Name: magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability at JoVE.com

RJAH acknowledges support from EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS acknowledges funding from EPSRC under grant number EP/K5035-4X/1.

HINWEIS: Die Versuchsapparatur ist schematisch in Fig. 2. Der Hauptteil der Vorrichtung besteht aus einer rotierenden Plattform (300 mm × 300 mm) auf einem Kupferzylinder montiert (55 mm Durchmesser), die in dem starken Magnetfeld eines supraleitenden Magneten (1,8 T) mit einem Raum unter ihrem Eigengewicht herab Temperatur vertikale Bohrung. Die Plattform wird über eine außeraxiale Motor zu drehen, die eine rutsch Lager mit einer keyhole Öffnung dreht. Der Kupferzylinder ist mit einem schlüsselförmige Antriebswelle befestigt, die gleichzeitig dreht, und senkt sich, wenn der Haltestift entfernt wird. 1. Herstellung von Nicht-Standard-Ausrüstung <ol><li> Flotation Boot <ol><li> Sprechen Sie die Größe des Bootes, so dass er ohne sie zu berühren die Seiten bequem innerhalb des experimentellen Tank passt. HINWEIS: Die Flotation Boot (siehe Abb . 3) besteht aus Polystyrol Wänden und einem Biskuitboden. </li><li> Schützen Sie den Schwamm mit einer Schicht aus strong Seidenpapier. HINWEIS: Der Zweck des Tissue-Papier ist so viel vertikale Schwung aus dem in das Boot wie möglich gegossen Flüssigkeit abzuführen. </li></ol></li></ol> 2. Herstellung von Experiment <ol><li> Herstellung von Flüssigkeitsschichten <ol><li> Lassen Sie destilliertes Wasser auf Labortemperatur zu kommen (22 ± 2 ° C). Etwa 650 ml für jede experimentelle Realisierung erforderlich. HINWEIS: Lassen der Mischung verhindert äquilibrieren Bildung von Blasen in dem Experiment aufgrund exsolving Luft. </li><li> Trenne die destilliertes Wasser in gleichen Volumina in zwei getrennten Behältern, A und B, die verwendet wird , Flüssigkeit für die dichte untere Schicht und obere Schicht jeweils Licht vorzubereiten. </li><li> Ex-situ - Herstellung von dichten unteren Schicht. Um den Inhalt des Behälters A: <ol><li> Hinzufügen NaCl eine Konzentration von 0,43 mol NaCl zu erreichen pro Liter Wasser (ca. 25 g NaCl pro LiterWasser erforderlich sein wird); </li><li> In 0,33 g rote und blaue Wasser-Tracing - Farbstoffe auf die untere Schicht Behälter (zB Cole-Parmer 00295-16 &amp; -18); </li><li> In 0,1 g L -1 Fluorescein - Natrium. HINWEIS: Die untere Schicht wird nun opak im Aussehen sein und eine Dichte von etwa -3 1012,9 ± 1,2 kg m haben. </li></ol></li><li> Ex-situ - Herstellung von Licht oberen Schicht. Den Inhalt des Behältnisses B: <ol><li> In MnCl 2 Salz mit einer Konzentration von 0,06 mol MnCl 2 pro Liter Wasser zu erreichen (ca. 12 g MnCl 2 pro Liter Wasser). HINWEIS: Die obere Schicht wird im Aussehen transparent sein und eine Dichte von etwa -3 998,2 ± 0,5 kg m aufweisen. </li></ol></li><li> Glycerol C 3 H 8 O 3 in gleichen Mengen zu jeder Schicht , um die Viskosität der Fluidschichten variieren, addieren , bis die gewünschte Viskosität erreicht ist. Typische viscosities liegen im Bereich 1,00 × 10 -3 - 21.00 × 10 -3 Pa s. Die Viskosität jeder Schicht die