旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗儀研究進展

任美杰 李真真 史樂樂 杜偉

摘要：旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗儀由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)以及組成特點，在流體靜力學(xué)中研究旋轉(zhuǎn)運動容器內(nèi)液體相對平衡等相關(guān)問題有著獨特優(yōu)勢。結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究報道，綜述了旋轉(zhuǎn)液體綜合勻角速度旋轉(zhuǎn)試驗的使用情況，討論了旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗儀的測量原理，簡述了目前實驗室應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗儀存在的缺點，在此基礎(chǔ)上進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)液體；改進；重力加速度；液面高度

引言

旋轉(zhuǎn)液體綜合實驗是大學(xué)實驗中具有代表性的研究性實驗之一?，F(xiàn)有的試驗儀具有操作簡單、現(xiàn)象明顯和體積小等特點。這套試驗儀可以研究拋物面參數(shù)與重力加速度關(guān)系，測量重力加速度，研究液面凹面鏡成像與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，同時可對凹面鏡焦距的變化情況展開研究，另外還可測量液體的粘滯系數(shù)。借助旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗儀進行特性研究實驗是高校大學(xué)物理實驗中經(jīng)典實驗項目；如果把旋轉(zhuǎn)液體的自由液面作為一個光學(xué)系統(tǒng)加以研究，還可測定液體折射率[1]。

目前相關(guān)旋轉(zhuǎn)液面裝置存在特征點高度測量不準、平面鏡對激光束反射的光點打在拋物液面與圓柱容器側(cè)壁的交線上的穩(wěn)定性差、不易觀察及影響角速度的測量等問題?；糁猩鶾2]通過教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生利用該裝置測出的重力加速度誤差大，儀器精度不高；高嚴[3]等發(fā)現(xiàn)肉眼看旋轉(zhuǎn)液體最凹面和最高處對應(yīng)的刻度線時，手動調(diào)節(jié)讀數(shù)網(wǎng)格沒有校對方式且旋轉(zhuǎn)后上下邊界不會十分清晰；袁野[4]發(fā)現(xiàn)實驗裝置存在計時和位置測量方面不夠精確的問題。

本文將綜述現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)液體試驗儀的發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)有試驗儀提出改進措施，并采用該裝置研究旋轉(zhuǎn)液體的參數(shù)對密閉容器頂蓋的壓力的影響，進一步豐富和拓展試驗儀的用途。

1旋轉(zhuǎn)液體測量重力加速度的工作原理

圓桶以恒定轉(zhuǎn)速繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，液體和圓桶一起做等角速度旋轉(zhuǎn)運動，形成一個漏斗形旋轉(zhuǎn)面。這是由于在液體粘性的效用下，液體與圓桶內(nèi)壁接觸的邊緣層最先被帶動旋轉(zhuǎn)，隨著時間的積累，液體層逐漸向中心擴展，最終形成漏斗形狀的旋轉(zhuǎn)拋物面。

常光福[5]等分析發(fā)現(xiàn)作用在液體上的力，滿足如下方程

（1）

經(jīng)過變換，得到高度差△z與轉(zhuǎn)速w，滿足如下關(guān)系

（2）

因此，直接測量△z和r的值，就能利用公式計算出重力加速度的值。

2 旋轉(zhuǎn)液體試驗儀研究

包弈靚[6] 設(shè)計了一套裝置，包括圓形轉(zhuǎn)盤、杯、電動機、半導(dǎo)體激光器、坐標方格屏幕和秒表。通過改變輸出電壓值調(diào)節(jié)液體轉(zhuǎn)動的角速度。半導(dǎo)體激光器用來研究焦距與角速度之間的關(guān)系，屏幕用來觀察像的變化。隨著屏幕高度的上升，反射光的成像越來越小，最終成為一個小光點。常廣福的裝置通過采用彩色液體進入開有小孔的錐尖，來測量液面的高度。浸入錐尖的液體截面半徑越小，所測數(shù)據(jù)越精確。

