任美杰 李真真 史樂(lè)樂(lè) 杜偉

摘要：旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗(yàn)儀由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及組成特點(diǎn)，在流體靜力學(xué)中研究旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)容器內(nèi)液體相對(duì)平衡等相關(guān)問(wèn)題有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究報(bào)道，綜述了旋轉(zhuǎn)液體綜合勻角速度旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的使用情況，討論了旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗(yàn)儀的測(cè)量原理，簡(jiǎn)述了目前實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗(yàn)儀存在的缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)液體；改進(jìn)；重力加速度；液面高度

引言

旋轉(zhuǎn)液體綜合實(shí)驗(yàn)是大學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有代表性的研究性實(shí)驗(yàn)之一?，F(xiàn)有的試驗(yàn)儀具有操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯和體積小等特點(diǎn)。這套試驗(yàn)儀可以研究拋物面參數(shù)與重力加速度關(guān)系，測(cè)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(shí)可對(duì)凹面鏡焦距的變化情況展開(kāi)研究，另外還可測(cè)量液體的粘滯系數(shù)。借助旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗(yàn)儀進(jìn)行特性研究實(shí)驗(yàn)是高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；如果把旋轉(zhuǎn)液體的自由液面作為一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)加以研究，還可測(cè)定液體折射率[1]。

目前相關(guān)旋轉(zhuǎn)液面裝置存在特征點(diǎn)高度測(cè)量不準(zhǔn)、平面鏡對(duì)激光束反射的光點(diǎn)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(cè)量等問(wèn)題?；糁猩鶾2]通過(guò)教學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生利用該裝置測(cè)出的重力加速度誤差大，儀器精度不高；高嚴(yán)[3]等發(fā)現(xiàn)肉眼看旋轉(zhuǎn)液體最凹面和最高處對(duì)應(yīng)的刻度線時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)讀數(shù)網(wǎng)格沒(méi)有校對(duì)方式且旋轉(zhuǎn)后上下邊界不會(huì)十分清晰；袁野[4]發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置存在計(jì)時(shí)和位置測(cè)量方面不夠精確的問(wèn)題。

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

1旋轉(zhuǎn)液體測(cè)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(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)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(dòng)旋轉(zhuǎn)，隨著時(shí)間的積累，液體層逐漸向中心擴(kuò)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(guò)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(cè)量△z和r的值，就能利用公式計(jì)算出重力加速度的值。

2 旋轉(zhuǎn)液體試驗(yàn)儀研究

包弈靚[6] 設(shè)計(jì)了一套裝置，包括圓形轉(zhuǎn)盤(pán)、杯、電動(dòng)機(jī)、半導(dǎo)體激光器、坐標(biāo)方格屏幕和秒表。通過(guò)改變輸出電壓值調(diào)節(jié)液體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。半導(dǎo)體激光器用來(lái)研究焦距與角速度之間的關(guān)系，屏幕用來(lái)觀察像的變化。隨著屏幕高度的上升，反射光的成像越來(lái)越小，最終成為一個(gè)小光點(diǎn)。常廣福的裝置通過(guò)采用彩色液體進(jìn)入開(kāi)有小孔的錐尖，來(lái)測(cè)量液面的高度。浸入錐尖的液體截面半徑越小，所測(cè)數(shù)據(jù)越精確。

王愛(ài)芳[7]增加了兩個(gè)半導(dǎo)體激光器解決了對(duì)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)儀自由液面特征點(diǎn)高度測(cè)量不準(zhǔn)和反射點(diǎn)位置判斷不清的問(wèn)題。利用非透明接收屏，準(zhǔn)確判斷反射點(diǎn)位置。在計(jì)算重力加速度的過(guò)程中利用激光的反射和折射原理精確測(cè)量旋轉(zhuǎn)液體的高度差，主要通過(guò)目測(cè)或讀取激光功率計(jì)的讀數(shù)進(jìn)行判斷或通過(guò)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(guò)數(shù)字圖像處理后得到不同高度的激光強(qiáng)度來(lái)判斷高度差。

旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗(yàn)儀的關(guān)鍵點(diǎn)是高度差的測(cè)量。上述學(xué)者提出利用激光器觀察實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)精度。但是，在此實(shí)驗(yàn)中我們需要采集多組數(shù)據(jù)，由于長(zhǎng)時(shí)間注視激光器對(duì)眼睛有很大傷害，觀察時(shí)需佩戴護(hù)目鏡。通過(guò)觀察和研究，試驗(yàn)儀裝置穩(wěn)定后，自由液面形狀沒(méi)有變化，用錐尖破壞液面，會(huì)有水花濺起，利用這一現(xiàn)象我們可以進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有裝置。

3旋轉(zhuǎn)液體綜合試驗(yàn)儀壓力測(cè)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(duì)旋轉(zhuǎn)液體自由液面形狀的影響。通過(guò)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(kāi)杯子中，旋轉(zhuǎn)液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓強(qiáng)等于液面上的靜壓強(qiáng)與液體的重度和淹沒(méi)點(diǎn)深度的乘積。目前國(guó)內(nèi)對(duì)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(yàn)儀研究?jī)?nèi)容和范圍，進(jìn)一步擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)綜合試驗(yàn)儀的用途。

4結(jié)論與展望

旋轉(zhuǎn)液體試驗(yàn)儀具有良好的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值，經(jīng)過(guò)改造和完善后，利用該試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)儀的開(kāi)發(fā)和利用。

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

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院）