gleiche ist. HINWEIS: Die Mischungen können sicher in ihren getrennten Behältern aufbewahrt werden, bis sie benötigt werden. </li><li> Ex-situ - Herstellung von Dichteschichtung. <ol><li> Hinzufügen von 300 ml des Inhalts des Behälters A auf dem zylindrischen Innentank (siehe Fig. 2). </li><li> Tauchen Sie den Schwamm der Flotation Boot in Flüssigkeit aus dem Behälter B. HINWEIS: Nach der (2.1.6.2) das Verfahren Zeit empfindlich ist, so keine weiteren Schritte durchführen, bis alle der Magnet und die Beleuchtung, Aufnahme und mechanischen Mechanismen bereit sind. </li><li> Heben Sie die Flotation Boot aus dem Behälter B und, wenn es tropft gestoppt hat, sorgfältig die Flotation Boot platzieren auf der Oberseite der Schicht des dichten Fluids in der inneren zylindrischen Behälter. </li><li> Fangen Sie an , Licht-Schicht Flüssigkeit aus dem Behälter B zur Flotation Boot hinzufügen mit einer Fließgeschwindigkeit von3 ml / min. Erhöhen Sie diese Flussrate als die Flotation Boot von der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten abhebt. Pflegen eine langsam genug Strömungsgeschwindigkeit, dass die Schnittstelle nicht durch die erhöhte Dynamik der Fluidströmung gestört wird, aber schnell genug, dass dieser Prozess nicht mehr als 20 min dauert. Halten Füllen, bis die obere Schicht 320 ml Flüssigkeit enthält. HINWEIS: Die untere Schicht in einer Tiefe von etwa 33 mm sein, und die obere Schicht in einer Tiefe von etwa 39 mm sein. </li><li> die Lucite Deckel in der oberen Schicht, so dass die Schichttiefen jeder Schicht gleich sind sorgfältig senken. Lassen Sie Flüssigkeit und Luft durch die Entlüftungsöffnungen zu fließen, um sicherzustellen, dass keine Luft unter gefangen ist. Beobachten Sie eine Schicht (ca.. 6 mm) des klaren Lichts Schicht Flüssigkeit auf der Oberseite des Lucite Deckel. HINWEIS: Wenn der Prozess erfolgreich war, wird es zwischen ihnen mit einer scharfen Schnittstelle von gleicher Tiefe sein, zwei Schichten von Flüssigkeit. Die Dicke der Diffusionsschicht an der Grenzfläche ist geringer als 2 mm in diesem Stadium. </li></ol></li><li> Füllen der Außentank mit klarem destilliertem Wasser bis zu einer Höhe von 6 mm oberhalb der Lucite Deckel des Innenbehälters. Beim Beobachten square-on wird es keine Krümmung induzierte Parallaxe von dem inneren zylindrischen Tank führt. HINWEIS: Da die Flüssigkeiten in jeder Schicht kontinuierlich über die Grenzfläche zu diesem Zeitpunkt diffundieren, gehen sofort in den folgenden Schritten. </li></ol></li><li> Spin-up der Schichtung <ol><li> Legen Sie die experimentellen Behälter auf der Plattform. </li><li> Positionieren Sie die Anordnung mit dem Kupferzylinder in der Bohrung des Magneten, der Antriebswelle durch das Schlüsselloch Öffnung in der Spur und der Haltestift in Position. Stellen Sie sicher, dass der Tank weit entfernt ist (60 cm) von dem Magneten, so daß die magnetischen Kräfte, die auf die Flüssigkeiten an dieser Position vernachlässigbar sind. HINWEIS: Das Tragen des experimentellen Tank die Schichtung stellt einige Schwierigkeiten enthält; lange, niedrige Amplitude, Schwappen