基于落球法的液体黏滞系数测量实验研究

李兰兰　田月　刘小影　李旺　余盼盼　周莹

关键词：落球法;蓖麻油;黏滞系数

液体黏滞系数是流体力学、材料科学和工程技术中常用的描述液体内部摩擦特性的重要参数，主要反映液体内部存在相对运动时对液体运动的阻碍程度，被广泛用于工业生产、医疗卫生、机械工程装备研发等领域。液体黏滞系数的测量方法主要有毛细管法、扭摆法、升球法、落球法、旋转法和落针法等[1-7]。南京航空航天大学的研究者利用电磁感应开关，设计出一款新型液体黏滞系数测量装置，在保证数据测量准确的基础上，降低了实验操作过程中设备调节的难度和维护设备的工作量[8]。某研究小组通过对传统落球法液体黏滞系数测量设备存在的诸多问题进行梳理和分析，自主开发了基于电磁铁吸附小球原理的黏滞系数测量设备，有效消除了测量过程中工作环境对液体的污染，实现了对小球下落位置的精确控制，提高了实验的精确度[9]。冯朝岭等[10]在奥氏黏滞计的基础上，依据液体在容器中的流动规律，设计了一种新的液体黏滞系数测量方法，实现了对液体黏滞系数的高精度和高效率测量。本实验利用变温黏滞系数测量实验装置，基于落球法实验原理，对蓖麻油的黏滞系数进行了测量，研究了不同小球直径、不同液体温度对蓖麻油黏滞系数测量结果的影响。

1实验原理

本实验采用的装置主要有温控实验仪、温度计、直径不同的小钢珠、螺旋测微器、蓖麻油、秒表等。实验中，将密度为ρ、黏滞系数为η的蓖麻油装入毛细管，当质量为m、直径为d的金属小球在静止的待测液体顶部下落时，将同时受到重力mg、浮力ρgv和黏滞力F的作用。根据斯托克斯黏滞公式，当小球的速度（v）较慢时，小球受到的黏滞力如式（1）所示。

2实验结果和讨论

2.1小球直径对蓖麻油黏滞系数的影响

实验中通过变温黏滞系数测量实验装置，将蓖麻油液体温度稳定在32℃，选取的待测金属小球直径分别为1.0、1.5、2.0、2.5和3.0mm，将金属小球在液体管内做匀速直线运动时下落的距离L設定为10cm，通过智能计时器来记录小球在蓖麻油液体中下落的时间t。为了减小实验误差，提高实验精度，分别对同一直径下小球下落次数测量30次，取平均值，利用公式（5）计算出蓖麻油的黏滞系数，实验结果如图1所示。

由图1可以发现，在蓖麻油液体温度为32℃时，随着金属小球的直径d从1.0mm逐渐增至3.0mm，所测得的液体黏滞系数也不断增大。造成这种现象的主要原因是随着小球直径逐渐增加，雷诺数也越来越大，同时小球在液体中运动时会形成一定的涡流，导致小球在液体中受到的阻力增大，速度变慢，使测得的黏滞系数逐渐增加。

2.2温度对蓖麻油黏滞系数的影响

实验选取的金属小球直径为2.5mm，可以通过变温黏滞系数测量实验装置来研究蓖麻油黏滞系数在20～50℃的改变，实验结果如图2所示。

由图2可以发现，蓖麻油的温度从20℃逐渐增至50℃的过程中，蓖麻油液体的黏滞系数随着温度的升高呈现逐渐减小的趋势，主要是因为随着液体温度的升高，蓖麻油液体分子的热运动和分子之间的相互碰撞会加强，蓖麻油与小球之间的相互作用力会减弱，使小球运动时间缩短，导致测量的蓖麻油黏滞系数减小。同时，随着温度升高，蓖麻油的密度会逐渐减小，使测量的黏滞系数也逐渐减小。

3结语

基于落球法的实验原理，对金属小球在蓖麻油中的运动情况进行了分析，分别探究了小球直径、蓖麻油温度对蓖麻油黏滞系数的影响，并对产生这种现象的原因进行了分析，为进一步研究液体黏滞系数奠定了基础。9A95A079-D53B-4EB5-B0A8-A15253804D1C