毛细对流

黏度计中毛细管的粗细对流过的时间有什么影响~

　　液体在毛细管粘度计内因重力流出遵循泊塞勒定律：η/ρ=πhgr^4t/(8lv)-mv/(8πlt) 式中：ρ为液体的密度;l为毛细管长度;r为毛细管半径;
　　t为流出时间;h为流经毛细管液体的平均液柱高度;
　　g为重力加速度;v为流经毛细管的液体体积;
　　m为与仪器的几何形状有关的常数,r/l<<1时,可取m=1.
　　对某一指定的粘度计而言,令a=πhgr^4/(8lv) ,b=mv/(8πl) ,则上式可写为:η/ρ=at-b/t 式中：b100s时，等式右边第二项可忽略。

　　粘度计毛细管的过粗的话，测量时间过短,t<100s,等式右边第二项就不可忽略，结果处理起来有很大误差；反之，粘度计毛细管的过细的话，测量时间过长，实验时间不允许，也易造成误差。

Marangoni convection
中文译名：马兰哥尼对流（现象）
微重力下，自然对流减弱，到零重力下，理应全部消失。但是由于表面张力在液体界面起作用，引起一个表面张力梯度，表面张力梯度超过粘滞力，使液体流动，出现毛细管对流。此现象由C.Marangoni在1865年发现，称为Marangoni对流。Marangoni对流或热毛细管对流是一种与重力无关的自然对流，在具有自由表面的液体中，沿着液体表面存在表面张力梯度，就会发生Marangoni对流，不需要克服什么激活势垒，很小的温度梯度就足以使之开始流动。由温度梯度造成的温度Marangoni对流可以很容易被控制，使其维持液态流动，但是溶质Marangoni对流经常是不稳定的。

