Эксперименты лаборатории гидродинамики

В лаборатории гидродинамики создана специальная установка для проведения экспериментов. В ее основе вращающаяся платформа с установленной емкостью для воды. Вращение жидкости дает возможность проводить эксперименты с учетом силы Кориолиса. Платформа приводится во вращение с помощью электромотора с импульсным питанием. Управление электромотора осуществляется через программируемый модуль "Arduino Uno".

В установке реализована обратная связь через систему датчиков Холла: под платформой в вершинах квадрата установлены постоянные магниты (на фотографиях не показаны). При проходе магнита над датчиками происходит их срабатывание. Информация поступает в процессор ATmega328P где происходит ее обработка и вычисление угловой скорости платформы в режиме он-лайн.

experimental_device.jpg

experimental_device2.jpg


Система меняет количество подаваемых на электромотор импульсов и интервалы между ними в соответствии с вычисленным значением угловой скорости, с тем, чтобы скорость вращения платформы соответствовала заданной с точностью до двух/трех оборотов в минуту.

На верхней части емкости смонтирована система датчиков ультразвукового измерения US-100 колебаний уровня свободной поверхности жидкости. Информация через канал Bluetooth поступает в систему обработки данных и отображается на экране. В стадии разработки находится лазерная система регистрации внутренних течений и уровня свободной поверхности с помощью оптической плоскости.

Проведенные эксперименты

  1. 1.Экспериментальные исследования тороидальных вихрей над возмущениями дна во вращающееся однородной жидкости
  2. 2. Моделитрование приливов в бухтах с учетом вращения Земли
  3. 3. Ультразвуковое измерение колебаний уровня жидкости


1.Экспериментальные исследования тороидальных вихрей над возмущениями дна во вращающееся однородной жидкости



Лабораторная установка состоит из цилиндрической стеклянной банки высотой 38 см, диаметром 30 см, которая крепится на вращающейся платформе. Сбоку банки на платформе крепится галогеновый источник света, который просвечивает толщу жидкости, на верхней крышке банки крепится веб-камера. Немного под углом к направлению света с другой стороны банки крепится цифровая видеокамера, которая записывает в проходящем через толщу воды свете вертикальную структуру вихря. Вся эта система вращается против часовой стрелки со скоростью 1об/с. Видеоизображение с веб-камеры через вращающиеся контакты передается по USB-кабелю на компьютер и записывается.

На сегодняшний день проведены два вида лабораторных экспериментов – первый, когда протаскивается возмущение дна в виде усеченного конуса по дну вращающегося круглого резервуара по его диаметру и второй, когда из дна вытягивается вертикально подводное возмущение в виде двух сидящих один на другом цилиндров. Цели первого типа экспериментов - отработать методику эксперимента, систему регистрации, посмотреть, как образуется антициклонический топографический вихрь. В этих экспериментах подводное возмущение в виде усеченного конуса с нижним диаметром 6 см, верхним 3.6 см и высотой 2 см с помощью электромотора и системы нитей протягивается по дну банки по ее диаметру со скоростью 1.6 см/с. В результате очень хорошо был зафиксирован антициклонический топографический вихрь над возмущением дна, который «сидит» прямо над возмущением и движется вместе с ним. Однако для получения осесимметричного топографического вихря, который необходим для моделирования его бифуркации на вихревые торы, такая система с движущимся подводным возмущением явно не годится. Была реализована оригинальная идея генерации осесимметричного топографического вихря – вытягивание вертикально из фальш-дна подводного цилиндрического возмущения, которое в данных экспериментах состояло в виде двух сидящих осесимметрично один на другом цилиндров, верхний меньшего диаметра. В природе такую ситуацию можно отождествить с вертикальной подвижкой дна при подводном сбросовом землетрясении.

В эксперименте такая идея дала возможность сгенерировать точно осесимметричный топографический вихрь. Чтобы избежать влияния кривизны свободной поверхности жидкости на топографический вихрь, сверху над возвышенностью в воду погружалась на штативе прозрачная цилиндрическая пластиковая банка с плоским дном. В результате слой жидкости над подводным возмущением имел постоянную толщину, как того требуется в теории. После получасового раскручивания банки до твердотельного вращения жидкости включался электромоторчик на крышке банки, который медленно вытягивал из фальш-дна цилиндрические возмущения, сначала внутренний цилиндр, а затем внешний. Одновременно с этим по трубочке высыпались в область топографического вихря кристаллики марганцовки для визуализации движения жидкости. Удалось экспериментально установить важный факт(!): хорошо видно, как над внешней границей нижнего цилиндра и внешней границей верхнего цилиндра, т.е. по границам кольцевого уступа между цилиндрами образуются вертикальные слои Стьюартсона в виде стенок из марганцовки.

Вертикальные слои Стьюартсона:

eddies_results1.jpg

Образование антициклонического топографического вихря над движущимся возмущением дна во вращающейся жидкости:

eddies_results2.jpg




2. Моделитрование приливов в бухтах с учетом вращения Земли

Были проведены эксперименты по моделированию приливов в бухтах с учетом вращения Земли.

Кадры с видеокамеры: положения уровня воды в левом и правом конфузорах:

bays_results1.jpg

bays_results2.jpg

bays_results3.jpg

bays_results4.jpg

bays_results5.jpg

bays_results6.jpg

bays_results7.jpg

bays_results8.jpg

bays_results9.jpg

bays_results10.jpg

bays_results11.jpg

Обсуждение полученных результатов появится на странице после их опубликования.




3. Ультразвуковое измерение колебаний уровня жидкости

Для измерений колебаний уровня свободной поверхности жидкости используются ультразвуковые датчики HC-SR04 и "US-100", последние имеют встроенную систему температурной компенсации. Точность измерения расстояний с помощью ультразвука зависит от длины волны, которая в случае датчиков HC-SR04 и "US-100" составляет: 343 m/s (скорость звука)) / 40kHz (частота импульсов) = 8.6 мм, а также от наличия посторонних препятствий в секторе действия, в растворе телесного угла 300.

Ультразвуковой датчик HC-SR04 определяет расстояние до поверхности песка:

WP_20160413_001.jpg


Два датчика (HC-SR04 и US-100 для сопоставления результатов) определяют колебания свободной поверхности жидкости в круглой емкости:

WP_20160418_011.jpg


Т.к. для измерения колебаний свободного уровня жидкости точности в 8.6 мм недостаточно, измерительная система состоит из нескольких ультразвуковых датчиков (трех), установленных каскадно на разной высоте. Данные сводятся воедино в систему на базе процессора ATmega328P, в которой происходит их статистическая обработка. Дополнительно, для контроля точности измерений используется электрический датчик уровня жидкости, состоящий из двух, опущенных в воду электродов.