旋轉液體綜合試驗儀研究進展

任美杰 李真真 史樂樂 杜偉

摘要：旋轉液體綜合試驗儀由于其設計結構以及組成特點，在流體靜力學中研究旋轉運動容器內液體相對平衡等相關問題有著獨特優勢。結合國內外學者的研究報道，綜述了旋轉液體綜合勻角速度旋轉試驗的使用情況，討論了旋轉液體綜合試驗儀的測量原理，簡述了目前實驗室應用的旋轉液體綜合試驗儀存在的缺點，在此基礎上進行了總結和展望。

關鍵詞：旋轉液體；改進；重力加速度；液面高度

引言

旋轉液體綜合實驗是大學實驗中具有代表性的研究性實驗之一。現有的試驗儀具有操作簡單、現象明顯和體積小等特點。這套試驗儀可以研究拋物面參數與重力加速度關系，測量重力加速度，研究液面凹面鏡成像與轉速的關系，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。借助旋轉液體綜合試驗儀進行特性研究實驗是高校大學物理實驗中經典實驗項目；如果把旋轉液體的自由液面作為一個光學系統加以研究，還可測定液體折射率[1]。

目前相關旋轉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壁的交線上的穩定性差、不易觀察及影響角速度的測量等問題。霍中生[2]通過教學研究發現，學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]等發現肉眼看旋轉液體最凹面和最高處對應的刻度線時，手動調節讀數網格沒有校對方式且旋轉后上下邊界不會十分清晰；袁野[4]發現實驗裝置存在計時和位置測量方面不夠精確的問題。

本文將綜述現有旋轉液體試驗儀的發展現狀，并在此基礎上對現有試驗儀提出改進措施，并采用該裝置研究旋轉液體的參數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旋轉液體測量重力加速度的工作原理

圓桶以恒定轉速繞其中心軸旋轉，液體和圓桶一起做等角速度旋轉運動，形成一個漏斗形旋轉面。這是由于在液體粘性的效用下，液體與圓桶內壁接觸的邊緣層最先被帶動旋轉，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拋物面。

常光福[5]等分析發現作用在液體上的力，滿足如下方程

（1）

經過變換，得到高度差△z與轉速w，滿足如下關系

（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 旋轉液體試驗儀研究

包弈靚[6] 設計了一套裝置，包括圓形轉盤、杯、電動機、半導體激光器、坐標方格屏幕和秒表。通過改變輸出電壓值調節液體轉動的角速度。半導體激光器用來研究焦距與角速度之間的關系，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，所測數據越精確。

王愛芳[7]增加了兩個半導體激光器解決了對旋轉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液體的高度差，主要通過目測或讀取激光功率計的讀數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，經過數字圖像處理后得到不同高度的激光強度來判斷高度差。

旋轉液體綜合試驗儀的關鍵點是高度差的測量。上述學者提出利用激光器觀察實驗現象讀取高度差，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據，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，利用這一現象我們可以進一步改進現有裝置。

3旋轉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速改變發生相應變化，以及變化密閉容器對旋轉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，旋轉液體內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境下液體自由液面的形狀，可以拓展綜合試驗儀研究內容和范圍，進一步擴大旋轉綜合試驗儀的用途。

4結論與展望

旋轉液體試驗儀具有良好的應用前景和市場價值，經過改造和完善后，利用該試驗儀研究的內容更加廣泛，更加容易引發學生的探索精神和對試驗儀的開發和利用。

研究旋轉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. 旋轉液體綜合實驗設計[J]. 大學物理，2007，26（1）：29-33.

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

[3]高嚴，范凱，王愛軍，et al. 利用旋轉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. 旋轉液體實驗裝置的設計[J]. 物理實驗，2004，24（2）：43-46

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

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

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

（作者單位：中國石油大學（華東）機電工程學院）