基于落球法的液體黏滯系數測量實驗研究

李蘭蘭　田月　劉小影　李旺　余盼盼　周瑩

關鍵詞：落球法;蓖麻油;黏滯系數

液體黏滯系數是流體力學、材料科學和工程技術中常用的描述液體內部摩擦特性的重要參數，主要反映液體內部存在相對運動時對液體運動的阻礙程度，被廣泛用于工業生產、醫療衛生、機械工程裝備研發等領域。液體黏滯系數的測量方法主要有毛細管法、扭擺法、升球法、落球法、旋轉法和落針法等[1-7]。南京航空航天大學的研究者利用電磁感應開關，設計出一款新型液體黏滯系數測量裝置，在保證數據測量準確的基礎上，降低了實驗操作過程中設備調節的難度和維護設備的工作量[8]。某研究小組通過對傳統落球法液體黏滯系數測量設備存在的諸多問題進行梳理和分析，自主開發了基于電磁鐵吸附小球原理的黏滯系數測量設備，有效消除了測量過程中工作環境對液體的污染，實現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上，依據液體在容器中的流動規律，設計了一種新的液體黏滯系數測量方法，實現了對液體黏滯系數的高精度和高效率測量。本實驗利用變溫黏滯系數測量實驗裝置，基于落球法實驗原理，對蓖麻油的黏滯系數進行了測量，研究了不同小球直徑、不同液體溫度對蓖麻油黏滯系數測量結果的影響。

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、黏滯系數為η的蓖麻油裝入毛細管，當質量為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實驗結果和討論

2.1小球直徑對蓖麻油黏滯系數的影響

實驗中通過變溫黏滯系數測量實驗裝置，將蓖麻油液體溫度穩定在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測量30次，取平均值，利用公式（5）計算出蓖麻油的黏滯系數，實驗結果如圖1所示。

由圖1可以發現，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也不斷增大。造成這種現象的主要原因是隨著小球直徑逐漸增加，雷諾數也越來越大，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，使測得的黏滯系數逐漸增加。

2.2溫度對蓖麻油黏滯系數的影響

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

由圖2可以發現，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隨著溫度的升高呈現逐漸減小的趨勢，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，使測量的黏滯系數也逐漸減小。

3結語

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的影響，并對產生這種現象的原因進行了分析，為進一步研究液體黏滯系數奠定了基礎。9A95A079-D53B-4EB5-B0A8-A15253804D1C