水平旋轉(zhuǎn)下流體流態(tài)探究

熊小翠+張瑞連+胡蓉蓉+馬文婷+肖新才+黃先菊

摘要：受到微重力環(huán)境在生命科學(xué)應(yīng)用中的啟發(fā)，通過水平旋轉(zhuǎn)裝置，在旋轉(zhuǎn)條件下，模擬了流體的運(yùn)動(dòng)，探究了流態(tài)。研究結(jié)果表明：選擇了便于觀察的紅色液滴，發(fā)現(xiàn)紅色液滴的運(yùn)行軌跡與所用流體的粘度及旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。在相同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，粘度越小，紅色液滴的擴(kuò)散環(huán)或擴(kuò)散面積越大；粘度相同的情況下，在15～25r/min時(shí)，紅色液滴以環(huán)狀模式沿管壁運(yùn)行，在80～100r/min時(shí)，紅色液滴是以一定的擴(kuò)散面運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)；微重力環(huán)境；液體粘度

中圖分類號(hào)：TB324

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2016）22-0144-03

1引言

近30年來航空航天技術(shù)在我國逐漸取得越來越多的成就，但航空內(nèi)環(huán)境對(duì)航空工作者在身體上造成了一些不利的影響，該影響引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，因此生命空間科學(xué)得到了迅速的發(fā)展。在航天器內(nèi)，其重力加速度低于10-6g0（g0為地面重力加速度），并將其稱為微重力環(huán)境[1]。隨著對(duì)微重力認(rèn)識(shí)的深入，王景濤[2]闡述了微重力和微重力環(huán)境概念性問題，并認(rèn)為可以通過一種等效原理來創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)所需的微重力環(huán)境并對(duì)該環(huán)境加以利用。而常用來獲得微重力環(huán)境的方法有落塔、落管、飛機(jī)、火箭和軌道飛行[3]，但其不足點(diǎn)為微重力維持的時(shí)間短，而且工程比較大，實(shí)驗(yàn)操作上不方便。同樣龍勉[4]也對(duì)微重力及微重力效應(yīng)的概念進(jìn)行了闡述，以及對(duì)在地面能否模擬微重力環(huán)境進(jìn)行了研究。因此在地面模擬微重力環(huán)境是亟待解決的問題。

自1991年Schwarz和Wolf研發(fā)出了一種旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器[5]，生命空間實(shí)驗(yàn)在地面很快的展開。旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器是從回轉(zhuǎn)器到隨機(jī)指向裝置或三維回轉(zhuǎn)器的基礎(chǔ)上制造出來的，到現(xiàn)在的旋轉(zhuǎn)灌流式生物反應(yīng)器。隨著研究的需要，該地面模擬微重力環(huán)境的裝置也在不斷的完善。由于地面模擬微重力環(huán)境得以進(jìn)行，很多實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上展開，如研究蛋白質(zhì)晶體在微重力環(huán)境下的生長[6～8]，微重力環(huán)境裝置在細(xì)胞培養(yǎng)中的應(yīng)用[9～11]，以及組織工程的構(gòu)建等[12，13]。但是關(guān)于地面模擬流體流態(tài)的相關(guān)研究很少，因此限制了其在醫(yī)藥各領(lǐng)域的應(yīng)用。目前在微重力環(huán)境下模擬流體的運(yùn)動(dòng)也在研究的進(jìn)行中，但大多數(shù)試驗(yàn)都是借助于光學(xué)干涉以及圖像測速等技術(shù)[13，14]來進(jìn)行輔助測量。而且實(shí)驗(yàn)條件是否滿足微重力環(huán)境還有待進(jìn)一步考察。

實(shí)驗(yàn)選擇有顏色的VB12液滴在不同體積比的丙三醇和水的混合溶液中，通過模擬旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器，自制一種水平旋轉(zhuǎn)裝置，進(jìn)行了一次簡單的模擬和觀察。類比微重力環(huán)境在微生物細(xì)胞培養(yǎng)中的應(yīng)用進(jìn)展，首先通過簡單的旋轉(zhuǎn)裝置來探測要達(dá)到微重力環(huán)境所需要的前期準(zhǔn)備工作，為后續(xù)微重力環(huán)境中流體流態(tài)模擬奠定基礎(chǔ)。

2試驗(yàn)部分

2.1試劑與儀器

①試劑：丙三醇（化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），蒸餾水。

②儀器：自制旋轉(zhuǎn)裝置，玻璃管（內(nèi)徑12.16mm，外徑15.72mm），索尼數(shù)碼相機(jī)ILCE-6000（索尼（中國）有限公司），NDJ-5S數(shù)顯粘度計(jì)（上海衡平儀器儀表廠）。

2.2維生素B12在不同粘性流體中的運(yùn)動(dòng)

分別量取一定量的丙三醇，依次用蒸餾水稀釋至體積濃度為80%，50%和20%三份備用，并用粘度計(jì)測量相應(yīng)的粘度，配制一定濃度的維生素B12溶液備用，整個(gè)過程中，所用的VB12溶液相同。然后將上述100%，80%，50%，20%和0%體積的丙三醇混合溶液分別注入到特制的玻璃管中，然后密封，在旋轉(zhuǎn)的過程中用注射器注入一滴VB12溶液，觀察VB12溶液在各粘度流體中的運(yùn)動(dòng)軌跡。轉(zhuǎn)速設(shè)置范圍為15～25r/min和80～100r/min。