热毛细对流温度场全息干涉检测研究
当气液界面上存在温度梯度时, 气液界面上的表面张力分布将会不均匀, 从而引起界面周围的液体发生表面张力驱动流, 也即热毛细对流. 如化工或工业材料生产中, 热壁或冷壁上的空气泡或蒸汽泡与周围流体的相互作用, 就是一种典型的、以表面张力为主要驱动力的对流现象. 热毛细对流研究对地面上的工业加工有着极其重要的意义.在太空微重力状态下, 由温度梯度或密度梯度引起的自然对流将不存在, 而热毛细对流将成为微重力状态下的液体的主要对流形式. 因此, 研究热毛细对流现象对微重力流体物理研究及空间材料的加工等也有十分重要的意义.近年来, 对热毛细对流现象的研究已经成为国际上微重力科学研究中一项非常重要的热门课题. 研究热毛细对流现象的一个重要内容就是研究其热传导规律, 而这种研究的前提是能准确地测量出流场的温度分布.欲测量流场的全场温度分布, 光学测温技术是最合适的方法. 光学测温技术包括纹影法、阴影法、散斑照相法以及全息干涉技术和电子散斑干涉技术等干涉法.全息干涉技术具有非接触、全场显示、条纹质量好、灵敏度高等优点, 在流体温度测量和流场显示中得到广泛的应用. 该技术对防震有特殊要求, 信息的采集和处理又费时、费事, 难以实现自动化检测, 在太空使用有困难. 但在地面的模拟实验研究中, 全息干涉技术有其独特的优点. 本文应用全息干涉技术测量了热毛细对流的温度场.Ξ收稿日期: 1999209222;修订日期: 2000204217基金项目:国家自然科学基金资助项目© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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图1 二维热毛细对流模拟装置图2 模拟装置 模拟装置如图 1 所示, 由盒体、加热器和热电偶三部分构成. 盒体的前后面为 2mm厚的石英玻璃块, 两侧面为有机玻璃块, 上下盖由两块兼作加热器的铜块构成, 盒体空腔大小为 60mm ×3mm ×38mm. 铜块中插有电烙铁芯子, 其两端接到可调压电源上,通过调节所加电压大小, 可以控制上下表面的温度. 从一块有机玻璃的侧面插入了 5 个铜—康铜热电偶, 可准确测量盒体内同一侧五个点的温度值.在上铜块中间位置开有 0. 2mm 宽的毛细缝, 通过软管与一注射器相连, 用注射器在流体上液面注入适当大小的柱状气泡. 当从上面加热, 可在气—液界面周围的液体中形成热毛细对流.3 基本原理 根据双曝光全息干涉条纹图提供的条纹级数N(x,y) , 可按下式[1 ]求出流体的折射率分布:∫[n(x,y,z) -n0]dz=N(x,y) Κ(1)式中, Κ是激光波长,n0和n(x,y,z) 分别是受扰动前、后的流体折射率. (o2x,y,z) 是建立在被测流体中的坐标系,z轴沿光轴方向.对于二维温度分布, 流体的折射率可用下式计算:n(x,y) -n0=N(x,y) ΚL(2)式中,L为物体沿光线传播方向的厚度.求得折射率变化 ∃n以后, 可以利用相应的物理关系求出温度分布; 也可以直接利用标定实验得到 ∃n～ ∃T关系曲线, 进而求出温度场.4 折射率- 温度关系标定4. 1 标定光路及原理标定实验采用迈克耳逊干涉光路, 如图 2 所示. 一束激光束经半反半透镜分成两束, 透射光束经过两次反射到观测屏作参考光; 反射光束两次通过试验盒后到达观测屏, 在观察屏上与参考光相干涉形成干涉条纹图. 当光束通过处的流体温度发生变化时, 干涉条纹就会移动.折射率改变量 ∃n与条纹移动量 ∃N的关系可用下式描述:2∫d0∃ndz= ∃NΚ(3)式中,d是试验盒的厚度,z沿厚度方向, Κ是激光波长.351第2期 张 曦等:热毛细对流温度场全息干涉检测研究 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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图2 迈克耳逊干涉光路为了简便, 也为了提高标定精度, 本文通过标定实验直接给出 ∃N～ ∃T关系曲线.4. 2 标定步骤1) 将模拟装置盒放到光路中, 调整盒体的位置, 使激光点刚好擦着热电偶的头部透过;2) 从上液面加热, 随着液体温度的增加, 观察屏上的条纹慢慢地由高阶向低阶移动;3) 在观察屏上做标志点, 每当一条黑条纹中心移到标志处时, 记录下电位差计的读数;4) 在要求的温度范围内, 记录下条纹级数变化 ∃N与温度变化 ∃T的数据, 重复三次.4. 3 标定及结果实验中标定了水和硅油两种液体, 水的标定温度范围为从 25℃到 39℃, 硅油的标定温度范围为从 23℃到 53℃. 对于每种液体, 将所得到的三组 ∃N～ ∃T数据进行平均, 并采用多项式进行拟合, 得到 ∃N与 ∃T的近似函数关系式. 硅油的 ∃N～ ∃T拟合多项式中的高次项几乎为零, 近似为线性关系. 水的 ∃N～ ∃T拟合多项式近似为二次多项式. 拟合结果如下:∃N= - (0. 5426∃T+ 0. 0087∃T2) (水)(4)∃N= - 3. 796∃T (硅油)(5)5 实验及结果 从室温加热到开始发生热毛细对流所需的温度增量较大, 加上光学干涉技术测温灵敏度又很高, 从而造成双曝光得到的条纹过于稠密, 条纹图难以精确分析. 此外, 我们更关心在气泡周围由热毛细对流引起的温度增量分布规律. 但由于高温背景条纹的存在, 掩盖了热毛细对流温度增量分布的直观显示. 为此, 本文提出了一种背景温度条纹的分离技术, 即利用两次双曝光全息摄影法, 将背景温度分布和热毛细对流温度增量分布引起的全息干涉条纹分别记录在两块全息图中.5. 1 实验步骤1) 将图 1 所示的拟装置放于全息干涉光路中; 装上干版 1, 进行第一次曝光.2) 利用上端加热器从上液面给流体加热; 当温度达到平衡状态, 记录下各个热电偶的读数, 并对干版 1 进行第二次曝光; 取下干版 1, 进行显、定影处理.3) 装上干版 2, 在此稳定温度状态下, 对干版 2 进行第一次曝光.4) 从上盖毛细孔引入一个气泡, 热毛细对流开始发生; 为了增加一定量的载波条纹, 从上加热器适量加一点热; 待热电偶读数不再变动时, 记录下各个热电偶的读数, 并对干版 2 进行第二次曝光.5) 取下干版 2, 进行显、定影处理.5. 