Name: magnetically induced rotating rayleigh-taylor instability
Uploaded: 2017-03-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
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RJAH acknowledges support from EPSRC Fellowship EP/I004599/1, MMS acknowledges funding from EPSRC under grant number EP/K5035-4X/1.

NOTA: L&#39;apparato sperimentale è mostrato schematicamente in Fig. 2. La parte principale del dispositivo consiste di una piattaforma girevole (300 mm x 300 mm) montato su un cilindro di rame (diametro 55 mm) che scende sotto il proprio peso nel forte campo magnetico di un magnete superconduttore (1,8 T) con una camera temperatura foro verticale. La piattaforma viene fatto ruotare mediante un motore fuori asse che trasforma un slip-cuscinetto con un orifizio serratura. Il cilindro di rame è attaccata ad un albero motore a forma di chiave che ruota simultaneamente, e scende volta l&#39;azienda pin viene rimosso. 1. Preparazione di non equipaggiamento standard <ol><li> barca flottazione <ol><li> Effettuare la dimensione della barca tale che si adatta comodamente all&#39;interno del serbatoio sperimentale senza toccare i lati. NOTA: La barca flottazione (vedere Fig. 3) è costituito da pareti di polistirolo e una base spugna. </li><li> Proteggere la spugna con uno strato di stcarta velina rong. NOTA: Lo scopo della carta velina è di dissipare slancio tanto verticale dal fluido versato in barca possibile. </li></ol></li></ol> 2. Preparazione di Experiment <ol><li> Preparazione di strati liquidi <ol><li> Lasciare acqua distillata a venire a temperatura di laboratorio (22 ± 2 ° C). Circa 650 mL è richiesto per ogni realizzazione sperimentale. NOTA: Consentire la miscela equilibrare impedisce la formazione di bolle nell&#39;esperimento causa exsolving aria. </li><li> Separare l&#39;acqua distillata in volumi uguali in due contenitori separati, A e B, che saranno utilizzati per preparare liquido per lo strato inferiore denso e strato superiore della luce rispettivamente. </li><li> Preparazione ex-situ di denso strato inferiore. Per i contenuti del contenitore A: <ol><li> Aggiungere NaCl per ottenere una concentrazione di 0,43 mol NaCl per litro di acqua (circa 25 g di NaCl per litro disarà richiesto di acqua); </li><li> Aggiungere coloranti 0,33 g rossi e blu-tracing acqua al contenitore strato inferiore (ad esempio, Cole-Parmer 00.295-16 e -18); </li><li> Aggiungere 0,1 g L -1 di sodio fluoresceina. NOTA: Lo strato inferiore sarà ora opachi e hanno una densità di circa 1012,9 ± 1,2 kg m -3. </li></ol></li><li> Preparazione ex-situ di strato superiore della luce. Per i contenuti del contenitore B: <ol><li> Aggiungere MnCl 2 sale per ottenere una concentrazione di 0,06 mol MnCl 2 per litro di acqua (circa 12 g di MnCl 2 per litro di acqua). NOTA: Lo strato superiore sarà trasparente in aspetto e hanno una densità di circa 998,2 ± 0,5 kg m -3. </li></ol></li><li> Per variare la viscosità degli strati fluidi, aggiungere glicerolo C 3 H 8 O 3 in quantità pari a ogni strato fino alla viscosità desiderata è raggiunta. viscositie tipicas si trovano nel range 1,00 × 10 -3 - 21,00 × 10 -3 Pa s. La viscosità di ogni strato è la stessa. NOTA: Le miscele possono essere conservati in modo sicuro nei loro contenitori separati fino al momento. </li><li> Preparazione ex-situ della stratificazione densità. <ol><li> Aggiungere 300 mL del contenuto del contenitore Una al recipiente interno cilindrico (vedi Fig. 2). </li><li> Immergere la spugna della barca di galleggiamento nel liquido dal contenitore B. NOTA: Dopo (2.1.6.2) la procedura è sensibile al tempo, in modo da non eseguire eventuali ulteriori passi finché tutto il magnete e l&#39;illuminazione, registrazione e meccanismi meccanici sono pronti. </li><li> Sollevare la barca flottazione dal contenitore B e, quando ha smesso gocciolante, accuratamente posizionare la barca flottazione sopra dello strato di liquido denso nel serbatoio cilindrico interno. </li><li> Iniziare aggiungere fluido leggero strato dal contenitore B alla barca flottazione con un flusso di3 mL / min. Aumentare gradualmente tale portata come la barca flottazione solleva dalla interfaccia tra i due strati. Mantenere una velocità abbastanza lento flusso che l&#39;interfaccia non è disturbato dalla maggiore quantità di moto del flusso di fluido, ma abbastanza veloce che questo processo non richiede più di 20 min. Mantenere il riempimento finché lo strato superiore contiene 320 ml di liquido. NOTA: Lo strato inferiore sarà ad una profondità di circa 33 mm, e lo strato superiore sarà ad una profondità di circa 39 mm. </li><li> con cura il coperchio lucite nello strato superiore in modo che la profondità di strato di ciascuno strato sono uguali. Consenti fluido e l&#39;aria di fluire attraverso i fori di sfiato, assicurando che l&#39;aria è intrappolato sotto. Osservare uno strato (circa. 