Summary
该协议演示了自由落体进水实验的基本实验结构。讨论了用可渗透织物改变液体表面的方法、化学非润湿球体的制备以及飞溅可视化和数据提取的步骤。
Abstract
球体对清洁水的垂直影响一直是许多水进入调查的主题, 其特征是腔的形成、飞溅冠的提升和沃辛顿的喷射稳定性。在这里, 我们建立了实验协议, 以检查飞溅动力学时, 光滑的自由落体球不同的润湿性, 质量和直径影响一个深液池的自由表面修改薄渗透织物和液体表面活性剂。进水调查为研究复杂流体力学提供了可访问的、易于组装和执行的实验。我们在此提出了一个可调谐的协议, 用于表征飞溅高度、流量分离指标和冲击运动学, 以及如果重现我们的方法可能会获得的代表性结果。当特征飞溅尺寸保持在约0.5 米以下时, 该方法适用。然而, 该协议可以适应更大的冲击释放高度和冲击速度, 这预示着将结果转化为海军和工业应用的好兆头。
Introduction
固体物体对深液池1的垂直撞击所产生的飞溅动力学特性适用于军事、海军和工业应用, 如弹道导弹进水和海面着陆 2, 3,4,5。第一次进水研究是在一个多世纪前的 6、7日进行的。在这里, 我们建立了明确的深入协议和最佳做法, 以便在进水调查中取得一致的结果。为了辅助有效的实验设计, 提出了一种卫生条件维护、界面条件改变、无量纲参数控制、冲击表面化学修饰、飞溅运动学可视化等方法。
自由落体亲水球体对静止流体的垂直影响在低速时没有空气堵塞的迹象.我们发现, 在流体表面上放置薄型可穿透织物会导致空腔形成, 原因是强制流动分离1。表面上少量的织物放大了在一系列中等韦伯数上的飞溅, 而足够的分层衰减飞溅, 因为球体克服了流体入口1的阻力。在本文中, 我们解释了适用于确定材料强度对亲水球进水的影响的协议。
从疏水冲击器形成的凹槽显示了一个发育良好的飞溅冠的提升, 其次是原始射流在地表上方的突起, 而与他们喜欢水的对应者相比。在这里, 我们提出了一种方法, 以实现防水通过化学改性的水面亲水球。
随着高速摄像机的出现, 飞溅可视化和表征变得更加容易实现。即使如此, 该领域的既定标准也要求使用与旅行的主轴正交的单个相机。我们表明, 使用额外的高速摄像头的架空视图是必要的, 以判断球体罢工的预期位置。
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Protocol
1. 配置垂直冲击的实验
- 将尺寸约为60厘米 x30 厘米 x 36 厘米 (长度 x 重量 x 深度) 的透明水箱填充32升的水, 并在容器内垂直安装仪表尺 ("视觉刻度"), 使底座位于流体顶部, 如图1a 所示。
注: 罐的深度和宽度必须大于实验中使用的最大球体直径的 20倍, 以确保墙体效应可以忽略不计.比这里描述的更高的进入速度将需要更大的坦克深度。第7节讨论了用于确定落差高度和跟踪软件校准的视觉刻度。 - 在水下放置一个额外的仪表标尺, 它可以放大尺寸。此视觉刻度用于校准水下测量的跟踪软件。
- 构建一个铰链平台 ("释放机制"), 该平台将球体悬挂在流体上方并向下旋转, 以便在释放时在撞击物位置实现大于重力的切向加速度, 如图 1 a 所示。通过使用松紧带将铰链平台连接到支撑部件的中心来实现快速旋转。其结果是一个不受支持的和非旋转的冲击器。
注: 使用3d 打印机可轻松制作平台。 - 对于冲击试验, 将拇指放置在铰链平台的底部, 并将其旋转90°到水平位置, 以便将球体放置在流体上方。
注: 当拇指从平台底部释放时, 将触发收缩。 - 将释放机构贴在反驳支架上, 使设备可以调整到不同的高度。
- 将蒸馏器支架放在储罐旁边, 使释放机构与视觉刻度在同一深度平面内。根据需要在蒸馏器支架的底部添加一个重量, 以防止翻倒。
- 将释放机制调整到所需的最大实验落差高度。这对于第6节中讨论的最佳飞溅可视化是必要的, 并确保感兴趣的飞溅特性始终在相机的观看框架内。
- 将多 led 灯连接到关节臂上, 使光线安装在相机上方, 向下看溅区域。仅有环境光不足以照亮场景所需的高帧速率, 以提取飞溅运动学。
注: 一个人永远不能有太多的光。 - 在水箱后面放置一个黑屏, 以帮助飞溅和腔可视化, 如图 2所示。
- 将玻璃保护减震器 (如闭孔海绵) 放置在水箱底部, 并与重量固定, 以防止重新浮出水面。
注: 储罐中流体的高度应使球体在气腔夹紧10之前不与减震器相互作用.
