Virkningene av fritt fall kuler på et dypt flytende basseng med endrede væske og nedslaget føreforhold
Summary
Denne protokollen demonstrerer eksperimentelle grunnkonfigurasjon for vann oppføring eksperimenter med fritt fall kuler. Metoder for endring av flytende overflaten med penetrable stoffer, utarbeidelse av kjemisk ikke-wetting kuler, og fremgangsmåten for splash visualisering og data utvinning er diskutert.
Abstract
Loddrett virkningene av kuler på rent vann har vært gjenstand for mange vann oppføring undersøkelser karakteriserer hulrom dannelsen, splash crown himmelfart og Worthington jet stabilitet. Her etablere vi eksperimentelle protokoller for å undersøke splash dynamics når jevn fritt fall kuler av varierende wettability og masse diameter innvirkning gratis overflaten av en dyp flytende pool modifisert av tynne penetrable stoffer og flytende tensider. Vann oppføring undersøkelser gir tilgjengelig, enkelt montert og utført eksperimenter for å studere komplekse væske mekanikk. Her presenterer vi en tunable protokoll for å karakterisere splash høyde, flyt separasjon beregninger, og nedslaget kinematikk og representant resultatene som kan oppnås hvis gjengi vår tilnærming. Metodene er aktuelt når karakteristiske splash dimensjoner under ca 0,5 m. Men denne protokollen kan tilpasses for større nedslaget utgivelsen høyder og innvirkning hastigheter, som Indrehus oversette resultatene til naval og bedriftsapplikasjoner.
Introduction
Karakterisering av splash dynamics fremkommer fra loddrett virkningene av massive objekter på dypt flytende bassenget1 gjelder militære, marine- og industrielle applikasjoner som ballistisk missil oppføringen og havet vannflaten landing2, 3,4,5. Første studier av vann oppføringen ble utført vel mer enn et århundre siden6,7. Her etablere vi klare grundig protokoller og beste praksis for å oppnå konsistente resultater for vann oppføring undersøkelser. For å hjelpe gyldig eksperimentell design, er en metode presentert for vedlikehold av hygieniske forhold, endring av interfacial, kontroll av dimensjonsløs, kjemisk endring av nedslaget overflaten og visualisering splash kinematikk.
Loddrett virkningene av fritt fall hydrofile kuler på quiescent væsken viser ingen tegn til luft-entrapment lav fart8. Vi finner at plasseringen av tynne penetrable stoffer på flytende overflaten forårsaker hulrom formasjon på grunn av tvungen flyt separasjon1. En mager mengde stoff på overflaten forsterker sprut over et tallområde moderat Weber mens tilstrekkelig lagdeling attenuates spruting mens kuler overvinne drar væske oppføringen1. I denne artikkelen forklarer vi protokoller egnet for å fastslå effekten av materiale styrke på vann oppføring av hydrofile kuler.
Hulrom forming sprut fra hydrofobe impactors Vis av en godt utviklet splash krone, etterfulgt av protrusion av primære jet høyt over overflaten sammenlignet med sitt vann-smak kolleger8. Her presenterer vi en tilnærming for å oppnå vannavstøting gjennom kjemisk endring overflaten av hydrofile kuler.
Med ankomsten av høyhastighets kameraer blitt splash visualisering og karakterisering mer oppnåelige. Likevel kaller etablerte standarder innen for bruk av et enkelt kamera ortogonale til primæraksen reise. Vi viser at bruk av en ekstra høy hastighet kameraet for overhead utsikt er nødvendig å adjudge kuler strike plasseringen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen beskriver eksperimentell design og beste praksis for etterforskning av fritt fall kuler på et dypt flytende basseng. Vi begynner ved å markere trinnene som er nødvendig for å konfigurere eksperimentet for loddrett effekter. Det er viktig å skape en ideell splash miljø med bruk av en tilstrekkelig stor splash sone slik at veggen effektene er ubetydelig9og en passende visuelle skala for utpakking kinematikk12,13,…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne Ingeniørhøgskole og Computer Sciences (CECS) ved University of Central Florida for finansiering dette prosjektet, Joshua Bom og Chris Souchik for splash bilder og Nicholas Smith for verdifulle tilbakemeldinger.
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 |
Riferimenti
- 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).