6 mm) di liquido chiaro leggero strato sulla parte superiore del coperchio lucite. NOTA: Se il processo ha avuto successo ci saranno due strati di liquido di parità di profondità, con una forte interfaccia tra di loro. Lo spessore dello strato di diffusione all&#39;interfaccia sarà inferiore a 2 mm in questa fase. </li></ol></li><li> Riempire il serbatoio esterno con acqua distillata chiaro a un&#39;altezza di 6 mm sopra il coperchio lucite del serbatoio interno. Osservando square-on non ci sarà parallasse curvatura indotta risultante dal serbatoio cilindrico interno. NOTA: Dal momento che i liquidi in ogni strato sono continuamente diffondendo attraverso l&#39;interfaccia a questo punto, procedere immediatamente la seguente procedura. </li></ol></li><li> Spin-up della stratificazione <ol><li> Posizionare il serbatoio sperimentale sulla piattaforma. </li><li> Posizionare la disposizione con il cilindro di rame nel foro del magnete, l&#39;albero di trasmissione attraverso l&#39;orifizio serratura in pista e il perno di tenuta in posizione. Assicurarsi che il serbatoio è lontano (60 cm) dal magnete tale che le forze magnetiche sui liquidi sono trascurabili in questa posizione. NOTA: Portare il serbatoio sperimentale contenente la stratificazione presenta poche difficoltà; lunga, bassa ampiezza, onde sloshing istituiti camminando con °e serbatoio decadrà distanza, con effetto trascurabile sulla qualità dell&#39;interfaccia ottenuto quando galleggiante strato superiore sul. </li><li> Accendere il motore, aumentando la velocità di rotazione a 0.002 rad s -2, filatura-up il fluido alla velocità di rotazione desiderata. Per i tassi di rotazione in 16 il tempo di spin-up è stato dell&#39;ordine di 20 min - 60 min. NOTA: La velocità di rotazione più veloce utilizzato è stato del 13,2 rad s -1. </li></ol></li></ol> 3. Esecuzione di Experiment <ol><li> Assicurarsi che il magnete indica un&#39;intensità di campo di 1,2 T, e che alla altezza alla quale viene iniziata l&#39;instabilità del gradiente di campo è (grad B 2) / 2 = -14.3 T 2 m -1, dove B è l&#39;induzione magnetica . </li><li> Assicurarsi che la videocamera è disposto in modo che quando l&#39;albero motore è nella sua posizione più bassa sia la vista laterale dell&#39;esperimento è a fuoco, e una vista in pianta è a fuoco attraverso un pl specchioaced sopra l&#39;esperimento. </li><li> Assicurarsi che la luce nell&#39;ambiente è al giusto livello, in modo tale che nessuno dei immagine catturata dalla telecamera è saturo, ma che la risposta completa è usato (intensità in scala di grigi nel range 0-255). </li><li> Iniziare la registrazione video (240 fps). Utilizzare un telecomando per evitare che muovere la fotocamera durante l&#39;utilizzo la funzione di registrazione. </li><li> Rimuovere il perno di tenuta, consentendo il serbatoio di scendere, durante la rotazione, nel campo magnetico. </li></ol> 4. Ripristino Experiment <ol><li> Ripristina rig sperimentale <ol><li> Utilizzare il telecomando per fermare la registrazione video. </li><li> Salvare il file del filmato su disco. </li><li> A mano, abbassare la tensione al motore in modo che esso rallenta fino all&#39;arresto. Eseguire questa gradualmente in modo da evitare fuoriuscite. </li><li> Rimuovere dispositivo sperimentale dal magnete. </li><li> Smaltire gli strati liquidi misti in modo appropriato (vedi Manganese cloruro Tetraidrato SDS). </li><li> Sciacquare il serbatoio con acqua (ènon deve essere distillata), fino a quando tutte le tracce di sali sono stati lavati via. Evitare il contatto diretto della pelle con i liquidi. </li><li> Asciugare il serbatoio accuratamente con carta velina per garantire che nessun residuo è lasciato che possono contaminare gli esperimenti successivi. </li></ol></li></ol> Processing 5. Immagine <ol><li> Estrarre le singole immagini da ogni fotogramma di film e salvare in formato lossless .png. Maschera eventuali aree indesiderate di ogni frame, ad esempio la piattaforma o cilindro di rame. </li><li> Calcolare la funzione di auto-correlazione bidimensionale 16 di ogni fotogramma immagine per 2 s dopo l&#39;inizio della instabilità con una Fast Fourier Transform discreta. Registrare il minimo, media e valore massimo della lunghezza d&#39;onda osservata per la velocità di rotazione dell&#39;esperimento e la viscosità degli strati di fluido. </li></ol>

