基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

韓 陽， 王 于， 郭春雨， 王 超， 孫 聰

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱可以應(yīng)用在很多工程領(lǐng)域，特別是在風(fēng)力發(fā)電、推進(jìn)、船舶減搖等方面。本文設(shè)計(jì)了一種基于Magnus 效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是如何激發(fā)學(xué)生對(duì)基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，并且理解抽象的理論知識(shí)，將理論知識(shí)更好的應(yīng)用到工程實(shí)踐中。基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)通過對(duì)不同形式的圓柱模型進(jìn)行受力研究，分析了圓柱長徑比、圓柱表面形狀、來流速度、轉(zhuǎn)速比、不同表面形狀等因素對(duì)旋轉(zhuǎn)圓柱產(chǎn)生升阻力的影響，將影響基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱升阻力特性的因素形象具體的向?qū)W生展示出來，使學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來更好的理解學(xué)習(xí)理論知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生們參與實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)其實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，并且在實(shí)驗(yàn)過程中可以鍛煉學(xué)生的合作意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，提高學(xué)生的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，為社會(huì)發(fā)展培養(yǎng)優(yōu)秀的全方位人才［1-4］。

1 Magnus效應(yīng)

早在17 世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的圓柱或圓球會(huì)因?yàn)樾D(zhuǎn)而產(chǎn)生軌跡偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，包括旋轉(zhuǎn)足球、網(wǎng)球、乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡以及步槍子彈軌跡的偏差等。Magnus 在1852 年詳細(xì)描述了這一現(xiàn)象并且解釋了旋轉(zhuǎn)物體會(huì)軌跡偏轉(zhuǎn)的原因，最后將這一現(xiàn)象命名為Magnus 效應(yīng)，見圖1。Magnus效應(yīng)產(chǎn)生的原因就是物體在流體中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)物體一側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向與來流方向相同時(shí)，這一側(cè)的流體流速就會(huì)加快；當(dāng)物體一側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向與來流方向相反時(shí)，這一側(cè)的流體流速就會(huì)減小。根據(jù)伯努利方程可知速度增大時(shí)壓強(qiáng)減小，速度減小時(shí)壓強(qiáng)增大，旋轉(zhuǎn)物體會(huì)因?yàn)閮蓚?cè)流體速度不同而產(chǎn)生一個(gè)和來流不同方向的壓力差，這一壓力差也叫Magnus力，物體軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)正是由這一壓力差因引起的。為了使學(xué)生更好地理解學(xué)習(xí)Magnus效應(yīng)，為未來解決工程問題奠定良好的基礎(chǔ)，基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是必不可少的［5-8］。

根據(jù)前面的招聘分析可知，圖情專業(yè)畢業(yè)生一般進(jìn)入傳統(tǒng)業(yè)務(wù)、學(xué)科服務(wù)以及閱讀推廣三種崗位。對(duì)圖情專業(yè)畢業(yè)生而言，傳統(tǒng)崗位經(jīng)過大學(xué)本科的學(xué)習(xí)基本可以勝任，而后兩種崗位還需要進(jìn)行入職培訓(xùn)、繼續(xù)教育、輪崗輪訓(xùn)等才可以勝任。例如，北京大學(xué)圖書館以實(shí)體機(jī)構(gòu)部門與跨部門工作小組相結(jié)合為基本模式。年輕館員除主崗?fù)猓€要確定一個(gè)或多個(gè)副崗，促進(jìn)其成為復(fù)合型人才［17］。這樣的人力資源結(jié)構(gòu)對(duì)圖情專業(yè)畢業(yè)生提出了更高的要求，因此圖情專業(yè)學(xué)生要加強(qiáng)核心競爭力，學(xué)習(xí)跨學(xué)科課程。

圖1 Magnus效應(yīng)