3流體模擬試驗(yàn)結(jié)果

從VB12溶液的液滴在不同粘性的丙三醇溶液中的運(yùn)行情況來看（表1），相同轉(zhuǎn)速下，隨著粘度的降低，紅色液滴在玻璃管中的擴(kuò)散速度加快；而在粘度相同的情況下，速度越低，液滴偏離水平軸中心越厲害。

圖1是液滴在純的丙三醇中運(yùn)動(dòng)的軌跡，a1、a2是在15～25r/min時(shí)的開始拍攝和旋轉(zhuǎn)5min時(shí)拍攝的圖片，圖2是在80～100r/min時(shí)在相同時(shí)間點(diǎn)拍攝的圖片。從圖2，圖3可以看出，液滴在純的丙三醇液體中擴(kuò)散的很慢，但是液滴在15～25r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)偏離軸中心的距離要比在80～100r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)偏離的距離要遠(yuǎn)。由于丙三醇在25℃時(shí)的粘度為842.5mPa.s，該粘度比較大，因此紅色液滴很難擴(kuò)散，最終是以液滴的形式沿軸向向前推進(jìn)。

圖3、圖4表示的是當(dāng)液體變成體積分?jǐn)?shù)為80%的丙三醇溶液時(shí)，液滴在低速和高速下的運(yùn)行情況。c1，c2，c3表示的是VB12液滴在15～25r/min開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)5min和10min后拍攝的圖片，d1，d2，d3表示的是在80～100r/min與低速下相對(duì)應(yīng)的時(shí)間拍攝的圖片。從圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為15～25r/min時(shí)，液滴幾乎瞬間就沿玻璃管壁以環(huán)形向前移動(dòng)，而在80～100r/min時(shí)，液滴有一定的擴(kuò)散面積，然后以這個(gè)擴(kuò)散面依次向前推進(jìn)，但該擴(kuò)散面并未接觸管壁。從粘度測定的結(jié)果來看，80%體積的比的丙三醇混合溶液的粘度要比純的丙三醇的粘度小很多。

圖5、圖6表示的是當(dāng)液體為體積分?jǐn)?shù)為50%的丙三醇溶液時(shí)，液滴在低速和高速下的運(yùn)行情況。e1、e2、e3表示的是液滴在15～25r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)開始和旋轉(zhuǎn)5min和10min拍攝的圖片；f1、f2、f3表示的是液滴在80～100r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與低速對(duì)應(yīng)時(shí)間拍攝的圖片。在低速時(shí)，液滴很快沿著管壁向前推進(jìn)，而在高速時(shí)，仍然以一定擴(kuò)散面積沿軸向方向推進(jìn)。

圖7、圖8表示的是當(dāng)液體為體積分?jǐn)?shù)為20%的丙三醇溶液時(shí)，液滴在低速和高速下的運(yùn)行情況。g1、g2、g3表示的是液滴在15～25r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)開始和旋轉(zhuǎn)5min和10min拍攝的圖片；h1、h2、h3表示的是液滴在80～100r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與低速對(duì)應(yīng)時(shí)間拍攝的圖片。在低速時(shí)，液滴很快沿著管壁向前推進(jìn)，而在高速時(shí)，仍然以一定擴(kuò)散面積沿軸向方向推進(jìn)。

圖9、圖10表示的是當(dāng)液體為蒸餾水時(shí)，液滴在低速和高速下的運(yùn)行情況。m1、m2、m3表示的是液滴在15～25r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)開始和旋轉(zhuǎn)5min和10min拍攝的圖片；n1、n2、n3表示的是液滴在80～100r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與低速對(duì)應(yīng)時(shí)間拍攝的圖片。從圖中可以看出，VB12液滴在蒸餾水中能夠很快的擴(kuò)散，但在低速下，最終仍然是沿管壁運(yùn)行，而在高速下，基本上擴(kuò)散于整個(gè)玻璃管中。

從圖3、5、7、9對(duì)比可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速在15～25r/min范圍時(shí)，隨著粘度的降低，擴(kuò)散的環(huán)向前推進(jìn)的速度越快；從圖4、6、8、10對(duì)比可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速在80～100r/min范圍時(shí)，隨著粘度的降低，其擴(kuò)散面積增大，而且向前推進(jìn)的速度也越快。

從流體模擬的實(shí)驗(yàn)可以看出，在15～25r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和一定的粘度情況下，液滴是沿玻璃壁運(yùn)行的；而在80～100r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)和一定的粘度情況下，液滴注入后是以擴(kuò)散面的形式沿軸向向前推進(jìn)。

4結(jié)論

通過模擬VB12溶液液滴在不同粘性的丙三醇溶液中的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)軌跡與所用液體的粘度以及轉(zhuǎn)速范圍有一定的關(guān)系。當(dāng)粘度低于體積分?jǐn)?shù)為80%的丙三醇溶液的粘度62.0mPa.s時(shí)，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)液滴基本上都是沿管壁向前推進(jìn)，而在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，液滴都是以一定的擴(kuò)散面向前推進(jìn)。

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