2 实验结果模拟装置的内腔厚度为 3mm , 可近似认为温度沿厚度方向不变. 因此, 全息干涉条纹就是温度分布等值线.451 实 验 力 学 (2000年)第15卷 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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由条纹图最下面的条纹的形貌可知, 该条纹为零阶条纹. 确定了零阶条纹后, 其它条纹的阶数可由连续性一一定出. 为了校核条纹定级是否准确, 同时根据热电偶所测数据进行了对比分析, 发现两者定级结果完全一致.图 3 是在引入气泡前获得的背景温度干涉条纹图, 也即背景温度分布等值线. 零级条纹是16℃等温线,N级条纹为(16+ 0. 52N) ℃等温线.图 4 是热毛细对流全息干涉条纹图, 也即热毛细温度增量 ∃T分布等值线. 根据 ∃N～ ∃T标定曲线, 只要定出条纹级数就可以求出 ∃T. 图中, 零级条纹为 ∃T= 0 的等值线,N′级条纹为 ∃T= 0. 52N′℃的等值线. 由图 3 求出各点温度T0后, 再由图 4 求出相应点的温度增量∃T, 相迭加即可由T=T0+ ∃T求出热毛细对流温度分布.图3 背景全息条纹图 图4 热毛细对流全息条纹图6 讨论和结论 当热毛细对流稳定后, 在气泡附近形成对流区域. 该区域与周围的流场有一明显的界面,见图 4. 条纹在界面处发生跃迁, 形成尖峰. 然后又逐渐平坦下来. 说明对流向上卷回时, 将气泡下方低温区域内的流体向上带动, 从而引起界面附近较大的温度变化.调节对流场所加的温度梯度的值, 重复几次实验, 可以发现: 边界与产生热毛细对流的温度梯度 ∃T∃y有直接的关系, ∃T∃y越大, 边界所包含的范围越大, 即对流区域越大.本文工作表明: 1) 全息干涉技术能够用来定量测量热毛细对流温度场, 为热毛细对流传热研究提供了一个很好的诊断手段; 2) 本文提出的从背景温度分布中分离出热毛细对流引起的温度增量分布的技术完全可行. 该技术能直观地给出热毛细对流区域及温度增量分布状态.参 考 文 献[1] CharlesM. V est. Holographic Interferom etry[M ]. N ew York: John W iley & Sons, 1979.[2] Ito A. Choudhury,etc. A technique for m easuring an unsteady temperature distribution in a liquid using holographicinterferom etry [C ]. T ransactions of JSM E, Series B1990, 56: 194- 199.[3] 何世平,汪柳生,伍小平.应用ESP I和实时全息测量轴对称温度场[J ].中国激光, 1991, 18(10): 732- 738.551第2期 张 曦等:热毛细对流温度场全息干涉检测研究 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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Detection of Thermocapillary Convection Temperature Fieldby Using Holographic InterferometryZHAN G Xi, ZHAN G J ia2feng, HE Shi2p ing(U niversity of Science and Techno logy of China, Hefei 230027)Abstract: Hele2Shaw box is used to sim ulate the p lanar thermocap illary convection onground. The temperature distribution of thermocap illary convection field is m easured byholographic interferom etry. In order to get the temperature increm ent distribution of ther2mocap illary convection field, a m ethod for separating backgroud temperature striae and thetemperature increm ent distribution striae of thermocap illary convection is introduced.Key words: holographic interferom etry; thermocap illary convection; temperature field651 实 验 力 学 (2000年)第15卷 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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民乐县13769091244： 什么叫做Marangoni对流 - ？
寇扶先强： 中文译名:马兰哥尼对流(现象) 微重力下,自然对流减弱,到零重力下,理应全部消失.但是由于表面张力在液体界面起作用,引起一个表面张力梯度,表面张力梯度超过粘滞力,使液体流动,出现毛细管对流.此现象由C.Marangoni在1865年发现,称为Marangoni对流.Marangoni对流或热毛细管对流是一种与重力无关的自然对流,在具有自由表面的液体中,沿着液体表面存在表面张力梯度,就会发生Marangoni对流,不需要克服什么激活势垒,很小的温度梯度就足以使之开始流动.由温度梯度造成的温度Marangoni对流可以很容易被控制,使其维持液态流动,但是溶质Marangoni对流经常是不稳定的.

