水平旋轉下流體流態探究

熊小翠+張瑞連+胡蓉蓉+馬文婷+肖新才+黃先菊

摘要：受到微重力環境在生命科學應用中的啟發，通過水平旋轉裝置，在旋轉條件下，模擬了流體的運動，探究了流態。研究結果表明：選擇了便于觀察的紅色液滴，發現紅色液滴的運行軌跡與所用流體的粘度及旋轉速度有關。在相同轉速范圍內，粘度越小，紅色液滴的擴散環或擴散面積越大；粘度相同的情況下，在15～25r/min時，紅色液滴以環狀模式沿管壁運行，在80～100r/min時，紅色液滴是以一定的擴散面運行。

關鍵詞：旋轉；微重力環境；液體粘度

中圖分類號：TB324

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2016）22-0144-03

1引言

近30年來航空航天技術在我國逐漸取得越來越多的成就，但航空內環境對航空工作者在身體上造成了一些不利的影響，該影響引起了科學家們的廣泛關注，因此生命空間科學得到了迅速的發展。在航天器內，其重力加速度低于10-6g0（g0為地面重力加速度），并將其稱為微重力環境[1]。隨著對微重力認識的深入，王景濤[2]闡述了微重力和微重力環境概念性問題，并認為可以通過一種等效原理來創造實驗所需的微重力環境并對該環境加以利用。而常用來獲得微重力環境的方法有落塔、落管、飛機、火箭和軌道飛行[3]，但其不足點為微重力維持的時間短，而且工程比較大，實驗操作上不方便。同樣龍勉[4]也對微重力及微重力效應的概念進行了闡述，以及對在地面能否模擬微重力環境進行了研究。因此在地面模擬微重力環境是亟待解決的問題。

自1991年Schwarz和Wolf研發出了一種旋轉壁式生物反應器[5]，生命空間實驗在地面很快的展開。旋轉壁式生物反應器是從回轉器到隨機指向裝置或三維回轉器的基礎上制造出來的，到現在的旋轉灌流式生物反應器。隨著研究的需要，該地面模擬微重力環境的裝置也在不斷的完善。由于地面模擬微重力環境得以進行，很多實驗在此基礎上展開，如研究蛋白質晶體在微重力環境下的生長[6～8]，微重力環境裝置在細胞培養中的應用[9～11]，以及組織工程的構建等[12，13]。但是關于地面模擬流體流態的相關研究很少，因此限制了其在醫藥各領域的應用。目前在微重力環境下模擬流體的運動也在研究的進行中，但大多數試驗都是借助于光學干涉以及圖像測速等技術[13，14]來進行輔助測量。而且實驗條件是否滿足微重力環境還有待進一步考察。

實驗選擇有顏色的VB12液滴在不同體積比的丙三醇和水的混合溶液中，通過模擬旋轉壁式生物反應器，自制一種水平旋轉裝置，進行了一次簡單的模擬和觀察。類比微重力環境在微生物細胞培養中的應用進展，首先通過簡單的旋轉裝置來探測要達到微重力環境所需要的前期準備工作，為后續微重力環境中流體流態模擬奠定基礎。

2試驗部分

2.1試劑與儀器

①試劑：丙三醇（化學純，國藥集團化學試劑有限公司），蒸餾水。

②儀器：自制旋轉裝置，玻璃管（內徑12.16mm，外徑15.72mm），索尼數碼相機ILCE-6000（索尼（中國）有限公司），NDJ-5S數顯粘度計（上海衡平儀器儀表廠）。

2.2維生素B12在不同粘性流體中的運動

分別量取一定量的丙三醇，依次用蒸餾水稀釋至體積濃度為80%，50%和20%三份備用，并用粘度計測量相應的粘度，配制一定濃度的維生素B12溶液備用，整個過程中，所用的VB12溶液相同。然后將上述100%，80%，50%，20%和0%體積的丙三醇混合溶液分別注入到特制的玻璃管中，然后密封，在旋轉的過程中用注射器注入一滴VB12溶液，觀察VB12溶液在各粘度流體中的運動軌跡。轉速設置范圍為15～25r/min和80～100r/min。