Wellen eingesetzt durch die mit th Fuße Tank zerfallen wird entfernt, einen vernachlässigbaren Effekt auf die Qualität der erreichten Schnittstelle aufweisen, wenn auf der oberen Schicht schwimmt. </li><li> Schalten Sie den Motor, um die Geschwindigkeit der Drehung bei 0,002 rad s -2 zunehmender Spinn-up das Fluid auf die gewünschte Rotationsrate. Für die Drehraten in 16 war der Spin-up - Zeit von der Größenordnung 20 min - 60 min. HINWEIS: Die schnellste Rotationsgeschwindigkeit verwendet betrug 13,2 rad s -1. </li></ol></li></ol> 3. Durchführung des Experiments <ol><li> Sicherzustellen , dass der Magnet eine Feldstärke von 1,2 T anzeigt, und daß auf der Höhe , bei der die Instabilität der Feldgradient initiiert ist (grad B 2) / 2 = -14,3 T 2 m -1 ist , wobei B die magnetische Induktion ist . </li><li> Sicherstellen, dass die Videokamera so angeordnet ist, dass, wenn die Antriebswelle in ihrer untersten Position ist entweder die Seitenansicht des Experiments im Fokus ist, oder eine Draufsicht ist im Fokus durch einen Spiegel plüber dem Experiment aced. </li><li> Sicherstellen, dass die Umgebungsbeleuchtung ist auf den richtigen Ebenen, so dass keiner der von der Kamera aufgenommene Bild gesättigt ist, sondern dass die vollständige Reaktion verwendet wird (Graustufen Intensitäten im Bereich von 0-255). </li><li> Beginnen Videoaufzeichnung (240 fps). Verwenden Sie eine Fernbedienung Bewegen der Kamera zu verhindern, während die Aufnahmefunktion arbeitet. </li><li> Entfernen der Haltestift, so dass der Tank abzusteigen, während er sich dreht, in das Magnetfeld. </li></ol> 4. Reset Experiment <ol><li> Zurücksetzen Versuchsanlage <ol><li> Verwenden Sie die Fernbedienung, um die Videoaufzeichnung zu stoppen. </li><li> Speichern Sie die Filmdatei auf der Festplatte. </li><li> Von Hand, niedriger die Spannung an den Motor, so dass es zu einem Stillstand verlangsamt. Führen Sie diese nach und nach, um Verschüttungen zu verhindern. </li><li> Entfernen Versuchsanordnung von Magneten. </li><li> Entsorgen Sie die gemischte Flüssigkeit Schichten in geeigneter Weise (siehe Manganese chloridtetrahydrat MSDS). </li><li> Spülen Sie den Tank mit Wasser (esmuss nicht destilliert) werden, bis alle Spuren von Salzen wurden weggespült. Vermeiden Sie direkten Hautkontakt mit Flüssigkeiten. </li><li> Trocknen Sie den Behälter vorsichtig mit Seidenpapier, um sicherzustellen, dass keine Rückstände übrig, die nachfolgende Experimente verunreinigen können. </li></ol></li></ol> 5. Bildverarbeitung <ol><li> Extrahieren Sie die einzelnen Bilder aus jedem Film Rahmen und speichern in lossless .png Format. Maskieren unerwünschte Bereiche jedes Rahmens, beispielsweise der Plattform oder Kupferzylinder. </li><li> Berechnen der zweidimensionalen Autokorrelationsfunktion 16 von jedem Bildrahmen für 2 s nach dem Beginn der Instabilität einer diskreten schnellen Fourier - Transformation verwendet wird . Zeichnen Sie die Minimum, Mittelwert und Maximalwert der beobachteten Wellenlänge für die Rotationsgeschwindigkeit des Experiments und der Viskosität der Fluidschichten. </li></ol>

