利用降膜流動(dòng)測(cè)量液體黏滯系數(shù)

周蘇羽 文小青 王槿 李文華 鄧志超 張思遙

摘 要 利用降膜流動(dòng)設(shè)計(jì)并搭建了測(cè)量液體黏滯系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)不可壓縮液體N-S方程，結(jié)合邊界條件建模。采取測(cè)量液膜表面速度的方法計(jì)算液膜厚度。測(cè)量了蓖麻油不同流量下的黏滯系數(shù)，傾斜板在不同傾角下，黏滯系數(shù)測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確的流量區(qū)間基本相同，相對(duì)誤差在8%以下。分析了裝置的適用條件和誤差來(lái)源。并用全內(nèi)反射法進(jìn)行了液膜厚度對(duì)比驗(yàn)證。該研究豐富了測(cè)量液體黏滯系數(shù)的教學(xué)內(nèi)容和方法，有助于學(xué)生掌握流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，提高綜合設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞 降膜流動(dòng);黏滯系數(shù);液膜厚度;表面速度;全內(nèi)反射

自然界中常見(jiàn)的流體（氣體、液體）都具有黏性，流體的黏性是流體分子微觀作用的宏觀表現(xiàn)。

對(duì)于液體，由于分子引力作用，流動(dòng)快的分子力圖拉著流動(dòng)慢的分子前進(jìn)，流動(dòng)慢的分子則將流動(dòng)快的分子向后拽，分子間的這種力圖減小速度差的作用力稱為內(nèi)摩擦力或黏性力，宏觀上使流體呈現(xiàn)出黏性[1]。衡量流體黏性大小的物理量是黏滯系數(shù)，目前各高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用落球法、毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法等測(cè)量液體黏滯系數(shù)[2]。

液體在自身重力作用下，液體沿壁面流下，在壁面上形成一層很薄的液膜，這樣的流動(dòng)叫做降膜流動(dòng)[3]。早在上世紀(jì)初，對(duì)重力作用主導(dǎo)下的液體薄膜流動(dòng)的研究便已成果頗豐。最早的降膜理論一般認(rèn)為是 Nusselt于1916年提出的經(jīng)典理論[4]，該理論通過(guò)假設(shè)液膜氣液界面無(wú)剪切力且平整、流體密度不變、不存在熱傳遞這幾個(gè)條件建立了層流下液膜降膜模型。降膜流動(dòng)可應(yīng)用于傳熱實(shí)驗(yàn)研究，本文利用降膜流動(dòng)測(cè)量液體的黏滯系數(shù)。