2. 控制无量纲参数
- 用各种质量和直径的光滑球体进行实验。为此, 聚氧乙烯醚 (如 delrin) 投币球工作特别好, 没有模具零件线。分别使用分析天平和 vernier 卡尺测量质量和直径。
- 在 h 的高度上进行实验, 以产生撞击速度
, 
其中2是重力引起的加速度。使用相机帧内的视觉刻度测量高度。
注: 如第7节所述, 使用视频分析工具中的自动跟踪功能来测量冲击速度。 - 使用水和合适的表面活性剂 (如甘油或肥皂) 进行液体混合物的实验, 以改变表面张力。用表面张力计测量表面张力。
- 计算雷诺数
和韦伯数
, 其中液体的密度, d 是球体直径, μ是流体的动态粘度和流体的表面张力。
, 
其中2是重力引起的加速度。使用相机帧内的视觉刻度测量高度。
和韦伯数
, 其中液体的密度, d 是球体直径, μ是流体的动态粘度和流体的表面张力。3. 保持卫生实验条件
- 在戴工业亚硝酸盐手套的同时进行实验, 并用消毒后的勺子从水箱中取出球体。
注意: 皮肤自然会产生油, 会影响撞击器的润湿性和污染液体的条件。 - 用99% 的异丙醇清洁球体, 并允许在试验间隙干燥 1分钟, 以防止杂质的影响。
- 如果使用在撞击过程中破裂的织物, 如果无法手动收集废料, 请在每次试验后更换水箱中的水。
- 实验结束后, 将油箱倒空, 让它晾干。
- 实验前, 用清水清洗水箱, 去除任何杂质。
4. 用可穿透织物对表面进行分层
- 将织物分离成正方形或圆形层, 为冲击试验做准备。使用游标卡尺获得压缩厚度的织物。
注: 湿法时织物厚度会发生变化。 - 轻轻地把干燥的织物放在液池的表面上。确保在撞击物释放前不会开始下降, 并在碰撞后立即更换织物。
- 在释放球体之前, 使用经过消毒的勺子将织物放置在铰链平台下方。
- (可选)使用织物样品进行以下测试, 以进行材料表征。
- 使用拉伸测试仪进行拉伸测试, 以确定样品的弹性模量。
- 使用数字显微镜获得织物的显微镜视图, 并使用成像工具确定纤维长度。
5. 制备化学疏水球体
- 在离球体表面约15-30 厘米的地方喷洒疏水基涂层。避免浸泡表面。在添加额外的涂层之前, 让它干燥 1\ u20122 分钟。再涂两件底漆。在涂上上衣之前, 请让它干燥30分钟。
注: 根据产品制造商的建议, 额外表面的数量可能会有所不同。 - 将疏水的上衣在离表面约15-30 厘米的地方喷洒。避免浸泡表面。在添加额外的涂层之前, 让它干燥1–2分钟。涂两到三层以上的上漆。允许干燥 30分钟, 轻用, 12小时, 完全使用。
注: 根据产品制造商的建议, 额外表面涂层的数量可能会有所不同。 - 经过大约20次试验, 疏水涂层由于过度处理而受到损害。去除99% 异丙基的涂层, 重复步骤5.1 和5.2。
6. 同步摄像机进行飞溅可视化
- 放置一个高速相机与合适的镜头垂直于冲击轴, 并与流体表面的一致。
注:55 毫米原透镜提供了一个良好的起点。 - 在使用织物的情况下, 在实验中添加一个额外的高速摄像机, 以提供自上而下的影响视图, 如图1b 所示。
- 使用以下步骤将多台摄像机同步到计算机。
- 使用 bnc 电缆将水平摄像机的两个输出端子连接到附加摄像机的两个输入端子。
- 仅将触发开关连接到水平相机。
