Impactos de las esferas de la caída libre en una piscina profunda líquida con líquido alterada y el impactador de condiciones de la superficie
Summary
Este protocolo muestra la configuración experimental básica para experimentos de entrada de agua con esferas de caída libre. Se discuten métodos para la alteración de la superficie del líquido con tejidos penetrables, la elaboración de esferas químicamente no-adherencia de soldadura y pasos para la extracción de datos y visualización de splash.
Abstract
Impactos verticales de las esferas de agua han sido objeto de numerosas investigaciones de entrada de agua caracterizan la formación de la cavidad, splash corona ascensión y Worthington jet estabilidad. Aquí establecemos protocolos experimentales para examinar la dinámica de chapoteo cuando suave caída libre esferas de mojabilidad diferente, la masa y el impacto de diámetro de la superficie libre de una piscina profunda líquida modificada por surfactantes líquidos y tejidos finos penetrables. Investigaciones de entrada de agua proporcionan fácilmente accesibles, montados y ejecutados los experimentos para el estudio de mecánica de fluidos compleja. En este documento presentamos un protocolo regulable para la caracterización de altura splash, mediciones de la separación del flujo y cinemática del impactador y resultados representativos que podrían adquirirse si reproducir nuestro enfoque. Los métodos son aplicables cuando dimensiones splash característicos permanecen por debajo de aproximadamente 0,5 m. Sin embargo, este protocolo puede ser adaptado para mayores alturas de lanzamiento del impactador y velocidades de impacto, que un buen augurio para la traducción de resultados naval y aplicaciones de la industria.
Introduction
La caracterización de la dinámica de presentación derivados de impactos verticales de objetos sólidos en una piscina profunda líquido1 es aplicable a usos militares, navales e industriales tales como misiles balísticos agua entrada y mar la superficie de aterrizaje2, 3,4,5. Los primeros estudios de entrada de agua se llevaron a cabo bien hace más de un siglo6,7. Aquí, establecemos claramente detallados protocolos y mejores prácticas para lograr resultados consistentes para las investigaciones de entrada de agua. Para ayudar el diseño experimental válido, se presenta un método para el mantenimiento de condiciones sanitarias, alteración de las condiciones interfaciales, control de parámetros sin dimensiones, modificación química de la superficie del impactador y visualización de la cinemática de splash.
Los impactos verticales de esferas hidrofílicas de caída libre en el fluido quieto no mostrar ningún signo de atrapamiento de aire en bajas velocidades8. Encontramos que la colocación de telas finas penetrables en la cima de la superficie del líquido causa la formación de la cavidad debido a la separación de flujo forzado1. Una pobre cantidad de tela en la superficie amplifica salpicaduras a través de un rango de números de Weber moderados mientras que suficientes capas atenúa salpicaduras como arrastrar las esferas superar en entrada del fluido1. En este artículo, explicamos los protocolos adecuados para establecer los efectos de la resistencia del material en la entrada de agua de las esferas hidrofílicas.
Cavidad formando salpicaduras de hidrofóbico impactadores muestran la ascensión de una corona bien desarrollada splash, seguido de la protuberancia del inyector primario muy por encima de la superficie en comparación con sus homólogos de agua gusto8. Aquí, presentamos un enfoque para el logro de repelencia al agua a través de modificar químicamente la superficie de esferas hidrofílicas.
Con la llegada de cámaras de alta velocidad, caracterización y visualización de salpicaduras se han convertido en más alcanzables. Aún así, normas establecidas en el campo piden el uso de una sola cámara ortogonales al eje principal del viaje. Nos muestran que el uso de una cámara de alta velocidad adicional para arriba vistas es necesario adjudicar esferas huelga la ubicación deseada.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo describe el diseño experimental y las mejores prácticas para las investigaciones de esferas de caída libre en una piscina profunda líquida. Comenzamos destacando los pasos necesarios para configurar el experimento de impactos verticales. Es importante crear un entorno de splash ideal con el uso de una zona de chapoteo suficientemente grande tal que los efectos de pared son despreciables9y una escala visual adecuada para la extracción de cinemática12<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean reconocer la Facultad de ingeniería y equipo Ciencias (CECS) de la Universidad de Florida Central para la financiación de este proyecto, Joshua Bom y Chris Souchik para imágenes splash y Nicholas Smith para retroalimentación valiosa.
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).