<ol>
	<li>Lewis, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+instability+of+liquid+surfaces+when+accelerated+in+a+direction+perpendicular+to+their+planes.+II.">The instability of liquid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. II.</a> Proc. Roy. Soc., A. 202, 81-96 (1950).</li><li>Read, K. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+turbulent+mixing+by+Rayleigh-Taylor+instability.">Experimental investigation of turbulent mixing by Rayleigh-Taylor instability.</a> Physica D. 12, 45-58 (1984).</li><li>Dimonte, G., Schneider, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulent+Rayleigh-Taylor+instability+experiments+with+variable+acceleration.">Turbulent Rayleigh-Taylor instability experiments with variable acceleration.</a> Phys. Rev. E. 54, 3740-3743 (1996).</li><li>Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+:+experiments+with+image+analysis.">Rayleigh-Taylor instability : experiments with image analysis.</a> Dyn. Atmos. Oceans. 20, 127-153 (1993).</li><li>Jacobs, J. W., Dalziel, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+instability+in+complex+stratifications.">Rayleigh-Taylor instability in complex stratifications.</a> J. Fluid Mech. 542, 251-279 (2005).</li><li>Linden, P. F., Redondo, J. M., Youngs, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mixing+in+Rayleigh-Taylor+instability.">Molecular mixing in Rayleigh-Taylor instability.</a> J. Fluid Mech. , 97-124 (1994).</li><li>Lord Rayleigh, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+the+Character+of+the+Equilibrium+of+an+Incompressible+Heavy+Fluid+of+Variable+Density.">Investigation of the Character of the Equilibrium of an Incompressible Heavy Fluid of Variable Density.</a> Proc. Lon. Math. Soc. 14, 170-177 (1883).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+instability+of+fluid+surfaces+when+accelerated+in+a+direction+perpendicular+to+their+planes.+I.">The instability of fluid surfaces when accelerated in a direction perpendicular to their planes. I.</a> Proc. Roy. Soc., A. 201, 192-196 (1950).</li><li>Limat, L., Jenffer, P., Dagens, B., Touron, E., Fermigier, M., Wesfreid, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravitational+instabilities+of+thin+liquid+layers:+dynamics+of+pattern+selection.">Gravitational instabilities of thin liquid layers: dynamics of pattern selection.</a> Physica D. 61, 166-182 (1992).</li><li>Gelfand, J. D., Slane, P. O., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Dynamical+Model+for+the+Evolution+of+a+Pulsar+Wind+Nebula+Inside+a+Nonradiative+Supernova+Remnant.">A Dynamical Model for the Evolution of a Pulsar Wind Nebula Inside a Nonradiative Supernova Remnant.</a> Astrophys. J. 703, 2051-2067 (2009).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+Motion+of+Solid+Bodies+in+Rotating+Fluids.">Experiments on the Motion of Solid Bodies in Rotating Fluids.</a> Proc. Roy. Soc., A. 104, 213-218 (1923).</li><li>Proudman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+Motion+of+Solids+in+a+Liquid+Possessing+Vorticity.">On the Motion of Solids in a Liquid Possessing Vorticity.</a> Proc. Roy. Soc., A. 92, 408-424 (1916).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motion+of+Solids+in+Fluids+when+the+Flow+is+not+lrrotational.">Motion of Solids in Fluids when the Flow is not lrrotational.</a> Proc. Roy. Soc., A. 93, 99-113 (1917).</li><li>Carl&#232;s, P., Huang, Z., Carbone, G., Rosenblatt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+for+Immiscible+Fluids+of+Arbitrary+Viscosities:+A+Magnetic+Levitation+Investigation+and+Theoretical+Model.">Rayleigh-Taylor Instability for Immiscible Fluids of Arbitrary Viscosities: A Magnetic Levitation Investigation and Theoretical Model.</a> Phys. Rev. Lett. 96, 104501 (2006).</li><li>Huang, Z., De Luca, A., Atherton, T. J., Bird, M., Rosenblatt, C., Carl&#232;s, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-Taylor+Instability+Experiments+with+Precise+and+Arbitrary+Control+of+the+Initial+Interface+Shape.">Rayleigh-Taylor Instability Experiments with Precise and Arbitrary Control of the Initial Interface Shape.</a> Phys. Rev. Lett. 99, 204502 (2007).</li><li>Baldwin, K. A., Scase, M. M., Hill, R. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Inhibition+of+the+Rayleigh-Taylor+Instability+by+Rotation.">The Inhibition of the Rayleigh-Taylor Instability by Rotation.</a> Sci. Rep. 5, 11706 (2015).</li><li>Rossby, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+of+B&#233;nard+convection+with+and+without+rotation.">A study of B&#233;nard convection with and without rotation.</a> J. Fluid Mech. 36, 309-335 (1969).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Es gibt zwei wichtige Schritte innerhalb des Protokolls. Die erste ist, 2.1.6.4. Wenn die Lichtschicht zu schnell schwimmt auf der dichten Schicht dann irreversible Vermischung der beiden mischbare Fluidschichten stattfindet. Es ist wesentlich, daß dies vermieden wird, und daß eine scharfe (&lt;2 mm) Grenzfläche zwischen den beiden Schichten erreicht wird. Der zweite entscheidende Schritt ist 3.1.5. Wenn das Experiment in Richtung des Magneten freigegeben wird, ohne vollständig gesponnen-up in Festkörperrotation od...