- 将两个摄像机的以太网电缆插入连接到计算机的网络外路由器。
注: 在没有路由器的情况下, 将摄像机的以太网电缆连接到单独的计算机。
- 在视频采集软件中, 使用以下设置配置摄像机。将帧速率设置为最小 1, 000 fps, 将屏幕分辨率设置为所需的分辨率。将快门速度设置为每帧秒 1次, 并将触发模式设置为结束。
- 从最大释放高度开始, 进行一系列测试试验, 以确保沃辛顿飞机在视频帧内。
- 相应地调整相机位置和对焦, 直到达到所需的可视化质量。
- 录制后, 使用合适的视频分析工具从视频中提取运动学和几何测量。使用跟踪器、开源分析工具或任何具有比较能力的软件。
7. 使用跟踪器软件对冲击运动学进行数字化处理
- 从 "跟踪器" 工具箱中选择校准棒, 并将其与视觉刻度 (图 2a) 匹配, 使刻度杆尽可能长。
- 单击校准棒, 并将缩放值设置为该刻度跨越的视觉缩放的长度。也就是说, 如果校准棒在视觉刻度上跨越1厘米, 则将缩放值设置为1。
注: 这可确保从软件中进行的测量值的测量值的测量值约为厘米。 - 通过单击"开始"和"停止" 切换视频播放, 并将视频设置为所需的帧。
- 从跟踪器工具箱中选择测量棒, 并提取飞溅冠高k、腔宽度b、腔深度l和沃辛顿喷射高度h, 如图 2b,c所示。
注: 测量棒两端可调节, 可与其他工具箱选择同时使用。 - 从跟踪器工具箱中选择量角器, 测量流体相对于撞击器的分离角 q, 如图 2b所示。量角器两端可调节, 可与其他工具箱选择同时使用。
- 选择软件中的自动跟踪功能以记录时间位置和速度数据。当由于视频中的不清晰而中断跟踪时, 请使用手动跟踪, 直到获得清晰度并恢复自动跟踪。
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Representative Results
这一既定协议允许遵守沃辛顿喷气式飞机所产生的垂直撞击范围内的韦伯数
, 如图2c 所示。这些结果发表在 watson 等人的文章1 中, 可供用于生成本文所示数据的确切实验条件参考。我们关注的是在自由液体表面上方突出的流体的窄拉长膜。在图 3中, 我们展示了少量的织物放大飞溅, 而足够的分层衰减飞溅回来。结果使用球体直径d是非维化的, 如图3b 所示。
在图 4a-d中, 我们展示了非尺寸型型型
腔特性之间的
关系, 如
空腔深度、 
飞溅冠高、空腔宽度和韦伯数。在光线充足的环境中, 使用单个正面高速摄像机拍摄结果。图 2b中显示了具有代表性的相机视图。在图 4中的实验范围内, 由影响单层织物的球体所产生的空腔尺寸变化不大。
我们考虑了球体在撞击后的轨迹与界面表面, 并跟踪时间位置数据, 直到空腔被夹紧发生, 如图5a 所示。然后, 我们使用 savitzky-golay 滤波器11平滑数据,以消除实验噪声在数值微分之前的影响。图 5b中产生的速度曲线在数值微分之前再次平滑, 以获得
力分析所需的结果。
图1。实验装置的原理图.(a) 高速摄像机通过位于正面摄像机上方的漫反射照明捕捉正面和头顶视图。考虑到计算机上视频录制软件中的手动控制可用, 触发开关是可选的。(b) 用头顶相机拍摄的亲水球体撞击流体上的薄薄的可穿透织物的照片序列。黑点用于确保在自由落体过程中不存在旋转。请点击这里查看此图的较大版本.