2 Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱

基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱在風(fēng)力發(fā)電、推進(jìn)、船舶減搖等方面有很重要的作用。特別是船舶減搖方面，船舶在航行過程中由于受到波浪的影響會(huì)產(chǎn)生橫搖，船舶橫搖會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，側(cè)傾運(yùn)動(dòng)會(huì)增大航行阻力，影響船舶航行的安全性和船員工作的舒適性，因此減搖裝置在船舶設(shè)計(jì)中是必不可少的，而基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱減搖裝置結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，制造成本較低，并且在低航速和零航速條件下減搖效果顯著，未來可廣泛應(yīng)用于各種船舶減搖。基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱減搖裝置的原理是在船舶兩側(cè)底部安裝旋轉(zhuǎn)圓柱（見圖2），圓柱旋轉(zhuǎn)方向和來流方向相同的一側(cè)，來流的速度增大，壓強(qiáng)減??；圓柱旋轉(zhuǎn)方向和來流方向相反的一側(cè)，來流的速度減小，壓強(qiáng)增大，會(huì)產(chǎn)生壓力差，從而產(chǎn)生升力，船舶左右兩個(gè)圓柱旋轉(zhuǎn)方向不同，分別產(chǎn)生向上和向下的力，產(chǎn)生一個(gè)和船舶橫搖力矩方向相反的力矩，從而達(dá)到減搖效果［9］。杜雪［10］對(duì)基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱減搖裝置的水動(dòng)力特性進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明在低航速下該裝置具有良好的減搖效果。但該研究距形成產(chǎn)品具有較大的距離，所以設(shè)計(jì)基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)來提升相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究是非常有必要的［11-14］。

圖2 基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱減搖裝置（來源：https：／ ／ quantumstabilizers． com）

3 Magnus效應(yīng)旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸r

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪侵睆?． 036 m的長徑比（圓柱長度和直徑之比）不同圓柱，如圖3 所示，從左往右長徑比依次為3、5、9。

圖3 不同長徑比實(shí)驗(yàn)圓柱模型

3.2.1 流場結(jié)構(gòu)

3.2.3 圓柱連接裝置

圖4 實(shí)驗(yàn)圓柱模型

動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀相關(guān)參數(shù)如下。類型：JM5940 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀；電壓：36 V；基本誤差：不大于測量值的± 0． 2%；抗干擾性：在強(qiáng)電火花（或強(qiáng)工頻）干擾下正常工作須有良好接地。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖4 是不同表面形狀的實(shí)驗(yàn)圓柱模型，從左往右依次是光滑圓柱、方凸圓柱、凸點(diǎn)圓柱、圓凸圓柱、螺紋圓柱、截錐圓柱。

圖6 是旋轉(zhuǎn)圓柱連接裝置圖，包括2 個(gè)200 N 的天平（分別測量升力和阻力），天平的上端連接固定在循環(huán)水池上的橫梁，下端固定在鋼板上，電動(dòng)機(jī)固定在鋼板上，旋轉(zhuǎn)圓柱通過聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)連接在一起，圓柱上端和水面接觸的地方有一塊處理過的鐵皮，能夠減少水面興波對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)工況表

圖5 循環(huán)水池

基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)不同長徑比、不同表面形狀的圓柱模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況見表1。

不論是冷害還是凍害，葡萄的受害程度除了和當(dāng)時(shí)的溫度下降幅度有關(guān)以外，還和葡萄自身的健康水平、所處的生長狀態(tài)及其生長位置有關(guān)。越是衰弱的植株，受凍后受到的傷害越大；越是處于生長順暢階段的植株或器官，受傷越嚴(yán)重；處于坡底部的植株會(huì)比處于坡頂端的植株受傷更重，處于坡中部的植株往往受傷最輕。

圓柱繞流實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)三甲實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水池中進(jìn)行的，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖5。循環(huán)水池試驗(yàn)段為矩形截面，尺寸為1． 7 m（寬）× 1． 5 m（高），流速由計(jì)算機(jī)控制，范圍為0 ～3 m／ s。400 W，額定電壓200 V，額定電流2． 8 A，最大轉(zhuǎn)速3 000 r／ min。

