论文部分内容阅读
摘要：旋转液体综合试验仪由于其设计结构以及组成特点，在流体静力学中研究旋转运动容器内液体相对平衡等相关问题有着独特优势。结合国内外学者的研究报道，综述了旋转液体综合匀角速度旋转试验的使用情况，讨论了旋转液体综合试验仪的测量原理，简述了目前实验室应用的旋转液体综合试验仪存在的缺点，在此基础上进行了总结和展望。
关键词：旋转液体；改进；重力加速度；液面高度
引言
旋转液体综合实验是大学实验中具有代表性的研究性实验之一。现有的试验仪具有操作简单、现象明显和体积小等特点。这套试验仪可以研究抛物面参数与重力加速度关系，测量重力加速度，研究液面凹面镜成像与转速的关系，同时可对凹面镜焦距的变化情况展开研究，另外还可测量液体的粘滞系数。借助旋转液体综合试验仪进行特性研究实验是高校大学物理实验中经典实验项目；如果把旋转液体的自由液面作为一个光学系统加以研究，还可测定液体折射率[1]。
目前相关旋转液面装置存在特征点高度测量不准、平面镜对激光束反射的光点打在抛物液面与圆柱容器侧壁的交线上的稳定性差、不易观察及影响角速度的测量等问题。霍中生[2]通过教学研究发现，学生利用该装置测出的重力加速度误差大，仪器精度不高；高严[3]等发现肉眼看旋转液体最凹面和最高处对应的刻度线时，手动调节读数网格没有校对方式且旋转后上下边界不会十分清晰；袁野[4]发现实验装置存在计时和位置测量方面不够精确的问题。
本文将综述现有旋转液体试验仪的发展现状，并在此基础上对现有试验仪提出改进措施，并采用该装置研究旋转液体的参数对密闭容器顶盖的压力的影响，进一步丰富和拓展试验仪的用途。
1旋转液体测量重力加速度的工作原理
圆桶以恒定转速绕其中心轴旋转，液体和圆桶一起做等角速度旋转运动，形成一个漏斗形旋转面。这是由于在液体粘性的效用下，液体与圆桶内壁接触的边缘层最先被带动旋转，随着时间的积累，液体层逐渐向中心扩展，最终形成漏斗形状的旋转抛物面。
常光福[5]等分析发现作用在液体上的力，满足如下方程
（1）
经过变换，得到高度差△z与转速w，满足如下关系
（2）
因此，直接测量△z和r的值，就能利用公式计算出重力加速度的值。
2 旋转液体试验仪研究
包弈靓[6] 设计了一套装置，包括圆形转盘、杯、电动机、半导体激光器、坐标方格屏幕和秒表。通过改变输出电压值调节液体转动的角速度。半导体激光器用来研究焦距与角速度之间的关系，屏幕用来观察像的变化。随着屏幕高度的上升，反射光的成像越来越小，最终成为一个小光点。常广福的装置通过采用彩色液体进入开有小孔的锥尖，来测量液面的高度。浸入锥尖的液体截面半径越小，所测数据越精确。
王爱芳[7]增加了两个半导体激光器解决了对旋转试验仪自由液面特征点高度测量不准和反射点位置判断不清的问题。利用非透明接收屏，准确判断反射点位置。在计算重力加速度的过程中利用激光的反射和折射原理精确测量旋转液体的高度差，主要通过目测或读取激光功率计的读数进行判断或通过图像分析激光亮度获得。增加摄像头采集激光器及处理器，经过数字图像处理后得到不同高度的激光强度来判断高度差。
旋转液体综合试验仪的关键点是高度差的测量。上述学者提出利用激光器观察实验现象读取高度差，相较于利用彩色液体读取高度差，减少了人为误差，提高了实验精度。但是，在此实验中我们需要采集多组数据，由于长时间注视激光器对眼睛有很大伤害，观察时需佩戴护目镜。通过观察和研究，试验仪装置稳定后，自由液面形状没有变化，用锥尖破坏液面，会有水花溅起，利用这一现象我们可以进一步改进现有装置。
3旋转液体综合试验仪压力测量
