم تجريبي صالحة، تقدم طريقة للحفاظ على الظروف الصحية، تغيير ظروف السطح البيني، السيطرة على المعلمات بدون أبعاد، تعديل المواد الكيميائية لسطح المسبار، والتصور من البداية الكينماتيكا.
إظهار الآثار الرأسي لمجالات وكيبلر ماء على السائل هادئة أي علامة على الهواء-فخ في السرعات المنخفضة8. ونجد أن وضع الأقمشة حدودية رقيقة فوق سطح السائل يسبب تشكيل تجويف بسبب التدفق القسري الفصل1. يستفيض كمية ضئيلة من النسيج على السطح المرشوش عبر مجموعة من المعتدلين ويبر أرقام بينما يخفف طبقات يكفي الرش مجالات التغلب على السحب في دخول السوائل1. في هذه المقالة، نشرح البروتوكولات المناسبة لإنشاء تأثيرات القوة المادية على دخول المياه من المجالات ماء.
إظهار الرواطم الصعود لتاج دفقة متطورة، تليها تجويف تشكيل البقع من مسعور نتوء النفاثة الأولية عالية فوق السطح عند مقارنة نظرائهم تروق المياه8. نقدم هنا، نهجاً لتحقيق صد الماء عن طريق تعديل سطح مجالات ماء كيميائيا.
مع ظهور الكاميرات عالية السرعة، والتصور البداية وتوصيف أصبحت أقرب منالاً. وحتى مع ذلك، المعايير المتبعة في المجال الدعوة لاستخدام كاميرا واحدة متعامد على المحور الرئيسي للسفر. ونحن تبين أن استخدام كاميرا عالية السرعة الإضافية للآراء العامة اللازمة لتقرر الإضراب مجالات الموقع المقصود.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويصف هذا البروتوكول تصميم التجارب وأفضل الممارسات للتحقيقات المتعلقة بمجالات وكيبلر إلى بركة عميقة سائل. علينا أن نبدأ بتسليط الضوء على الخطوات اللازمة لتكوين التجربة بالنسبة للتأثيرات العمودية. فمن المهم خلق بيئة مثالية من بداية باستخدام منطقة دفقة كبيرة بما فيه الكفاية أن آثار الجدار…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون الاعتراف بكلية الهندسة والكمبيوتر العلوم (سيكس) في جامعة فلوريدا المركزية لتمويل هذا المشروع، جوشوا شجرة المواد وسكيك كريس للصور البداية ونيكولاس سميث لتعليقات قيمة.
Materials
| 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 |
References
- Watson, D. A., Stephen, J. L., Dickerson, A. K. Jet amplification and cavity formation induced by penetrable fabrics in hydrophilic sphere entry. Physics of Fluids. 30, 082109 (2018).
- Truscott, T. T. . Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles. , (2009).
- Truscott, T., Techet, A. Water entry of spinning spheres. Journal of Fluid Mechanics. 625, 135 (2009).
- Techet, A., Truscott, T. Water entry of spinning hydrophobic and hydrophilic spheres. Journal of Fluids and Structures. , 716 (2011).
- Zhao, S., Wei, C., Cong, W. Numerical investigation of water entry of half hydrophilic and half hydrophobic spheres. Mathematical Problems in Engineering. 2016, 1-15 (2016).
- Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 137, 137 (1897).
- Worthington, A. M., Cole, R. S. Impact with a liquid surface studied by the aid of instantaneous photography. Paper II. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. , 175 (1900).
- Duez, C., Ybert, C., Clanet, C., Bocquet, L. Making a splash with water repellency. Nature Physics. 3, 180-183 (2007).
- Tan, B. C. W., Thomas, P. J. Influence of an upper layer liquid on the phenomena and cavity formation associated with the entry of solid spheres into a stratified two-layer system of immiscible liquids. Physics of Fluids. 30, 064104 (2018).
- Shin, J., McMahon, T. A. The tuning of a splash. Physics of Fluids. 2, 1312-1317 (1990).
- Krishnan, S. R., Seelamantula, C. S. On the selection of optimum Savitzky-Golay filters. IEEE Transactions on Signal Processing. 61, 380-391 (2013).
- Cheny, J., Walters, K. Extravagant viscoelastic effects in the Worthington jet experiment. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 67, 125-135 (1996).
- Castillo-Orozco, E., Davanlou, A., Choudhur, P. K., Kumar, R. Droplet impact on deep liquid pools: Rayleigh jet to formation of secondary droplets. Physical Review E. 92, (2015).
- Aristoff, J. M., Truscott, T. T., Techet, A. H., Bush, J. W. M. The water entry cavity formed by low bond number impacts. Physics of Fluids. 20, 091111 (2008).
- Aristoff, J., Bush, J. Water entry of small hydrophobic spheres. Journal of Fluid Mechanics. 619, 45-78 (2009).
- Aristoff, J., Truscott, T., Techet, A., Bush, J. The water entry of decelerating spheres. Physics of Fluids. 22, (2010).
- Truscott, T., Epps, B., Techet, A. Unsteady forces on spheres during free-surface water entry. Journal of Fluid Mechanics. 704, 173-210 (2012).
- Truscott, T. T., Epps, B. P., Belden, J. Water entry of projectiles. Annual Review of Fluid Mechanics. 46, 355-378 (2013).
- Gekle, S., Gordillo, J. M. Generation and breakup of Worthington jets after cavity collapse part 1. Journal of Fluid Mechanics. 663, 293-330 (2010).
- Cross, R., Lindsey, C. Measuring the drag force on a falling ball. The Physics Teacher. 169, (2014).
- Cross, R. Vertical impact of a sphere falling into water. The Physics Teacher. , 153 (2016).
- Dickerson, A. K., Shankles, P., Madhavan, N., Hu, D. L. Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (25), 9822-9827 (2012).
- Dickerson, A. K., Shankles, P., Hu, D. L. Raindrops push and splash flying insects. Physics of Fluids. 26, 02710 (2014).
