梁法庫(kù),梁 帥,張 玲,王元慶

(1.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院物理系,黑龍江齊齊哈爾161006;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040;3.長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130022)

對(duì)葡萄糖水-水小孔周期性泄流的實(shí)驗(yàn)與分析

梁法庫(kù)1,梁 帥2,張 玲3,王元慶1

(1.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院物理系,黑龍江齊齊哈爾161006;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040;3.長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130022)

20℃附近時(shí),對(duì)葡萄糖水-水小孔泄流周期進(jìn)行觀測(cè),保持管內(nèi)徑為1.30 mm不變,對(duì)5個(gè)不同管長(zhǎng)的泄流周期進(jìn)行測(cè)量,得出泄流周期與孔長(zhǎng)的關(guān)系為 T∝L1.16.

周期性泄流;濃度;孔長(zhǎng)

1 引 言

近年,小孔周期性泄流實(shí)驗(yàn)受到人們的關(guān)注,文獻(xiàn)[1-8]分別給出理論研究和實(shí)驗(yàn)觀測(cè),文獻(xiàn)[5]中研究了小孔的滲透壓和小孔處的壓力差,得出了小孔泄流周期表達(dá)式.筆者也在文獻(xiàn)[6-8]中作了大量的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)周期性泄流維持時(shí)間的上限、內(nèi)外槽中裝有不同密度(濃度)不相溶性液體時(shí),周期性泄流不能進(jìn)行,不同濃度泄流周期也不同等結(jié)論.文獻(xiàn)[1-5]作了理論模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面研究,給出一些有意義的探索,文獻(xiàn)[2]給出實(shí)驗(yàn)測(cè)得周期24 s和理論計(jì)算周期數(shù)值41 s,量級(jí)上相當(dāng).以往文獻(xiàn)多以鹽水(或白糖冰糖水)-水作實(shí)驗(yàn)研究,本文對(duì)葡萄糖水-水小孔泄流周期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到了一些有意義的結(jié)論.

2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖1是小孔周期性泄流的實(shí)驗(yàn)裝置,它由內(nèi)筒(槽)和與它同軸固定的外筒組成,且與外界大氣相通,內(nèi)筒(槽)底部開了1個(gè)小孔(流管),將內(nèi)槽固定在外槽中相對(duì)位置保持不變,底部的小孔長(zhǎng)度為L(zhǎng),內(nèi)槽盛50%葡萄糖水,外槽中盛蒸餾水(或煮開過的水).實(shí)驗(yàn)開始時(shí)裝置放在水平穩(wěn)定的位置,使內(nèi)筒濃溶液的液面比外筒溶液的液面高(或略低).實(shí)驗(yàn)開始時(shí)內(nèi)筒液體通過小孔向下以流束液柱輪廓向外筒底部泄流并擴(kuò)散,經(jīng)過

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

一段時(shí)間停止向外筒泄流,緊接著外筒液體通過小孔以流束液柱輪廓向內(nèi)筒上表面泄流并擴(kuò)散,過一段時(shí)間停止向上泄流,接著內(nèi)筒液體又開始向下泄流,這樣液體就開始了持續(xù)上下周期性的泄流.實(shí)驗(yàn)中用移測(cè)顯微鏡測(cè)量注射器針頭的內(nèi)孔徑,3次測(cè)量取平均得d=1.30 mm.外筒為高約20.7 cm的玻璃容器,容器壁上帖有容積的刻度和測(cè)量液面高度的刻度尺.內(nèi)筒為50 mL的注射器.為使測(cè)量時(shí)更準(zhǔn)確,對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置.如圖2所示,注射器的活塞被細(xì)長(zhǎng)管貫穿,是帶有塞子的長(zhǎng)管,打開塞子時(shí)使管內(nèi)與外界相連,即內(nèi)筒液面與外界相通.本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)筒盛有葡萄糖水,用赤峰蒙欣藥業(yè)生產(chǎn)的500 g袋裝葡萄糖配制(在照相時(shí),濃溶液被染色).外筒盛有室溫下的蒸餾水或涼開水.兩容器之間由可更換的細(xì)管(內(nèi)筒底部小孔泄流管)相連接,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求不同使用相應(yīng)細(xì)管(泄流管).

實(shí)驗(yàn)時(shí)要求液體溫度穩(wěn)定、周圍環(huán)境和裝置不能振動(dòng),以免影響周期時(shí)間觀測(cè)的結(jié)果.此外,除了注意實(shí)驗(yàn)器材的因素,還有注意實(shí)驗(yàn)者在讀取每次下流或上流的時(shí)間要準(zhǔn)確.

圖2 注射器活塞控制液體裝置

泄流管如圖3所示,把細(xì)管一部分用透明膠帶纏住,可以防止細(xì)管與管口處有溶液流出.不但解決了確定細(xì)管的長(zhǎng)度L的問題,而且可以用針管(安針頭的柱管)換取不同的細(xì)管.