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	<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. 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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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ci sono due fasi critiche all&#39;interno del protocollo. Il primo è 2.1.6.4. Se il livello di luce è flottato sullo strato denso troppo rapidamente poi miscelazione irreversibile dei due strati fluidi miscibili avviene. È essenziale che questo sia evitata e che si ottiene un netto (&lt;2 mm) interfaccia tra i due strati. Il secondo passo fondamentale è 3.1.5. Se l&#39;esperimento viene rilasciato verso il magnete senza essere pienamente spun-up in rotazione corpo solido o senza l&#39;apparato di cattura e visualizz...

<html> Un sistema fluido densità stratificato costituito da due strati può essere organizzato in un campo gravitazionale sia in una stabile o una configurazione instabile. Se lo strato pesante denso base della meno densa, strato chiaro allora il sistema è stabile: perturbazioni all&#39;interfaccia sono stabili, restaurata per gravità, e le onde può essere supportato sull&#39;interfaccia. Se lo strato pesante sovrappone alla leggero strato allora il sistema è instabile e perturbazioni al crescere interfaccia. Questa instabilità fluido fondamentale è l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor 7, 8. Esattamente la stessa instabilità può osservare in sistemi non rotanti che sono accelerati verso lo strato più pesante. A causa della natura fondamentale dell&#39;instabilità si osserva in molti flussi che variano notevolmente in scala: da artigianale film sottile fenomeni 9 a funzioni di scala astrofisici osservate in, per esempio, la nebulosa crabef &quot;&gt; 10, in cui si osservano strutture simili a dita, creato da venti pulsar essere accelerato attraverso più dense resti di supernova. Si tratta di una questione aperta di come l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor può essere controllato o influenzato una volta la differenza iniziale di densità instabile è stata stabilito a un&#39;interfaccia. una possibilità è quella di considerare la rotazione grosso del sistema. lo scopo degli esperimenti è di investigare l&#39;effetto della rotazione del sistema, e se questo può essere un percorso di stabilizzazione. Consideriamo un sistema fluido che consiste di due strati stratificazione gravitazionalmente instabile che è soggetto a rotazione costante attorno ad un asse parallelo alla direzione della gravità. Una perturbazione a un instabile stratificazione di densità a due strati porta alla generazione baroclinic di vorticità, cioè, rovesciando, all&#39;interfaccia, tendente a rottura, eventuali strutture verticali. Tuttavia, un fluido rotante si caratterizza per organizzarsi in coerente st verticaleructures allineati con l&#39;asse di rotazione, i cosiddetti &#39;Taylor colonne&#39; 11. Quindi il sistema in esame subisce concorrenza tra l&#39;effetto stabilizzante della rotazione, che organizza il flusso in strutture verticali e prevenire i due strati rovesciamento, e l&#39;effetto destabilizzante del fluido più denso sovrastante il fluido più leggero che genera un movimento di ribaltamento all&#39;interfaccia . Con l&#39;aumento della velocità di rotazione della capacità degli strati fluidi di muoversi radialmente, con senso opposto tra loro, al fine di riorganizzare stessi in una configurazione più stabile, è sempre più inibita dal teorema Taylor-Proudman 12, 13: il movimento radiale è ridotto e le strutture osservate che si materializzano come l&#39;instabilità si sviluppa sono più piccoli in scala. Figura. 1 mostra qualitativamente l&#39;effetto della rotazione sui vortici che si formano come l&#39;instabilità sviluppa. Nelimmagine sinistra vi è alcuna rotazione e il flusso è un&#39;approssimazione classica instabilità antirotazione Rayleigh-Taylor. Nell&#39;immagine mano destra tutti i parametri sperimentali sono identici all&#39;immagine sinistra tranne che il sistema viene ruotato attorno ad un asse verticale allineato con il centro della vasca. Si può notare che l&#39;effetto della rotazione è di ridurre la dimensione dei vortici che si formano. Questo, a sua volta, si traduce in una instabilità che si sviluppa più lentamente rispetto alla controparte non rotante. Gli effetti magnetici che modificano il tensore nel fluido possono essere considerati agisce nello stesso modo di un campo gravitazionale modificato. Siamo quindi in grado di creare una stratificazione gravitazionalmente stabile e spin fino in rotazione corpo solido. Le forze corpo magnetici generati imponendo il gradiente di campo magnetico poi mimare l&#39;effetto di modificare il campo gravitazionale. Questo rende l&#39;interfaccia instabile tale che il fluido di sistema behaVes, con buona approssimazione, come classica instabilità Rayleigh-Taylor in rotazione. Questo approccio è stato tentato in precedenza in due dimensioni senza rotazione 14, 15. Per un gradiente di campo magnetico applicato con indotta campo magnetico B, la forza del corpo applicata ad un fluido di magnetico costante χ volume di sensibilità è data da f = grad (χ B 2 / μ 0), dove B = | B | e μ 0 = 4π × 10 -7 NA -2 è la permeabilità magnetica di spazio libero. Possiamo quindi considerare il magnete di manipolare il peso effettivo di ogni strato di fluido, in cui il peso effettivo per unità di volume di un fluido di ρ densità in un campo gravitazionale di forza g è data da ρ g - 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