图2。疏水球体的飞溅可视化对未改变表面的影响.照片序列显示 (a) 进水口, (b) 飞溅表冠提升和空气夹闭, (c) 沃辛顿喷气飞机形成和 (d) 喷射器破裂以获得代表性飞溅。球体的撞击速度为
。仪表棒用于校准视频分析工具内的测量值, 用于测量飞溅冠
高、空腔宽度
、腔深度
分离角
和沃辛顿喷射高度. 
请点击这里查看此图的较大版本.
图3。在韦伯号(
) 上飞溅高度。(a) 沃辛顿喷气高度
与 ( 
b) 所示。"ply" 前面的数字表示织物层。请点击这里查看此图的较大版本.
图4。韦伯数的空腔尺寸变化.与 ( a) 分离角
、(b) 腔深度
、(c) 飞溅冠高度和 (d) 腔宽度之间的关系。就球体直径
而言, 性质是非维化的。误差条表示每个点平均五个试验的标准偏差。图是由 watson 等人修改的。请点击这里查看此图的较大版本.
图5。在水下下降过程中, 球体的代表性运动学.(a) 垂直位置
和 (b) 撞击球体的速度
的时间轨迹, 在水面上有0至4层织物。轨迹分别是根据球体直径和撞击速度
进行非维度测量的。请点击这里查看此图的较大版本.
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Discussion
该协议描述了在深层液池中调查自由落体球的实验设计和最佳实践。我们首先强调配置垂直影响实验所需的步骤。使用足够大的飞溅区域创建理想的飞溅环境非常重要, 这样墙体效果可以忽略不计9, 并且需要适当的视觉尺度来提取运动学12、13、14 , 15,16,17,18,19,20,21。虽然减震器可以从多余的实验室材料即兴使用, 但在实验前必须用水和合适的除污剂对其进行消毒。如果不能清洁减震器和储罐, 可能会导致在实验过程中引入杂质, 并改变飞溅特性。在文献中, 缺乏关于保持实验清洁的细节, 因此, 本文提出了从进水试验中获得一致结果的指南。
上述技术需要进行调整, 如以前的研究所示。作者采用的弹簧驱动释放机构可以用电磁铁15代替黑铁球体.当高速摄像机设置为在球体通过光电池12或红外触发器22、23后自动触发时, 该方法的易用性得到了提高, 但这些增加了复杂性。冲击物表面处理控制润湿性也可以通过使用更严格的方法来完成, 如杜埃兹等人 8中所看到的那样。例如, 用辛烷基三乙氧基硅烷接枝的球体, 用异丙基冲洗, 在90°c 的烤箱中加热, 达到超疏水性8。该协议可以通过将黑屏 (如图1a 所示) 替换为背光来进一步调整, 以改进空腔可视化, 从而使腔的特征更加明显。
在理论研究考虑时间运动学时, 应注意。与速度轨迹相比, 时间位置轨迹的变形较小, 但需要在数值微分 1、3、15之前进行平滑处理。savitzky-golay 筛选器对一系列相等间隔的值执行多项式回归, 以确定每个点的平滑值, 并可以更忠实地维护轨道的显著特征11。对于跟踪球体位置, savitzky-golay 滤波器内的二度多项式保留了跟踪的显著特征, 同时消除了实验噪声。最后, 研究人员可以选择滤波器的移动平均跨度, 在达到所需的平滑水平的同时, 滤波器的移动平均跨度应该尽可能小。
既定的议定书并不限于这里介绍的材料清单, 可以在更大的范围内进行, 以产生更大的冲击速度和更大范围的无量纲参数, 这预示着将结果转化为海军和海军工业应用。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者希望感谢中佛罗里达大学工程与计算机科学学院 (cecs) 为这一项目提供的资金, 乔舒亚·博姆和克里斯·苏奇克为飞溅图像和尼古拉斯·史密斯提供了宝贵的反馈。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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