圖3 不同型號(hào)的細(xì)管

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及圖像

把實(shí)驗(yàn)儀器水平穩(wěn)定放置后,打開長(zhǎng)管開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn).濃溶液開始從細(xì)管(泄流管)下流出,幾十s后液體流速減小最后停止下流,轉(zhuǎn)為外筒溶液通過細(xì)管向內(nèi)筒流入.實(shí)驗(yàn)中取細(xì)管中的液體第一次上流開始計(jì)時(shí),上流時(shí)間為t2n(n為自然數(shù)),此后的下流時(shí)間記做 t2n+1.周期時(shí)間 T滿足 T=t2n+t2n+1.在外筒體積為750 mL的水,內(nèi)筒體積為40 m L,濃度為50%糖水,孔徑相同長(zhǎng)度不同的小孔泄流周期性時(shí)間的變化如表1所示.此次實(shí)驗(yàn)使用水為室溫(19±0.5)℃的涼開水.限于篇幅表1中只列出1個(gè)孔長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù).由測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)15組數(shù)據(jù)曲線均平穩(wěn),表1中L=1.6 cm,溫度為19℃,濃度為50%,外筒內(nèi)徑 φ1=8.6 cm,V外=750 m L,沒放內(nèi)筒時(shí)外筒液面高度 H0=12.9cm,放內(nèi)筒后外液深度 H1=13.7 cm,內(nèi)筒內(nèi)徑 φ2=2.9 cm,V內(nèi)=40 m L,開始振蕩形成時(shí)內(nèi)液深度(距孔底)h3=7.8 cm,液面差為1.1 cm,d=0.13 cm.測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示,時(shí)間是2010年 1月4日10∶54至1月7日20∶30.數(shù)據(jù)處理如表3所示,由表 3得出 t2m+1∝L1.07±0.16,T∝L1.16±0.16,T是13周3組平均值.

表1 小孔振蕩時(shí)間的記錄

表2 數(shù)據(jù)記錄

表3 數(shù)據(jù)處理

用Origin得出周期與孔長(zhǎng)的關(guān)系如圖4所示,得出 T＊∝L1.16±0.16,與文獻(xiàn)[1,5]理論 T∝L較接近.

圖4 lg T-lg L擬合

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,實(shí)驗(yàn)中觀察到高濃度的液體與水形成的泄流周期穩(wěn)定,經(jīng)過連續(xù)對(duì)5個(gè)管長(zhǎng)的15組數(shù)據(jù)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)其他條件不變泄流周期時(shí)間隨著孔長(zhǎng)增加而增加,并且 T∝L1.16,與文獻(xiàn)[1,5]理論 T∝L接近.

致謝:向?yàn)楸疚奶峁﹨⒖假Y料的《物理實(shí)驗(yàn)》編輯部編審老師和提供部分器材的齊齊哈爾大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心韓蘇陽(yáng)、蔡成江等老師,以及參與觀測(cè)的白志強(qiáng)等同學(xué)表示感謝!

[1]Steinbock O,Lange A,Rehberg I.Density oscillato r:analysis of flow dynamics and stability[J].Phys.Rev.Lett.,1998,81(4):798-801.

[2]Okamura M,Yoshikawa K.Rhythm in a saline oscillato[J].Phys.Rev.E,2000,61(3):2445-2452.[3]Kano T,Kinoshita S.Viscosity-dependent flow reversal in a density oscillato r[J].Phys.Rev.E,2007,76(4):046208.

[4]Gonzalez H,A rce H,Guevara M R.Phase restting,phase locking,and bistability in the periodically driven saline oscillato r:experiment and model[J].Phys.Rev.E,2008,78:036217.

[5]路峻嶺,汪榮寶.對(duì)小孔泄漏振蕩演示實(shí)驗(yàn)的研究[J].大學(xué)物理,2005,24(7):28-31.

[6]梁法庫(kù),邵華峰.小孔持續(xù)周期性泄流的實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)[J].大學(xué)物理,2008,27(10):32-35.

[7]梁法庫(kù),路峻嶺.小孔周期性泄流的實(shí)驗(yàn)與分析[J].物理實(shí)驗(yàn),2005,25(12):31-33.

[8]梁法庫(kù).兩種無色液體間周期性有色擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象與分析[J].物理通報(bào),1999,18(2):24-25.

[9]李椿,章立源,錢尚武.熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1978:304-360

[10]孫萍,鄭佳喻,周華喜,等.B-Z振蕩反應(yīng)實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(1):1-6.

[11]林志琦,劉向偉,張訕通.用數(shù)字方法產(chǎn)生阻尼振蕩波形[J].物理實(shí)驗(yàn),2008,28(8):38-40.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

Glucose water-water hole periodic aerial drainage experiment

L IANG Fa-ku1,L IANG Shuai2,ZHANG Ling3,WANG Yuan-qing1
(1.Department of Physics,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China;2.Civil Engineering College,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China 3.Changchun University of Science and Techno logy,Changchun 130022,China)

The glucose water-water drainage periods of 5 tubes w ith 1.30 mm inner diameter and different length were measured at 20℃.The relation between period and hole length was T∝L1.16.

periodic aerial drainage;concentration;hole length

G642.423

A

1005-4642(2011)01-0036-03

2010-05-04;修改日期:2010-08-16

黑龍江省教育廳2007年科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(No.11521309);齊齊哈爾大學(xué)教育科研項(xiàng)目(No.2009004)

梁法庫(kù)(1963-),男,黑龍江拜泉人,齊齊哈爾大學(xué)物理系教授,學(xué)士,從事基礎(chǔ)物理教學(xué)和演示實(shí)驗(yàn)研究.