民乐县13769091244： 粘度计中毛细管的粗细对流过的时间有什么影响 - ？
寇扶先强： 解:对同一种流体而言,毛细管越粗流速越快,细则流速慢.所测以一种流体的粘度,要选合适的粘度计,流速太快时间短,人反应时间0.2S左右,这样导致误差大,测不准,太细的话时间过长浪费时间和精力也不可取.

民乐县13769091244： 天宫二号里有哪些科学神器 - ？
寇扶先强： 综合材料实验装置: 天宫二号伴随卫星: 宽波段成像光谱仪:液桥热毛细对流实验装置:“天极”望远镜:高等植物培养箱: 空间环境分系统: 空间冷原子钟: 三维成像微波高度计:量子密钥分配专项:

民乐县13769091244： 钢笔为什么会突然不出水? - ？
寇扶先强： 写著写著不出水,甩一下又好,这是墨水循环不良.可能墨水不好使,但最有可能的是笔头里面有堵起来的可能,导致墨水下不来,空气也无法进入形成毛细对流.所以建议你拆开笔头用温水加毛刷进行清洁.希望能帮到你

民乐县13769091244： 毛细现象及其原理是什么? - ？
寇扶先强： 毛细现象: 在一些线度小到足以与液体弯月面的曲率半径相比较的毛细管中发生的现象. 毛细现象原理:毛细管中整个液体表面都将变得弯曲,液固分子间的相互作用可扩展到整个液体.1、生物现象:毛细现象在生物学中有广泛的应用,如动植物的毛细血管,锄松土壤以破坏土壤的 毛细管,减少表面水分的蒸发等.本文就部分毛细现象实验与植物体的毛细现象实验进行对比,以此了解物理学与生物学综合的意义. 2、附加压强:表面张力对液体球的作用好像增加了一个垂直于球面的压强,称为附加压强.对液滴,附加 压强为2* 表面张力系数/球面半径. 对肥皂泡等空心液体球,附加压强为4*表面张力系数/球面半径.

民乐县13769091244： 黏度计中毛细管的粗细对流过时间有何影响？
寇扶先强： 液体在毛细管粘度计内因重力流出遵循泊塞勒定律:η/ρ=πhgr^4t/(8lv)-mv/(8πlt) 式中:ρ为液体的密度;l为毛细管长度;r为毛细管半径;t为流出时间;h为流经毛细管液体的平均液柱高度;g为重力加速度;v为流经毛细管的液体体积;m为与仪器的几何形状有关的常数,r/l<<1时,可取m=1.对某一指定的粘度计而言,令a=πhgr^4/(8lv) ,b=mv/(8πl) ,则上式可写为:η/ρ=at-b/t 式中:b<1,t>100s时,等式右边第二项可忽略.

民乐县13769091244： 为什么有些葡萄酒摇杯后会慢慢变成水滴 - ？
寇扶先强： 酒泪是指在旋转葡萄酒杯之后,酒杯内壁留下的一道一道的酒滴,也称挂杯.酒泪是如何形成的?最早关注挂杯现象(酒泪)的学者,是19世纪的英国物理学家詹姆斯•汤姆森(James Thomson),他在1855年发表论文《在葡萄酒和其它酒类...

民乐县13769091244： 毛细管网怎么样?？
寇扶先强： 毛细管网地板采暖系统原理与优点一、毛细管网空调介绍毛细管网如今,现代建筑的空调系统必须要符合很高的要求.传统的空调系统如通风设备和静态供热很难同时达到最佳热的舒适性、最省的空间和节能的要求毛细管是这个领域的一项...