基于落球法的液體黏滯系數(shù)測量實驗研究

李蘭蘭　田月　劉小影　李旺　余盼盼　周瑩

關(guān)鍵詞：落球法;蓖麻油;黏滯系數(shù)

液體黏滯系數(shù)是流體力學、材料科學和工程技術(shù)中常用的描述液體內(nèi)部摩擦特性的重要參數(shù)，主要反映液體內(nèi)部存在相對運動時對液體運動的阻礙程度，被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、機械工程裝備研發(fā)等領(lǐng)域。液體黏滯系數(shù)的測量方法主要有毛細管法、扭擺法、升球法、落球法、旋轉(zhuǎn)法和落針法等[1-7]。南京航空航天大學的研究者利用電磁感應開關(guān)，設計出一款新型液體黏滯系數(shù)測量裝置，在保證數(shù)據(jù)測量準確的基礎(chǔ)上，降低了實驗操作過程中設備調(diào)節(jié)的難度和維護設備的工作量[8]。某研究小組通過對傳統(tǒng)落球法液體黏滯系數(shù)測量設備存在的諸多問題進行梳理和分析，自主開發(fā)了基于電磁鐵吸附小球原理的黏滯系數(shù)測量設備，有效消除了測量過程中工作環(huán)境對液體的污染，實現(xiàn)了對小球下落位置的精確控制，提高了實驗的精確度[9]。馮朝嶺等[10]在奧氏黏滯計的基礎(chǔ)上，依據(jù)液體在容器中的流動規(guī)律，設計了一種新的液體黏滯系數(shù)測量方法，實現(xiàn)了對液體黏滯系數(shù)的高精度和高效率測量。本實驗利用變溫黏滯系數(shù)測量實驗裝置，基于落球法實驗原理，對蓖麻油的黏滯系數(shù)進行了測量，研究了不同小球直徑、不同液體溫度對蓖麻油黏滯系數(shù)測量結(jié)果的影響。

1實驗原理

本實驗采用的裝置主要有溫控實驗儀、溫度計、直徑不同的小鋼珠、螺旋測微器、蓖麻油、秒表等。實驗中，將密度為ρ、黏滯系數(shù)為η的蓖麻油裝入毛細管，當質(zhì)量為m、直徑為d的金屬小球在靜止的待測液體頂部下落時，將同時受到重力mg、浮力ρgv和黏滯力F的作用。根據(jù)斯托克斯黏滯公式，當小球的速度（v）較慢時，小球受到的黏滯力如式（1）所示。

2實驗結(jié)果和討論

2.1小球直徑對蓖麻油黏滯系數(shù)的影響

實驗中通過變溫黏滯系數(shù)測量實驗裝置，將蓖麻油液體溫度穩(wěn)定在32℃，選取的待測金屬小球直徑分別為1.0、1.5、2.0、2.5和3.0mm，將金屬小球在液體管內(nèi)做勻速直線運動時下落的距離L設定為10cm，通過智能計時器來記錄小球在蓖麻油液體中下落的時間t。為了減小實驗誤差，提高實驗精度，分別對同一直徑下小球下落次數(shù)測量30次，取平均值，利用公式（5）計算出蓖麻油的黏滯系數(shù)，實驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，在蓖麻油液體溫度為32℃時，隨著金屬小球的直徑d從1.0mm逐漸增至3.0mm，所測得的液體黏滯系數(shù)也不斷增大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨著小球直徑逐漸增加，雷諾數(shù)也越來越大，同時小球在液體中運動時會形成一定的渦流，導致小球在液體中受到的阻力增大，速度變慢，使測得的黏滯系數(shù)逐漸增加。

2.2溫度對蓖麻油黏滯系數(shù)的影響

實驗選取的金屬小球直徑為2.5mm，可以通過變溫黏滯系數(shù)測量實驗裝置來研究蓖麻油黏滯系數(shù)在20～50℃的改變，實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，蓖麻油的溫度從20℃逐漸增至50℃的過程中，蓖麻油液體的黏滯系數(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，主要是因為隨著液體溫度的升高，蓖麻油液體分子的熱運動和分子之間的相互碰撞會加強，蓖麻油與小球之間的相互作用力會減弱，使小球運動時間縮短，導致測量的蓖麻油黏滯系數(shù)減小。同時，隨著溫度升高，蓖麻油的密度會逐漸減小，使測量的黏滯系數(shù)也逐漸減小。

3結(jié)語

基于落球法的實驗原理，對金屬小球在蓖麻油中的運動情況進行了分析，分別探究了小球直徑、蓖麻油溫度對蓖麻油黏滯系數(shù)的影響，并對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因進行了分析，為進一步研究液體黏滯系數(shù)奠定了基礎(chǔ)。9A95A079-D53B-4EB5-B0A8-A15253804D1C