Virkninger af Free-falling kugler på en dybt flydende Pool med ændrede væske og slaglegemets overflade betingelser
Summary
Denne protokol viser den eksperimentelle basiskonfigurationen for vand løsning eksperimenter med free-falling kugler. Metoder til ændring af væskes overflade med gennemtrængelige tekstiler, udarbejdelse af kemisk befugtning kugler og trin til splash visualisering og data udvinding diskuteres.
Abstract
Vertikale virkninger af kugler på rent vand har været genstand for talrige vand løsning undersøgelser kendetegner hulrum dannelse, splash crown opstigning og Worthington jet stabilitet. Her, fastlægge vi eksperimentelle protokoller for behandlingen splash dynamics når glat free-falling sfærer af varierende befugtningen, masse og diameter indvirkning den frie overflade af en dyb flydende pool modificeret af tynde gennemtrængelige tekstiler og flydende overfladeaktive stoffer. Vand løsning undersøgelser give tilgængelig, let samles og udførte eksperimenter til at studere komplekse fluid mekanik. Vi præsenterer heri en afstemmelige protokol for kendetegner splash højde, flow adskillelse målinger, og slaglegemets kinematik og repræsentative resultater, som kan erhverves, hvis gengiver vores tilgang. Metoderne er gældende, når karakteristiske splash dimensioner forblive under ca 0,5 m. Denne protokol kan dog tilpasset til større Slaglegemet release højder og indvirkning hastigheder, hvilket varsler godt for at oversætte resultaterne til flådens og industriens programmer.
Introduction
Karakterisering af splash dynamik som følge af vertikale virkninger af faste genstande på en dybt flydende pool1 gælder for militære, maritime og industrielle applikationer som ballistisk missil vandoverfladen løsning og havet landing2, 3,4,5. De første undersøgelser af vand ind blev gennemført godt mere end et århundrede siden6,7. Her, fastslå vi klart dybdegående protokoller og bedste praksis for at opnå ensartede resultater for vand løsning undersøgelser. For at støtte gyldig eksperimentelle design, præsenteres en metode for vedligeholdelse af sanitære forhold, ændring af interfacial betingelser, kontrol af dimensionsløs parametre, kemisk modifikation af slaganordningen overflade og visualisering af splash kinematik.
Vertikale virkninger af free-falling hydrofile kugler på de inaktiv væske viser ingen tegn på luft-entrapment på lav hastigheder8. Vi finder, at placeringen af tynde gennemtrængelige tekstiler på toppen af væske overfladen forårsager hulrum dannelse på grund af tvungen flow adskillelse1. En mager mængden af stoffet på overfladen forstærker sprøjt på tværs af en vifte af moderat Weber numre, mens tilstrækkelig lagdeling dæmper sprøjt som kugler overvinde træk på væske posten1. I denne artikel vil forklare vi protokoller velegnet til oprettelse af virkningerne af materielle styrke på posten vand af hydrofile kugler.
Hulrum formning stænk fra hydrofobe slaglegemer Vis opstigning af en veludviklet splash krone, efterfulgt af fremspring i den primære jet højt over overfladen i forhold til deres vand-smag modparter8. Her præsenterer vi en strategi for at nå vand frastødning gennem kemisk ændring af overfladen af hydrofile kugler.
Med fremkomsten af højhastigheds kameraer, er splash visualisering og karakterisering blevet mere opnåeligt. Selv så, kalder etablerede standarder i feltet for brug af et enkelt kamera ortogonale i forhold til den primære akse rejse. Vi viser, at brugen af en yderligere højhastighedskamera for overhead visninger er nødvendigt at adjudge kugler strike den tiltænkte placering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver de eksperimentelle design og bedste praksis for undersøgelser af free-falling kugler på en dybt flydende pool. Vi begynder ved at fremhæve trin er nødvendige for at konfigurere eksperiment for vertikale virkninger. Det er vigtigt at skabe et ideelt splash miljø med brug af et tilstrækkeligt stort splash zone, således at væg effekter er ubetydelig9, og en passende visuelle skala til at udtrække kinematik12,13</su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende College of Engineering og Computer Sciences (CØE-landene) på University of Central Florida til finansiering af dette projekt, Joshua Bom og Chris Souchik for splash billedsprog og Nicholas Smith for værdifuld feedback.
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).
