Effekterna av fritt sfärer på en djupt flytande Pool med förändrad vätske- och slaganordningens ytförhållanden
Summary
Detta protokoll visar den grundläggande experimentella konfigurationen för vatten inträde experiment med fritt sfärer. Metoder för modifiering av flytande ytan med genomträngliga tyger, beredning av kemiskt icke-vätning sfärer och steg för splash visualisering och data utvinning diskuteras.
Abstract
Vertikala effekter av sfärer på rent vatten har varit föremål för talrika vatten inträde utredningar kännetecknar hålighet bildandet, splash crown uppstigning och Worthington jet stabilitet. Här, fastställa vi experimentella protokoll för att pröva splash dynamics när smidigt upp sfärer av varierande Vätbarheten, massan och diametern inverkan gratis ytan av en djupt flytande pool som modifierats av tunn genomträngliga tyger och flytande tensider. Vatten inträde utredningar ge tillgänglig, lätt monterade och utförda experiment för att studera komplexa strömningsmekanik. Vi presenterar häri ett avstämbara protokoll för kännetecknar splash höjd, flöde separation mätvärden, och slaganordningens kinematik och representativa resultat som kan förvärvas om reproducera vår strategi. Metoderna är tillämpliga när karakteristiska splash dimensioner ligga under ca 0,5 m. Detta protokoll kan dock vara anpassade för större Slaganordningen release höjder och inverkan hastigheter, vilket bådar gott för att omsätta resultaten till sjö och industriapplikationer.
Introduction
Karakterisering av splash dynamics uppkommer vertikala effekter av fasta föremål på en djupt flytande pool1 är tillämplig på militär-, sjö- och industriella applikationer såsom ballistiska missiler intrade och havet vattenytan landning2, 3,4,5. De första studierna av vatten posten genomfördes väl mer än ett sekel sedan6,7. Här, upprättar vi klart djupgående protokoll och bästa praxis för att uppnå konsekventa resultat för vatten inträde utredningar. För att underlätta giltig experimentell design, presenteras en metod för underhåll av sanitära förhållanden, ändring av gränsskiktspänning villkor, kontroll av dimensionslösa parametrar, kemisk modifiering av kollisionsblocket yta och visualisering av splash kinematik.
Vertikala effekterna av fritt hydrofil sfärer på den quiescent vätskan visar inga tecken på luftinneslutning vid låga hastigheter8. Vi tycker att placeringen av tunn genomträngliga tyger ovanpå flytande ytan orsakar hålighet bildning på grund av påtvingad flöde separation1. En mager mängd tyg på ytan förstärker stänk över en rad moderata Weber siffror medan tillräckligt skiktning dämpar stänk som sfärer övervinna drar vätska inträde1. I den här artikeln förklarar vi protokoll som är lämpliga för att fastställa effekterna av materiella styrka på posten vatten hydrofil sfärer.
Hålighet bildar stänk från hydrofoba slagkvarnar Visa Uppstigningen av välutvecklade splash krona, följt av den utskjutande delen av primära jet högt ovanför ytan jämfört med deras vatten-tycke motsvarigheter8. Här presenterar vi en strategi för att uppnå vattenavvisande genom kemiskt ändrar ytan av hydrofil sfärer.
Med tillkomsten av höghastighets kameror, har splash visualisering och karakterisering blivit mer uppnåeliga. Trots detta kallar etablerade standarder inom området för användning av en enda kamera ortogonal mot den primära axeln av resor. Vi visar att användning av en ytterligare höghastighetskamera för overhead vyer är nödvändigt att behandla sfärer strike den tilltänkta platsen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det här protokollet beskriver experimentell design och bästa praxis för undersökningar av fritt sfärer på en djupt flytande pool. Vi börjar med att lyfta fram stegen som krävs för att konfigurera experimentet för vertikala effekter. Det är viktigt att skapa en idealisk splash miljö med användning av en tillräckligt stor splash zon så att väggen effekter är försumbar9och en lämplig visuell skala för att extrahera kinematik12,1…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna College of Engineering och dator vetenskaper (östeuropeiska länder) vid University of Central Florida för att finansiera detta projekt, Joshua Bom och Chris Souchik för splash bildspråk och Nicholas Smith för värdefulla synpunkter.
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).
