落球法变量液体粘滞系数测量

物理仿真实验：落球法变量液体粘滞系数测量一、实验简介当液体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍液体的相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，液体的内摩擦力称为粘滞力。粘滞力的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，比例系数η称为粘度（或粘滞系数）。对液体粘滞性的研究在流体力学，化学化工，医疗，水利等领域都有广泛的应用，例如在用管道输送液体时要根据输送液体的流量，压力差，输送距离及液体粘度，设计输送管道的口径。测量液体粘度可用落球法，毛细管法，转筒法等方法，其中落球法适用于测量粘度较高的液体。粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。例如对于蓖麻油，在室温附近温度改变1˚C，粘度值改变约10%。因此，测定液体在不同温度的粘度有很大的实际意义，欲准确测量液体的粘度，必须精确控制液体温度。二、实验原理1个在静止液体中下落的小球受到重力、浮力和粘滞阻力3个力的作用，如果小球的速度v很小，且液体可以看成在各方向上都是无限广阔的，则从流体力学的基本方程可以导出表示粘滞阻力的斯托克斯公式：(2.4.1)（2.4.1）式中为小球直径。由于粘滞阻力与小球速度成正比，小球在下落很短一段距离后（参见附录的推导），所受3力达到平衡，小球将以匀速下落，此时有：(2.4.2)式中ρ为小球密度，ρ0为液体密度。由（2.4.2）式可解出粘度η的表达式：(2.4.3)本实验中，小球在直径为D的玻璃管中下落，液体在各方向无限广阔的条件不满足，此时粘滞阻力的表达式可加修正系数(1+2.4d/D)，而（2.4.3）式可修正为：(2.4.4)当小球的密度较大，直径不是太小，而液体的粘度值又较小时，小球在液体中的平衡速度v0会达到较大的值，奥西思-果尔斯公式反映出了液体运动状态对斯托克斯公式的影响：(2.4.5)其中，Re称为雷诺数，是表征液体运动状态的无量纲参数。当Re小于0.1时，可认为（2.4.1）、（2.4.4）式成立。当0.1Re1时，应考虑（2.4.5）式中1级修正项的影响，当Re大于1时，还须考虑高次修正项。考虑（2.4.5）式中1级修正项的影响及玻璃管的影响后，粘度可表示为：由于3Re/16是远小于1的数，将1/（1+3Re/16）按幂级数展开后近似为1－3Re/16，（2.4.7）式又可表示为：已知或测量得到ρ、ρ0、D、d、v等参数后，由（1.3.4）式计算粘度η，再由（2.4.6）式计算Re，若需计算Re的1级修正，则由（2.4.8）式计算经修正的粘度η1。在国际单位制中，η的单位是Pa·s（帕斯卡·秒），在厘米，克，秒制中，η的单位是P（泊）或cP（厘泊），它们之间的换算关系是：三、实验内容1．检查仪器前面的水位管，将水箱水加到适当值平常加水从仪器顶部的注水孔注入。若水箱排空后第1次加水，应该用软管从出水孔将水经水泵加入水箱，以便排出水泵内的空气，避免水泵空转（无循环水流出）或发出嗡鸣声。2．设定PID参数若对PID调节原理及方法感兴趣，可在不同的升温区段有意改变PID参数组合，观察参数改变对调节过程的影响，探索最佳控制参数。若只是把温控仪作为实验工具使用，则保持仪器设定的初始值，也能达到较好的控制效果。3．测定小球直径由（2.4.6）式及（2.4.4）式可见，当液体粘度及小球密度一定时，雷诺数Reµd3。在测量蓖麻油的粘度时建议采用直径1~2mm的小球，这样可不考虑雷诺修正或只考虑1级雷诺修正。用螺旋测微器测定小球的直径d，并记录测量结果，求出小球直径的平均值。4．测定小球在液体中下落速度并计算粘度(1)温控仪温度达到设定值后再等约10分钟，使样品管中的待测液体温度与加热水温完全一致，才能测液体粘度。(2)用镊子夹住小球沿样品管中心轻轻放入液体，观察小球是否一直沿中心下落，若样品管倾斜，应调节其铅直。测量过程中，尽量避免对液体的扰动。(3)用停表测量小球落经一段距离的时间t，并计算小球速度，用（2.4.4）或（2.4.8）式计算粘度η，记入表2.4.2中。(4)实验全部完成后，用磁铁将小球吸引至样品管口，用镊子夹入蓖麻油中保存，以备下次实验使用。四、实验仪器本实验用到的实验仪器有：变温粘度测量仪，ZKY-PID温控实验仪，停表，螺旋测微器，钢球若干，金属镊子。五、数据处理1.测量小球直径2.测量小球下落速度并计算粘滞系数六、实验结论T=25℃η=0.744Pa·ST=30℃η=0.541Pa·ST=35℃η=0.361Pa·ST=40℃η=0.247Pa·ST=45℃η=0.183Pa·ST=50℃η=0.136Pa·ST=55℃η=0.092Pa·S