Optimal Design of Car/Passenger Ferry with Car Decks for 22 Vehicles……………YU Shengtang, WANG Dan(1·17)

圖6 旋轉(zhuǎn)圓柱連接裝置

3.3 實(shí)驗(yàn)流程

基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)的流程包括以下幾個(gè)步驟：①旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備；② 連接旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)裝置；③對(duì)旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行標(biāo)定，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；④通過計(jì)算機(jī)調(diào)速器來調(diào)節(jié)循環(huán)水池的流速；⑤待流速穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)圓柱的轉(zhuǎn)速；⑥ 用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀采集數(shù)據(jù)；⑦讀取平穩(wěn)段的數(shù)據(jù)并記錄；⑧分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

4．語料庫設(shè)計(jì)須遵循開放性原則。敦煌文獻(xiàn)多模態(tài)語料庫應(yīng)該是一個(gè)開放的資源平臺(tái)，它可以與其他系統(tǒng)、軟件關(guān)聯(lián)和配合，并可由其他軟件對(duì)其進(jìn)行修改、升級(jí)、組裝［6］4-5。因此應(yīng)采用國際統(tǒng)一的編碼體系和通用置標(biāo)語言。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，最終分析得出影響基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱升阻力特性的因素。圖7是在來流速度v ＝0． 694 m／ s 時(shí)不同長徑比旋轉(zhuǎn)圓柱的升阻比隨轉(zhuǎn)速比的變化情況。由圖7 可以看出，升阻比隨著圓柱長徑比的增大而增大，這是因?yàn)殡S著長徑比的增大，旋轉(zhuǎn)圓柱受力的有效段增加，隨著受力有效段的增大，升力增加的幅值比阻力增加的多，所以升阻比會(huì)增大。另外從圖7 還可以看出，隨著轉(zhuǎn)速比的增大，圓柱升阻比先增大，在轉(zhuǎn)速比為2 時(shí)，升阻比達(dá)到最大值，之后又逐漸下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速比在1 ～2 時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速比增加，圓柱旋轉(zhuǎn)方向和來流方向相同一側(cè)的圓柱表面邊界層流速增加，分離點(diǎn)向后移動(dòng)，圓柱旋轉(zhuǎn)方向和來流方向相反一側(cè)的圓柱表面邊界層流速減小，分離點(diǎn)向前移動(dòng)，分離渦變小，圓柱兩側(cè)的壓力差變大，從而升力的增大幅值大于阻力的增大幅值；當(dāng)轉(zhuǎn)速比在2 ～3 時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速比增加，圓柱旋轉(zhuǎn)速度對(duì)升力的影響變小，升力的增大幅值小于阻力的增大幅值，所以隨著轉(zhuǎn)速比的增大升阻比會(huì)先增大后減小。不同長徑比的旋轉(zhuǎn)圓柱變化趨勢(shì)是相同的，這一點(diǎn)也驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。通過此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以形象準(zhǔn)確的展現(xiàn)影響旋轉(zhuǎn)圓柱升阻力特性的因素，能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將理論和實(shí)踐相結(jié)合，不僅能夠提高學(xué)習(xí)效率，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

圖7 v ＝0． 694 m／ s，L／ D ＝5、7、9，升阻比隨轉(zhuǎn)速比的變化趨勢(shì)

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)是一套基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠準(zhǔn)確形象地演示影響旋轉(zhuǎn)圓柱升阻力特性的因素，使學(xué)生能夠簡單快速地了解基于Magnus效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圓柱的本質(zhì)，在理解理論的基礎(chǔ)上，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，使其全方面發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心要素之一，只有與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，才能夠更加激發(fā)學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的積極性，在提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)待科研的嚴(yán)謹(jǐn)性［15］。該平臺(tái)具有綜合性，不僅僅適用于旋轉(zhuǎn)圓柱，也可以模擬其他模型如螺旋槳、船模、減搖鰭、舵等的受力情況。