3流體模擬試驗結果

從VB12溶液的液滴在不同粘性的丙三醇溶液中的運行情況來看（表1），相同轉速下，隨著粘度的降低，紅色液滴在玻璃管中的擴散速度加快；而在粘度相同的情況下，速度越低，液滴偏離水平軸中心越厲害。

圖1是液滴在純的丙三醇中運動的軌跡，a1、a2是在15～25r/min時的開始拍攝和旋轉5min時拍攝的圖片，圖2是在80～100r/min時在相同時間點拍攝的圖片。從圖2，圖3可以看出，液滴在純的丙三醇液體中擴散的很慢，但是液滴在15～25r/min轉速范圍內偏離軸中心的距離要比在80～100r/min轉速范圍內偏離的距離要遠。由于丙三醇在25℃時的粘度為842.5mPa.s，該粘度比較大，因此紅色液滴很難擴散，最終是以液滴的形式沿軸向向前推進。

圖3、圖4表示的是當液體變成體積分數為80%的丙三醇溶液時，液滴在低速和高速下的運行情況。c1，c2，c3表示的是VB12液滴在15～25r/min開始旋轉，旋轉5min和10min后拍攝的圖片，d1，d2，d3表示的是在80～100r/min與低速下相對應的時間拍攝的圖片。從圖中可以看出，當轉速為15～25r/min時，液滴幾乎瞬間就沿玻璃管壁以環形向前移動，而在80～100r/min時，液滴有一定的擴散面積，然后以這個擴散面依次向前推進，但該擴散面并未接觸管壁。從粘度測定的結果來看，80%體積的比的丙三醇混合溶液的粘度要比純的丙三醇的粘度小很多。

圖5、圖6表示的是當液體為體積分數為50%的丙三醇溶液時，液滴在低速和高速下的運行情況。e1、e2、e3表示的是液滴在15～25r/min轉速范圍內旋轉開始和旋轉5min和10min拍攝的圖片；f1、f2、f3表示的是液滴在80～100r/min轉速范圍內與低速對應時間拍攝的圖片。在低速時，液滴很快沿著管壁向前推進，而在高速時，仍然以一定擴散面積沿軸向方向推進。

圖7、圖8表示的是當液體為體積分數為20%的丙三醇溶液時，液滴在低速和高速下的運行情況。g1、g2、g3表示的是液滴在15～25r/min轉速范圍內旋轉開始和旋轉5min和10min拍攝的圖片；h1、h2、h3表示的是液滴在80～100r/min轉速范圍內與低速對應時間拍攝的圖片。在低速時，液滴很快沿著管壁向前推進，而在高速時，仍然以一定擴散面積沿軸向方向推進。

圖9、圖10表示的是當液體為蒸餾水時，液滴在低速和高速下的運行情況。m1、m2、m3表示的是液滴在15～25r/min轉速范圍內旋轉開始和旋轉5min和10min拍攝的圖片；n1、n2、n3表示的是液滴在80～100r/min轉速范圍內與低速對應時間拍攝的圖片。從圖中可以看出，VB12液滴在蒸餾水中能夠很快的擴散，但在低速下，最終仍然是沿管壁運行，而在高速下，基本上擴散于整個玻璃管中。

從圖3、5、7、9對比可以看出，當轉速在15～25r/min范圍時，隨著粘度的降低，擴散的環向前推進的速度越快；從圖4、6、8、10對比可以看出，當轉速在80～100r/min范圍時，隨著粘度的降低，其擴散面積增大，而且向前推進的速度也越快。

從流體模擬的實驗可以看出，在15～25r/min轉速范圍內和一定的粘度情況下，液滴是沿玻璃壁運行的；而在80～100r/min轉速范圍內和一定的粘度情況下，液滴注入后是以擴散面的形式沿軸向向前推進。

4結論

通過模擬VB12溶液液滴在不同粘性的丙三醇溶液中的運動，發現其運動軌跡與所用液體的粘度以及轉速范圍有一定的關系。當粘度低于體積分數為80%的丙三醇溶液的粘度62.0mPa.s時，在低轉速范圍內液滴基本上都是沿管壁向前推進，而在高轉速范圍內，液滴都是以一定的擴散面向前推進。

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