研究密闭容器顶盖压力是否随圆桶转速改变发生相应变化，以及变化密闭容器对旋转液体自由液面形状的影响。通过在密闭容器上增加压力传感器和压力接收装置，可以分析其影响。敞开杯子中，旋转液体内任一点的压强等于液面上的静压强与液体的重度和淹没点深度的乘积。目前国内对于密闭容器顶盖压力的研究还不是很多，研究压力影响及密闭环境下液体自由液面的形状，可以拓展综合试验仪研究内容和范围，进一步扩大旋转综合试验仪的用途。
4结论与展望
旋转液体试验仪具有良好的应用前景和市场价值，经过改造和完善后，利用该试验仪研究的内容更加广泛，更加容易引發学生的探索精神和对试验仪的开发和利用。
研究旋转液体密闭试验仪顶盖压力随角速度的变化情况，进一步可以模拟出运输过程中装有液体的罐车，液体对四周罐壁的冲击力大小，进而可以对罐壁的材料进行改进，为罐车运输安全提供一定的保障。
参考文献
[1]陈红雨. 旋转液体综合实验设计[J]. 大学物理，2007，26（1）：29-33.
[2]霍中生，祖小涛，陈群宇，et al. 旋转液体特性实验的改进[J]. 实验科学与技术，2009，7（3）：46-48.
[3]高严，范凯，王爱军，et al. 利用旋转液体特性测量液体折射率[J]. 物理实验，2007，27（7）.
[4]袁野，晏湖根，陆申龙，et al. 旋转液体实验装置的设计[J]. 物理实验，2004，24（2）：43-46
[5]包弈靓，黄吉，陆申龙. 新型旋转液体实验—介绍一个研究性物理实验[J]. 大学物理，2003，22（2）：27-27.
[6]常光福，陈云富，方俊俊，et al. 旋转容器内流体模型验证实验设计[J]. 力学与实践，2007（4）：81-82.
[7]王爱芳，刘芬，张艺，et al. RL-1型旋转液体特性研究实验的改进方法[J]. 大学物理实验，2013（3）：28-31.
（作者单位：中国石油大学（华东）机电工程学院）
关键词：旋转液体；改进；重力加速度；液面高度
引言
旋转液体综合实验是大学实验中具有代表性的研究性实验之一。现有的试验仪具有操作简单、现象明显和体积小等特点。这套试验仪可以研究抛物面参数与重力加速度关系，测量重力加速度，研究液面凹面镜成像与转速的关系，同时可对凹面镜焦距的变化情况展开研究，另外还可测量液体的粘滞系数。借助旋转液体综合试验仪进行特性研究实验是高校大学物理实验中经典实验项目；如果把旋转液体的自由液面作为一个光学系统加以研究，还可测定液体折射率[1]。
目前相关旋转液面装置存在特征点高度测量不准、平面镜对激光束反射的光点打在抛物液面与圆柱容器侧壁的交线上的稳定性差、不易观察及影响角速度的测量等问题。霍中生[2]通过教学研究发现，学生利用该装置测出的重力加速度误差大，仪器精度不高；高严[3]等发现肉眼看旋转液体最凹面和最高处对应的刻度线时，手动调节读数网格没有校对方式且旋转后上下边界不会十分清晰；袁野[4]发现实验装置存在计时和位置测量方面不够精确的问题。
本文将综述现有旋转液体试验仪的发展现状，并在此基础上对现有试验仪提出改进措施，并采用该装置研究旋转液体的参数对密闭容器顶盖的压力的影响，进一步丰富和拓展试验仪的用途。
1旋转液体测量重力加速度的工作原理
圆桶以恒定转速绕其中心轴旋转，液体和圆桶一起做等角速度旋转运动，形成一个漏斗形旋转面。这是由于在液体粘性的效用下，液体与圆桶内壁接触的边缘层最先被带动旋转，随着时间的积累，液体层逐渐向中心扩展，最终形成漏斗形状的旋转抛物面。