<html> Eine Dichte geschichtete Flüssigkeitssystem aus zwei Schichten besteht, kann entweder in einem stabilen oder instabilen Konfiguration in einem Gravitationsfeld angeordnet werden. Wenn die dichte Schwerschicht liegt unter der weniger dichten, leichten Schicht dann ist das System stabil: Perturbationen auf die Schnittstelle stabil sind, wiederhergestellt durch die Schwerkraft, und die Wellen können an der Grenzfläche unterstützt werden. Wenn die Schwerschicht die Lichtschicht überlagert, dann ist das System instabil und Störungen an der Grenzfläche wachsen. Diese grundlegende Flüssigkeit Instabilität ist die Rayleigh-Taylor - Instabilität 7, 8. Genau die gleiche Instabilität kann in nicht rotierenden Systemen beobachtet werden, die in Richtung der schwereren Schicht beschleunigt werden. Durch die grundlegende Natur der Instabilität es in sehr vielen Strömungen beobachtet wird , die ebenfalls stark im Maßstab variieren: von kleinen Dünnfilmphänomene 9 bis astrophysikalische Skala Merkmale beobachtet, zum Beispiel der Krebsnebelef &quot;&gt; 10, wobei fingerartige Strukturen beobachtet werden, erstellt von Pulsar Winde wird durch dichtere Supernova - Überreste beschleunigt. Es ist eine offene Frage , wie die Rayleigh-Taylor - Instabilität kann kontrolliert oder beeinflusst werden , sobald die anfängliche instabilen Dichteunterschied wurde an einer Grenzfläche hergestellt. eine Möglichkeit ist bulk Drehung des Systems zu berücksichtigen. der Zweck der Experimente ist es, die Wirkung der Rotation auf dem System zu untersuchen, und ob dies ein Weg zur Stabilisierung sein. Wir betrachten ein Flüssigkeitssystem, das aus einer zweilagigen gravitations instabilen Schichtung besteht, die stetige Drehung um eine Achse parallel zur Richtung der Schwerkraft unterworfen ist. Eine Störung zu einer instabilen zweischichtigen Dichteschichtung führt zu baroklinen Erzeugung von Verwirbelung, also Umkippen, an der Grenzfläche dazu neigt , alle vertikalen Strukturen aufzubrechen. Jedoch wird ein rotierender Flüssigkeits bekannt selbst in kohärente vertikale st zu organisierenructures mit der Drehachse ausgerichtet sind , so genannte Taylor columns &#39;11. Daraus ergibt sich die untersuchte System erfährt der Wettbewerb zwischen der stabilisierenden Wirkung der Rotation, dass die Strömung in vertikalen Strukturen organisiert und verhindern, dass die beiden Schichten Umkippen und die destabilisierende Wirkung der dichteren Flüssigkeit über der leichteren Flüssigkeit, die an der Schnittstelle ein Umkippen Bewegung erzeugt . Mit einer erhöhten Rotationsgeschwindigkeit 12 die Fähigkeit der Fluidschichten radial zu bewegen, mit gegensinnig zueinander, um sich in eine stabilere Konfiguration neu anzuordnen, gehemmt wird zunehmend durch die Taylor-Proudman Theorem, 13: die Radialbewegung reduziert wird und die beobachteten Strukturen, die als die Instabilität materialisieren entwickelt sind kleiner im Maßstab. Feige. 1 zeigt qualitativ die Wirkung der Rotation auf den Wirbeln , die als die Instabilität entwickelt bilden. In demBild links gibt es keine Rotation und die Strömung ist eine Annäherung an klassische nicht-rotierenden Rayleigh-Taylor-Instabilität. In der rechten Bild alle experimentellen Parameter sind identisch mit dem linken Bild, außer, dass das System um eine vertikale Achse gedreht wird, mit der Mitte des Behälters ausgerichtet ist. Es ist ersichtlich, dass die Wirkung der Drehung ist, die Größe der Wirbel zu verringern, die gebildet werden. Dies wiederum führt zu einer Instabilität, die langsamer als die nicht drehende Gegenstück entwickelt. Die magnetischen Effekte, die die Spannungstensors in der Flüssigkeit ändern kann, wie wirkt in der gleichen Weise wie eine modifizierte Gravitationsfeld betrachtet werden. Wir sind daher in der Lage eine gravitativ stabile Schichtung zu erstellen und sie drehen sich in Festkörperrotation. Die magnetischen Körperkräfte erzeugt, indem das Gradientenmagnetfeld zur Einführung imitieren dann die Wirkung des Gravitationsfeldes modifizieren. Dies macht die Schnittstelle instabil, so dass das Fluidsystem behaves, in guter Näherung als klassische Rayleigh-Taylor-Instabilität unter Rotation. Dieser Ansatz wurde in zwei Dimensionen ohne Rotation 14, 15 zuvor versucht. Für ein angelegtes Magnetfeld mit Gradienten induzierte Magnetfeld B aufgebrachte Massenkraft auf ein Fluid konstanter χ magnetischen Suszeptibilität Volumen ist gegeben durch f = grad (χ B 2 / μ 0), wobei B = | B | und μ 0 = 4π × 10 -7 NA -2 ist die magnetische Permeabilität des freien Raumes. Wir können daher den Magneten betrachten die wirksame Gewicht jeder Fluidschicht zu manipulieren, wobei das effektive Gewicht pro Volumeneinheit eines Fluids mit einer Dichte ρ in einem Gravitationsfeld der Stärke g durch ρ g gegeben ist - χ (∂ B 2 / ∂ z ) / (2 μ 0).

