Воздействие сфер в свободном падении на глубокий жидкого бассейн с измененной жидкости и ударного элемента состояния поверхности
Summary
Этот протокол демонстрирует основные экспериментальной конфигурации для воды записи экспериментов с свободном падении сферах. Обсуждаются методы для изменения поверхности жидкости с протяженными ткани, подготовка химически не смачивающей сфер и шаги для заставки визуализации и извлечения данных.
Abstract
Вертикальные последствия сфер на чистой воде были предметом многочисленных расследований вход воды, характеризующих формирование полости, всплеск восхождение короны и Уортингтон струи стабильности. Здесь мы устанавливаем экспериментальные протоколы для изучения динамики всплеск, когда гладкая свободном падении шары разной смачиваемости, массы и диаметр влияние свободной поверхности пул глубоко жидкость тонкой проницаемые ткани и жидкости ПАВ. Расследований вход воды обеспечивают доступной, легко собраны и выполненных экспериментов для изучения сложной механики жидкости. Мы представляем здесь перестраиваемый протокол для характеризующие всплеск высота, метрики разделения потока и ударного кинематики и представитель результаты, которые могут быть приобретены если воспроизводя наш подход. Методы применяются, когда характерные всплеск размеры остаются ниже примерно 0,5 м. Однако, этот протокол может быть адаптирован для больших высот освобождения ударного элемента и соударений, который является хорошим предзнаменованием для воплощения результатов для военно-морских и промышленности.
Introduction
Характеристика динамики всплеск, вытекающих из вертикального воздействия твердых предметов на глубокий жидкого бассейн1 применяется к военной, военно-морских и промышленных приложений, таких как баллистических ракет воды вход и морской поверхности посадки2, 3,4,5. Первые исследования воды записи были проведены хорошо более чем столетие назад6,7. Здесь мы устанавливаем четкие углубленного протоколы и наилучшую практику для достижения устойчивых результатов расследований вход воды. Чтобы помочь действительный экспериментальный дизайн, представлен метод для поддержания санитарных условий, изменения межфазного условий, контроль безразмерных параметров, химической модификации поверхности ударного элемента и визуализация всплеск кинематики.
Вертикальные последствия свободном падении гидрофильные сфер на quiescent жидкости показывают никаких признаков воздуха провокация на низкой скорости8. Мы находим, что размещение тонких проницаемые тканей на вершине поверхности жидкости вызывает образование полости вследствие принудительного потока разделения1. Скудное количество ткани на поверхности усиливает брызг по целому ряду умеренных чисел Вебер, хотя достаточно наслаивать ослабляет брызг при перетаскивании сферах преодолеть в жидкости вход1. В этой статье мы объясним протоколы подходит для создания эффектов прочности материала на въезд воду гидрофильные сфер.
Полости, образуя брызг от гидрофобных ударных Показать Вознесения развитая всплеск короны, следуют выступ основной струи, высоко над поверхностью по сравнению с их коллегами воды душе8. Здесь мы представляем подход для достижения водоотталкивающие через химически модификации поверхности гидрофильных сферах.
С появлением Высокоскоростные камеры всплеск визуализации и характеристика стали более достижимой. Несмотря на это установленным стандартам в области призывают к использованию одной камеры перпендикулярном оси основной поездки. Мы покажем, что использование дополнительных высокоскоростной камеры для накладных представлений необходимо вынести решение, что сферы забастовку предполагаемого местонахождения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает экспериментальный дизайн и передовой практики для расследования сфер в свободном падении на глубокий жидкого бассейн. Мы начинаем, выделив необходимые шаги для настройки эксперимента для вертикального воздействия. Это важно для создания условий идеально заст…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы признать Колледж инженерных и компьютерных наук (ОЭЦ) в университете Центральной Флориды для финансирования этого проекта, Джошуа спецификации и Крис Souchik для изображения заставки и Николая Смит для ценную обратную связь.
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).