常光福[5]等分析发现作用在液体上的力，满足如下方程
（1）
经过变换，得到高度差△z与转速w，满足如下关系
（2）
因此，直接测量△z和r的值，就能利用公式计算出重力加速度的值。
2 旋转液体试验仪研究
包弈靓[6] 设计了一套装置，包括圆形转盘、杯、电动机、半导体激光器、坐标方格屏幕和秒表。通过改变输出电压值调节液体转动的角速度。半导体激光器用来研究焦距与角速度之间的关系，屏幕用来观察像的变化。随着屏幕高度的上升，反射光的成像越来越小，最终成为一个小光点。常广福的装置通过采用彩色液体进入开有小孔的锥尖，来测量液面的高度。浸入锥尖的液体截面半径越小，所测数据越精确。
王爱芳[7]增加了两个半导体激光器解决了对旋转试验仪自由液面特征点高度测量不准和反射点位置判断不清的问题。利用非透明接收屏，准确判断反射点位置。在计算重力加速度的过程中利用激光的反射和折射原理精确测量旋转液体的高度差，主要通过目测或读取激光功率计的读数进行判断或通过图像分析激光亮度获得。增加摄像头采集激光器及处理器，经过数字图像处理后得到不同高度的激光强度来判断高度差。
旋转液体综合试验仪的关键点是高度差的测量。上述学者提出利用激光器观察实验现象读取高度差，相较于利用彩色液体读取高度差，减少了人为误差，提高了实验精度。但是，在此实验中我们需要采集多组数据，由于长时间注视激光器对眼睛有很大伤害，观察时需佩戴护目镜。通过观察和研究，试验仪装置稳定后，自由液面形状没有变化，用锥尖破坏液面，会有水花溅起，利用这一现象我们可以进一步改进现有装置。
3旋转液体综合试验仪压力测量
研究密闭容器顶盖压力是否随圆桶转速改变发生相应变化，以及变化密闭容器对旋转液体自由液面形状的影响。通过在密闭容器上增加压力传感器和压力接收装置，可以分析其影响。敞开杯子中，旋转液体内任一点的压强等于液面上的静压强与液体的重度和淹没点深度的乘积。目前国内对于密闭容器顶盖压力的研究还不是很多，研究压力影响及密闭环境下液体自由液面的形状，可以拓展综合试验仪研究内容和范围，进一步扩大旋转综合试验仪的用途。
4结论与展望
旋转液体试验仪具有良好的应用前景和市场价值，经过改造和完善后，利用该试验仪研究的内容更加广泛，更加容易引發学生的探索精神和对试验仪的开发和利用。
研究旋转液体密闭试验仪顶盖压力随角速度的变化情况，进一步可以模拟出运输过程中装有液体的罐车，液体对四周罐壁的冲击力大小，进而可以对罐壁的材料进行改进，为罐车运输安全提供一定的保障。
参考文献
[1]陈红雨. 旋转液体综合实验设计[J]. 大学物理，2007，26（1）：29-33.
[2]霍中生，祖小涛，陈群宇，et al. 旋转液体特性实验的改进[J]. 实验科学与技术，2009，7（3）：46-48.
[3]高严，范凯，王爱军，et al. 利用旋转液体特性测量液体折射率[J]. 物理实验，2007，27（7）.
[4]袁野，晏湖根，陆申龙，et al. 旋转液体实验装置的设计[J]. 物理实验，2004，24（2）：43-46
[5]包弈靓，黄吉，陆申龙. 新型旋转液体实验—介绍一个研究性物理实验[J]. 大学物理，2003，22（2）：27-27.
[6]常光福，陈云富，方俊俊，et al. 旋转容器内流体模型验证实验设计[J]. 力学与实践，2007（4）：81-82.
[7]王爱芳，刘芬，张艺，et al. RL-1型旋转液体特性研究实验的改进方法[J]. 大学物理实验，2013（3）：28-31.
（作者单位：中国石油大学（华东）机电工程学院）