<table><tbody><tr><td>Blue water tracing dye</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-18</td><td></td></tr><tr><td>Red water tracing dye</td><td>Cole-Parmer</td><td>00295-16</td><td></td></tr><tr><td>Sodium Chloride</td><td></td><td></td><td>&gt;99% purity</td></tr><tr><td>Manganese Chloride Tetrahydrate</td><td></td><td></td><td>See MSDS</td></tr><tr><td>Fluorescein sodium salt&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnet</td><td>Cryogenic Ltd. London</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability

Klassische Techniken zur Untersuchung der Rayleigh-Taylor - Instabilität umfassen die Verwendung von komprimierten Gasen 1, rocketry 2 oder elektrische Linearmotoren 3 die Wirkrichtung der Schwerkraft umkehren, und beschleunigen die leichtere Flüssigkeit in Richtung des dichteren Flüssigkeit. Andere Autoren zB 4, 5, 6 haben eine gravitations instabile Schichtung mit einer Barriere getrennt , die entfernt wird , um die Strömung zu veranlassen . Jedoch erlegt die parabolische Ausgangsschnittstelle in dem Fall eines rotierenden Schichtung erhebliche technische Schwierigkeiten experimentell. Wir möchten, dass die Schichtung in Festkörperrotation Spin-up und nur dann initiieren den Fluss, um die Auswirkungen der Rotation auf die Rayleigh-Taylor-Instabilität zu untersuchen. Der Ansatz, den wir angenommen haben, hier ist das Magnetfeld zu verwenden voneinen supraleitenden Magneten das effektive Gewicht der beiden Flüssigkeiten zu manipulieren, um die Strömung zu veranlassen. Wir schaffen eine gravitativ stabile Zweischicht Schichtung unter Verwendung von Standard Flotationstechniken. Die obere Schicht ist weniger dicht als die untere Schicht und so das System Rayleigh-Taylor stabil. Diese Schichtung wird dann versponnen-up, bis beide Schichten in der Festkörperrotation und eine parabolische Schnittstelle sind beobachtet. Diese Experimente verwenden Flüssigkeiten mit niedriger magnetischer Suszeptibilität | χ | ~ 10 -6 - 10 -5 Vergleich zu einem Ferrofluiden. Die dominierende Wirkung des Magnetfeldes wendet eine Körperkraft auf jede Schicht das effektive Gewicht zu verändern. Die obere Schicht wird schwach para- während die untere Schicht schwach diamagnetisch ist. Wenn das Magnetfeld angelegt wird, wird die untere Schicht von dem Magneten abgestoßen, während die obere Schicht gegenüber dem Magneten angezogen wird. Eine Rayleigh-Taylor-Instabilität wird unter Anlegen eines hohen Gradientenmagnetfeld erzielt. Wir beobachteten ferner, dass incReasing die dynamische Viskosität der Flüssigkeit in jeder Schicht zunimmt, der Instabilität der Längenskala.

Feige. 4 zeigt die Entwicklung der Rayleigh-Taylor - Instabilität an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten, für vier verschiedene Drehraten: Ω = 1,89 rad s -1 (obere Reihe), Ω = 3,32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1 und Ω = 8,74 rad s -1 (untere Reihe). Die Schnittstelle entwickelt sich von t = 0 s (linke Spalte) mit Schritten von 0,5 s in der Zeit gezeigt , bis t = 3,0 s (rechte Spalte). Die rechte Spa...

Watch this Scientific Journal Video about Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability at JoVE.com

Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

We present a protocol for preparing a two-layer density-stratified liquid that can be spun-up into solid body rotation and subsequently induced into Rayleigh-Taylor instability by applying a gradient magnetic field.

Magnetisch Induzierte Rotating Rayleigh-Taylor-Instabilität

Classical techniques for investigating the Rayleigh-Taylor instability include using compressed gasses1, rocketry2 or linear electric motors3 to reverse ...

magnetically-induced-rotating-rayleigh-taylor-instability

Universidad de Cartagena UDEC

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Civil Engineering

Unit 1

Fluid Statics

Rotation and Rigid Bodies

SCIENTISTS IN ACTION

9.5K Aufrufe.  University of Nottingham. We present a protocol for preparing a two-layer density-stratified liquid that can be spun-up into solid body rotation and subsequently induced into Rayleigh-Taylor instability by applying a gradient magnetic field.