王愛芳[7]增加了兩個半導(dǎo)體激光器解決了對旋轉(zhuǎn)試驗儀自由液面特征點高度測量不準和反射點位置判斷不清的問題。利用非透明接收屏，準確判斷反射點位置。在計算重力加速度的過程中利用激光的反射和折射原理精確測量旋轉(zhuǎn)液體的高度差，主要通過目測或讀取激光功率計的讀數(shù)進行判斷或通過圖像分析激光亮度獲得。增加攝像頭采集激光器及處理器，經(jīng)過數(shù)字圖像處理后得到不同高度的激光強度來判斷高度差。

旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗儀的關(guān)鍵點是高度差的測量。上述學(xué)者提出利用激光器觀察實驗現(xiàn)象讀取高度差，相較于利用彩色液體讀取高度差，減少了人為誤差，提高了實驗精度。但是，在此實驗中我們需要采集多組數(shù)據(jù)，由于長時間注視激光器對眼睛有很大傷害，觀察時需佩戴護目鏡。通過觀察和研究，試驗儀裝置穩(wěn)定后，自由液面形狀沒有變化，用錐尖破壞液面，會有水花濺起，利用這一現(xiàn)象我們可以進一步改進現(xiàn)有裝置。

3旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗儀壓力測量

研究密閉容器頂蓋壓力是否隨圓桶轉(zhuǎn)速改變發(fā)生相應(yīng)變化，以及變化密閉容器對旋轉(zhuǎn)液體自由液面形狀的影響。通過在密閉容器上增加壓力傳感器和壓力接收裝置，可以分析其影響。敞開杯子中，旋轉(zhuǎn)液體內(nèi)任一點的壓強等于液面上的靜壓強與液體的重度和淹沒點深度的乘積。目前國內(nèi)對于密閉容器頂蓋壓力的研究還不是很多，研究壓力影響及密閉環(huán)境下液體自由液面的形狀，可以拓展綜合試驗儀研究內(nèi)容和范圍，進一步擴大旋轉(zhuǎn)綜合試驗儀的用途。

4結(jié)論與展望

旋轉(zhuǎn)液體試驗儀具有良好的應(yīng)用前景和市場價值，經(jīng)過改造和完善后，利用該試驗儀研究的內(nèi)容更加廣泛，更加容易引發(fā)學(xué)生的探索精神和對試驗儀的開發(fā)和利用。

研究旋轉(zhuǎn)液體密閉試驗儀頂蓋壓力隨角速度的變化情況，進一步可以模擬出運輸過程中裝有液體的罐車，液體對四周罐壁的沖擊力大小，進而可以對罐壁的材料進行改進，為罐車運輸安全提供一定的保障。

參考文獻

[1]陳紅雨. 旋轉(zhuǎn)液體綜合實驗設(shè)計[J]. 大學(xué)物理，2007，26（1）：29-33.

[2]霍中生，祖小濤，陳群宇，et al. 旋轉(zhuǎn)液體特性實驗的改進[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù)，2009，7（3）：46-48.

[3]高嚴，范凱，王愛軍，et al. 利用旋轉(zhuǎn)液體特性測量液體折射率[J]. 物理實驗，2007，27（7）.

[4]袁野，晏湖根，陸申龍，et al. 旋轉(zhuǎn)液體實驗裝置的設(shè)計[J]. 物理實驗，2004，24（2）：43-46

[5]包弈靚，黃吉，陸申龍. 新型旋轉(zhuǎn)液體實驗—介紹一個研究性物理實驗[J]. 大學(xué)物理，2003，22（2）：27-27.

[6]常光福，陳云富，方俊俊，et al. 旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)流體模型驗證實驗設(shè)計[J]. 力學(xué)與實踐，2007（4）：81-82.

[7]王愛芳，劉芬，張藝，et al. RL-1型旋轉(zhuǎn)液體特性研究實驗的改進方法[J]. 大學(xué)物理實驗，2013（3）：28-31.

（作者單位：中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院）