Impatti delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida con condizioni superficiali alterato fluido e dispositivo d'urto
Summary
Questo protocollo viene illustrata la configurazione sperimentale di base per gli esperimenti di entrata acqua con sfere di caduta libera. Metodi per l’alterazione della superficie liquida con tessuti penetrabile, la preparazione delle sfere chimicamente non bagnabilità e passaggi per l’estrazione di dati e visualizzazione di spruzzo sono discusse.
Abstract
Gli impatti verticali delle sfere su acqua pulita sono stati oggetto di numerose indagini di entrata di acqua che caratterizzano la formazione di cavità, splash corona ascensione e Worthington jet stabilità. Qui, noi stabilire protocolli sperimentali per l’esame di dinamiche di spruzzo quando caduta gravitica liscio sfere di varie bagnabilità, massa e diametro impatto la superficie libera di una piscina profonda liquida modificata da tessuti sottili penetrabili e liquidi tensioattivi. Le indagini di entrata acqua forniscono accessibili, facilmente assemblati ed eseguiti esperimenti per lo studio della meccanica dei fluidi complesso. Presentiamo qui un protocollo sintonizzabile per la caratterizzazione di altezza di spruzzo, metriche di separazione di flusso e cinematica del dispositivo d’urto e risultati rappresentativi che potrebbero essere acquistati se riprodurre il nostro approccio. I metodi sono applicabili quando caratteristico spruzzo dimensioni rimangono sotto circa 0,5 m. Tuttavia, questo protocollo può essere adattato per una maggiore altezza di rilascio del dispositivo d’urto e velocità di impatto, che lascia ben sperare per la traduzione di risultati a navale e applicazioni industriali.
Introduction
La caratterizzazione delle dinamiche di splash derivanti da impatti verticali di oggetti solidi su una piscina profonda liquido1 è applicabile alle applicazioni militari, navali e industriali come missile balistico acqua ingresso mare superficie e atterraggio2, 3,4,5. I primi studi di entrata dell’acqua sono state condotte ben più di un secolo fa6,7. Qui, stabiliamo protocolli chiaro approfondite e best practice per il raggiungimento di risultati coerenti per le indagini di entrata di acqua. Per facilitare il disegno sperimentale valido, un metodo è presentato per il mantenimento delle condizioni sanitarie, alterazione delle condizioni interfacciale, controllo dei parametri adimensionali, modificazione chimica della superficie del dispositivo d’urto e la visualizzazione della cinematica di spruzzo.
Impatti verticali delle sfere idrofile caduta libera sul fluido quiescente non mostrano alcun segno di aria-allettamento alle basse velocità8. Troviamo che il posizionamento dei tessuti sottili penetrabili in cima alla superficie fluida provoca la formazione di cavità a causa di flusso forzata separazione1. Un importo esiguo di tessuto sulla superficie amplifica spruzzi attraverso una gamma di numeri di Weber moderati mentre sufficiente stratificazione attenua spruzzi come sfere superare trascinare a fluido voce1. In questo articolo, spiegheremo protocolli adatti per stabilire gli effetti di resistenza del materiale relativo all’iscrizione di acqua di sfere idrofile.
Cavità formando spruzzi da idrofobo impattori Visualizza l’ascensione di una corona di spruzzo ben sviluppato, seguita dalla protrusione del getto primario ad alta sopra la superficie rispetto ai loro omologhi di acqua-gradire8. Qui, presentiamo un approccio per raggiungere idrorepellenza attraverso modificare chimicamente la superficie delle sfere idrofile.
Con l’avvento delle macchine fotografiche ad alta velocità, caratterizzazione e visualizzazione splash sono diventati più raggiungibile. Anche così, standard consolidati nel campo chiamare per l’uso di una singola telecamera ortogonale all’asse primario del viaggio. Indichiamo che l’uso di un’altra telecamera ad alta velocità per viste dall’alto è necessario giudicano sfere colpire la posizione desiderata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo descrive il disegno sperimentale e procedure consigliate per le indagini delle sfere di caduta libera su una piscina profonda liquida. Cominciamo mettendo in evidenza i passaggi necessari per configurare l’esperimento per impatti verticali. È importante creare un ambiente ideale spruzzata con l’uso di una zona sufficientemente grande splash tale che parete effetti sono trascurabili9e una scala visivo adatta per l’estrazione di cinematica12,<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori si desidera ringraziare l’Università di ingegneria e Computer Sciences (PEC) presso la University of Central Florida per finanziare questo progetto, Joshua Bom e Chris Souchik per le immagini di splash e Nicholas Smith per il prezioso 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).