Serie: Magnetically Induced Rotating Rayleigh-Taylor Instability

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

Verfahren zur Messung der Neigung und Drehrate von 3D-gedruckten Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

Forschung

Ingenieurwesen

Direct Imaging of Laser-driven Ultrafast Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb explosion imaging setup in which a hitherto-impractical camera angle is realized. In our imaging technique, diatomic molecules are irradiated with a circularly polarized strong laser pulse. The ejected atomic ions are accelerated perpendicularly to the laser propagation. The ions lying in the laser polarization plane are selected through the use of a mechanical slit and imaged with a high-throughput, 2-dimensional detector installed parallel to the polarization plane. Because a circularly polarized (isotropic) Coulomb exploding pulse is used, the observed angular distribution of the ejected ions directly corresponds to the squared rotational wave function at the time of the pulse irradiation. To create a real-time movie of molecular rotation, the present imaging technique is combined with a femtosecond pump-probe optical setup in which the pump pulses create unidirectionally rotating molecular ensembles. Due to the high image throughput of our detection system, the pump-probe experimental condition can be easily optimized by monitoring a real-time snapshot. As a result, the quality of the observed movie is sufficiently high for visualizing the detailed wave nature of motion. We also note that the present technique can be implemented in existing standard ion imaging setups, offering a new camera angle or viewpoint for the molecular systems without the need for extensive modification.

We present a protocol for creating a real-time movie of a molecular rotational wave packet using a high-resolution Coulomb explosion imaging setup.

Direct Imaging von lasergetriebenen Ultrakurz Molecular Rotation

We present a method for visualizing laser-induced, ultrafast molecular rotational wave packet dynamics. We have developed a new 2-dimensional Coulomb ...

Chemie

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Measurements of Local Instantaneous Convective Heat Transfer in a Pipe - Single and Two-phase Flow

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer coefficient as a function of the liquid flow rate in a transparent pipe. With certain amendments, the approach is extended to gas-liquid flows, with a particular emphasis on the effect of a single elongated (Taylor) air bubble on heat transfer enhancement. A non-invasive thermography technique is applied to measure the instantaneous temperature of a thin metal foil heated electrically. The foil is glued to cover a narrow slot cut in the pipe. The thermal inertia of the foil is small enough to detect the variation in the instantaneous foil temperature. The test section can be moved along the pipe and is long enough to cover a considerable part of the growing thermal boundary layer.
At the beginning of each experimental run, a steady state with a constant water flow rate and heat flux to the foil is attained and serves as the reference. The Taylor bubble is then injected into the pipe. The heat transfer coefficient variations due to the passage of a Taylor bubble propagating in a vertical pipe is measured as function of the distance of the measuring point from the bottom of the moving Taylor bubble. Thus, the results represent the local heat transfer coefficients. Multiple independent runs preformed under identical conditions allow accumulating sufficient data to calculate reliable ensemble-averaged results on the transient convective heat transfer. In order to perform this in a frame of reference moving with the bubble, the location of the bubble along the pipe has to be known at all times. Detailed description of measurements of the length and of the translational velocity of the Taylor bubbles by optical probes is presented.

This manuscript describes methods aimed at measuring the local instantaneous convective heat transfer coefficients in a single or two-phase pipe flow. A simple optical method to determine the length and the propagation velocity of an elongated (Taylor) air bubble moving at a constant velocity is also presented.

Messungen der lokalen momentane konvektive Wärmeübertragung in einem Rohr - Einzel- und zwei-Phasen-Strömung

This manuscript provides step by step description of the manufacturing process of a test section designed to measure the local instantaneous heat transfer ...

Uncoupling Coriolis Force and Rotating Buoyancy Effects on Full-Field Heat Transfer Properties of a Rotating Channel

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that characterize the transport phenomena in a rotating channel are identified via the parametric analysis of the momentum and energy equations referring to a rotating frame of reference. Based on these dimensionless flow equations, an experimental strategy that links the design of the test module, the experimental program and the data analysis is formulated with the attempt to reveal the isolated Coriolis-force and buoyancy effects on heat transfer performances. The effects of Coriolis force and rotating buoyancy are illustrated using the selective results measured from rotating channels with various geometries. While the Coriolis-force and rotating-buoyancy impacts share several common features among the various rotating channels, the unique heat transfer signatures are found in association with the flow direction, the channel shape and the arrangement of heat transfer enhancement devices. Regardless of the flow configurations of the rotating channels, the presented experimental method enables the development of physically consistent heat transfer correlations that permit the evaluation of isolated and interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on the heat transfer properties of rotating channels.

