基于落球法的液體黏滯系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)研究

李蘭蘭　田月　劉小影　李旺　余盼盼　周瑩

關(guān)鍵詞：落球法;蓖麻油;黏滯系數(shù)

液體黏滯系數(shù)是流體力學(xué)、材料科學(xué)和工程技術(shù)中常用的描述液體內(nèi)部摩擦特性的重要參數(shù)，主要反映液體內(nèi)部存在相對運(yùn)動時對液體運(yùn)動的阻礙程度，被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、機(jī)械工程裝備研發(fā)等領(lǐng)域。液體黏滯系數(shù)的測量方法主要有毛細(xì)管法、扭擺法、升球法、落球法、旋轉(zhuǎn)法和落針法等[1-7]。南京航空航天大學(xué)的研究者利用電磁感應(yīng)開關(guān)，設(shè)計(jì)出一款新型液體黏滯系數(shù)測量裝置，在保證數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，降低了實(shí)驗(yàn)操作過程中設(shè)備調(diào)節(jié)的難度和維護(hù)設(shè)備的工作量[8]。某研究小組通過對傳統(tǒng)落球法液體黏滯系數(shù)測量設(shè)備存在的諸多問題進(jìn)行梳理和分析，自主開發(fā)了基于電磁鐵吸附小球原理的黏滯系數(shù)測量設(shè)備，有效消除了測量過程中工作環(huán)境對液體的污染，實(shí)現(xiàn)了對小球下落位置的精確控制，提高了實(shí)驗(yàn)的精確度[9]。馮朝嶺等[10]在奧氏黏滯計(jì)的基礎(chǔ)上，依據(jù)液體在容器中的流動規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種新的液體黏滯系數(shù)測量方法，實(shí)現(xiàn)了對液體黏滯系數(shù)的高精度和高效率測量。本實(shí)驗(yàn)利用變溫黏滯系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)裝置，基于落球法實(shí)驗(yàn)原理，對蓖麻油的黏滯系數(shù)進(jìn)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(shù)測量結(jié)果的影響。

1實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用的裝置主要有溫控實(shí)驗(yàn)儀、溫度計(jì)、直徑不同的小鋼珠、螺旋測微器、蓖麻油、秒表等。實(shí)驗(yàn)中，將密度為ρ、黏滯系數(shù)為η的蓖麻油裝入毛細(xì)管，當(dāng)質(zhì)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(jù)斯托克斯黏滯公式，當(dāng)小球的速度（v）較慢時，小球受到的黏滯力如式（1）所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1小球直徑對蓖麻油黏滯系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)中通過變溫黏滯系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)裝置，將蓖麻油液體溫度穩(wěn)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(nèi)做勻速直線運(yùn)動時下落的距離L設(shè)定為10cm，通過智能計(jì)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(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度，分別對同一直徑下小球下落次數(shù)測量30次，取平均值，利用公式（5）計(jì)算出蓖麻油的黏滯系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)也不斷增大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨著小球直徑逐漸增加，雷諾數(shù)也越來越大，同時小球在液體中運(yùn)動時會形成一定的渦流，導(dǎo)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(shù)逐漸增加。

2.2溫度對蓖麻油黏滯系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)選取的金屬小球直徑為2.5mm，可以通過變溫黏滯系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)裝置來研究蓖麻油黏滯系數(shù)在20～50℃的改變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，主要是因?yàn)殡S著液體溫度的升高，蓖麻油液體分子的熱運(yùn)動和分子之間的相互碰撞會加強(qiáng)，蓖麻油與小球之間的相互作用力會減弱，使小球運(yùn)動時間縮短，導(dǎo)致測量的蓖麻油黏滯系數(shù)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(shù)也逐漸減小。

3結(jié)語

基于落球法的實(shí)驗(yàn)原理，對金屬小球在蓖麻油中的運(yùn)動情況進(jìn)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(shù)的影響，并對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步研究液體黏滯系數(shù)奠定了基礎(chǔ)。9A95A079-D53B-4EB5-B0A8-A15253804D1C