Tecniche classiche per investigare l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor includono l&#39;utilizzo di gas compressi 1, rocketry 2 o motori elettrici lineari 3 per invertire la direzione d&#39;azione della gravità, e accelerare il fluido più leggero verso il fluido più denso. Altri autori ad esempio, 4, 5, 6 sono separate una stratificazione gravitazionalmente instabile con una barriera che viene rimosso per avviare il flusso. Tuttavia, l&#39;interfaccia iniziale parabolica nel caso di una stratificazione rotante impone notevoli difficoltà tecniche sperimentalmente. Vogliamo essere in grado di spin-up la stratificazione in rotazione solid-body e solo allora avviare il flusso al fine di indagare gli effetti della rotazione su l&#39;instabilità di Rayleigh-Taylor. L&#39;approccio che abbiamo adottato è quello di utilizzare il campo magneticoun magnete superconduttore per manipolare il peso effettivo dei due liquidi di avviare il flusso. Creiamo un gravitazionalmente stabile stratificazione a due strati con tecniche di flottazione standard. Lo strato superiore è meno denso del livello inferiore e quindi il sistema è Rayleigh-Taylor stabile. Questa stratificazione viene poi filata-entro due strati sono in rotazione corpo solido e si osserva una interfaccia parabolica. Questi esperimenti utilizzano fluidi a bassa suscettibilità magnetica, | χ | ~ 10 -6 - 10 -5, rispetto ad un ferrofluidi. L&#39;effetto dominante del campo magnetico applicato un corpo-forza per ogni strato cambiando il peso effettivo. Lo strato superiore è debolmente paramagnetico mentre lo strato inferiore è debolmente diamagnetico. Quando il campo magnetico viene applicato, lo strato inferiore viene respinto dal magnete mentre lo strato superiore viene attratto verso il magnete. Una instabilità Rayleigh-Taylor è ottenuta con l&#39;applicazione di un campo magnetico elevato gradiente. Abbiamo osservato, inoltre, che increasing la viscosità dinamica del fluido in ciascuno strato, aumenta la lunghezza scala dell&#39;instabilità.

Figura. 4 mostra lo sviluppo dell&#39;instabilità Rayleigh-Taylor all&#39;interfaccia tra i due fluidi, per quattro differenti tassi di rotazione: Ω = 1.89 rad s -1 (riga superiore), Ω = 3.32 rad s -1, Ω = 4,68 rad s - 1, e Ω = 8,74 rad s -1 (riga in basso). L&#39;interfaccia è mostrata in evoluzione nel tempo da t = 0 s (colonna di sinistra), con incrementi di 0,5 s a t = 3,0 s (colonna di destra). La colonna di...

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Chimica

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.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

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.

Misure di scambio di calore convettivo istantanea locale in un tubo - flusso singolo e due fasi

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.

Disgiungere forza di Coriolis e rotante galleggiabilità effetti sul calore pieno campo il trasferimento di proprietà di un canale rotante

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.

Costruzione e funzionamento di un sistema motore basato su luce oro Nanorod Rotary

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.

Misurare la polarizzazione ferroelettrica magneticamente-sintonizzati in cristalli liquidi

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.

Analizzando disomogeneità Mescolando in un dispositivo a microfluidi da Tecnica microscala Schlieren

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

Bioingegneria

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.

Caratterizzazione magneto-ottica spectrale e sistemata con angolo di nanostrutture fotoniche

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.

Induzione del microstreaming mediante oscillazioni di bolle non sferiche in un sistema di levitazione acustica

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