Effecten van crashende bollen op een diep vloeibare zwembad met gewijzigde vloeistof en botslichaam oppervlakte voorwaarden
Summary
Dit protocol blijkt de experimentele basisconfiguratie voor water binnenkomst experimenten met crashende bollen. Methoden voor het ombouwen van vloeistofoppervlak met stoffen penetrable, de voorbereiding van chemisch niet-bevochtiging bollen en stappen voor splash-visualisatie en data-extractie worden besproken.
Abstract
Verticale effecten van bollen op schoon water geweest het onderwerp van talrijke water binnenkomst onderzoeken holte formatie karakteriseren, plons kroon Hemelvaart en Worthington jet stabiliteit. We vestigen hier, experimentele protocollen voor de behandeling van splash dynamiek als gladde crashende van verschillende bevochtigbaarheid, massa en diameter invloed het vrije oppervlak van een diep vloeibare zwembad gewijzigd door dunne penetrable stoffen en vloeibare oppervlakteactieve stoffen gebieden. Water binnenkomst onderzoeken bieden toegankelijk, gemakkelijk gemonteerd en uitgevoerde experimenten voor de studie van complexe stromingsleer. Hierin presenteren wij een afstembare protocol voor het karakteriseren van splash height, stroom scheiding metrics, en botslichaam kinematica en representatieve resultaten die kunnen worden verworven als onze benadering te reproduceren. De methoden zijn van toepassing wanneer de afmetingen van de karakteristieke splash blijven onder de ongeveer 0.5 m. Echter dit protocol kan worden aangepast voor grotere botslichaam release hoogten en impact snelheden, die goed voorteken voor het vertalen van de resultaten naar Marine en industrie toepassingen.
Introduction
De karakterisering van splash dynamiek als gevolg van verticale effecten van vaste voorwerpen op een diep vloeibare zwembad1 is van toepassing op militaire, Marine en industriële toepassingen zoals ballistische raketten ingang en zee wateroppervlak landing2, 3,4,5. De eerste studies van water plaatsing verliepen goed meer dan een eeuw geleden6,7. Hier stellen we duidelijk diepgaande protocollen en beste praktijken voor het bereiken van consistente resultaten voor water binnenkomst onderzoeken. Om steun geldig proefopzet, wordt een methode gepresenteerd voor het onderhoud van de hygiënische omstandigheden, het ombouwen van Interfaciale voorwaarden, de controle van dimensieloze parameters, de chemische modificatie van botslichaam oppervlak en visualisatie van splash kinematica.
Verticale effecten van crashende hydrofiele bollen op de rustige vloeistof geen teken van lucht-entrapment bij lage snelheden8worden weergegeven. Wij vinden dat de plaatsing van dunne penetrable stoffen bovenop de vloeibare oppervlakte holte vorming als gevolg van gedwongen stroom scheiding1 veroorzaakt. Een schamele bedrag van weefsel op het oppervlak versterkt spatten in een heel scala van gematigde Weber getallen terwijl voldoende gelaagdheid spatten verzwakt terwijl bollen overwinnen op vloeistof post1 sleept. In dit artikel leggen we uit protocollen die geschikt zijn voor de vaststelling van de gevolgen van materiële kracht voor de vermelding van de water van hydrofiele bollen.
Holte vorming van spatten van hydrofobe botslichamen Toon de Hemelvaart van de kroon van een goed ontwikkelde splash, gevolgd door het uitsteeksel van de primaire jet hoog boven het oppervlak in vergelijking met hun tegenhangers water-wens8. Hier presenteren we een aanpak voor het bereiken van de water-repellency via chemisch wijzigen van het oppervlak van hydrofiele bollen.
Met de komst van high-speed camera’s, splash visualisatie en karakterisering geworden meer haalbare zijn. Zelfs zo, noemen gevestigde normen op het gebied voor het gebruik van een enkele camera loodrecht op de primaire as van reizen. We laten zien dat het gebruik van een extra hoge snelheid camera voor overhead uitzicht moeten toekennen bollen staking de beoogde locatie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft de proefopzet en aanbevolen procedures voor het onderzoeken van crashende bollen op een diep vloeibare zwembad. We beginnen door te wijzen op vereiste stappen voor het configureren van het experiment voor verticale effecten. Het is belangrijk een omgeving te creëren ideale plons met het gebruik van een voldoende grote plons zone zodanig dat muur effecten zijn te verwaarlozen9, en een geschikte visuele schaal voor het extraheren van kinematica12…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen de College of Engineering en Computer Wetenschappen (LME) aan de University of Central Florida voor de financiering van dit project, Joshua Bom en Chris Souchik voor splash beelden en Nicholas Smith voor waardevolle 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).