Here, we present an experimental method for decoupling the interdependent Coriolis-force and rotating-buoyancy effects on full-field heat transfer distributions of a rotating channel.

Abkoppeln Corioliskraft und rotierenden Auftrieb Auswirkungen auf Vollfeld Heat Transfer Eigenschaften eines rotierenden Kanals

An experimental method for exploring the heat transfer characteristics of an axially rotating channel is proposed. The governing flow parameters that ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

Bau und Betrieb eines lichtgetriebenen Gold Nanorod Rotary Motor Systems

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due to their potential applications for future device technologies such as sensors and storage. However, conventional approaches, which usually utilize materials containing magnetic metal ions (or radicals), have a major problem: only a few materials have been found to show the coupling phenomena at room temperature. Recently, we proposed a new approach to achieve room-temperature magnetoelectrics. In contrast to conventional approaches, our alternative proposal focuses on a completely different material, a &#34;liquid crystal&#34;, free from magnetic metal ions. In such liquid crystals, a magnetic field can be utilized to control the orientational state of constituent molecules and the corresponding electric polarization through magnetic anisotropy of the molecules; it is an unprecedented mechanism of the magnetoelectric effect. In this context, this paper provides a protocol to measure ferroelectric properties induced by a magnetic field, that is, the direct magnetoelectric effect, in a liquid crystal. With the method detailed here, we successfully detected magnetically-tuned electric polarization in the chiral smectic C phase of a liquid crystal at room temperature. Taken together with the flexibility of constituent molecules, which directly affects the magnetoelectric responses, the introduced method will serve to allow liquid crystal cells to acquire more functions as room-temperature magnetoelectrics and associated optical materials.

In this report, we present a protocol to examine direct magnetoelectric effects, i.e., induction of ferroelectric polarization by applying magnetic fields, in liquid crystals. This protocol provides a unique approach, supported by the softness of liquid crystals, to achieve room-temperature magnetoelectrics.

Messung der magnetisch gestimmten ferroelektrische Polarisation in Flüssigkristallen

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due ...

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

Analyse von Misch Inhomogenität in einer mikrofluidischen Vorrichtung von Microscale Schlieren Technik

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

Biotechnik

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Induction of Microstreaming by Nonspherical Bubble Oscillations in an Acoustic Levitation System

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. Experimental observations suggest that the temporary permeabilization of these barriers may be due to shear stress that is exerted on cell tissues by cavitation microstreaming. Cavitation microstreaming is the generation of vortex flows which arise around oscillating ultrasound microbubbles. To produce such liquid flows, bubble oscillations must deviate from purely spherical oscillations and include either a translational instability or shape modes. Experimental studies of bubble-induced flows and shear stress on nearby surfaces are often restricted in their scope due to the difficulty of capturing shape deformations of microbubbles in a stable and controllable manner. We describe the design of an acoustic levitation chamber for the study of symmetry-controlled nonspherical oscillations. Such control is performed by using a coalescence technique between two approaching bubbles in a sufficiently intense ultrasound field. The control of nonspherical oscillations opens the way to a controlled cavitation microstreaming of a free surface-oscillating microbubble. High-frame rate cameras allow investigating quasi-simultaneously the nonspherical bubble dynamics at the acoustic timescale and the liquid flow at a lower timescale. It is shown that a large variety of fluid patterns may be obtained and that they are correlated to the modal content of the bubble interface. We demonstrate that even the high-order shape modes can create large-distance fluid patterns if the interface dynamics contain several modes, highlighting the potential of nonspherical oscillations for targeted and localized drug delivery.

A fast and reliable technique is proposed to control the shape oscillations of a single, trapped acoustic bubble that is based on coalescence technique between two bubbles. The steady-state, symmetry-controlled bubble shape oscillations allow analysis of the fluid flow generated in the vicinity of the bubble interface.

Induktion von Mikroströmungen durch nichtsphärische Blasenschwingungen in einem akustischen Levitationssystem

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. ...