1、1水平旋转下流体流态探究摘要：受到微重力环境在生命科学应用中的启发，通过水平旋转装置，在旋转条件下，模拟了流体的运动，探究了流态。研究结果表明：选择了便于观察的红色液滴，发现红色液滴的运行轨迹与所用流体的粘度及旋转速度有关。在相同转速范围内，粘度越小，红色液滴的扩散环或扩散面积越大；粘度相同的情况下，在 1525r/min 时，红色液滴以环状模式沿管壁运行，在 80100r/min 时，红色液滴是以一定的扩散面运行。 关键词：旋转；微重力环境；液体粘度 中图分类号：TB324 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）22-0144-03 1 引言 近 30 年来航空航天技术在我
2、国逐渐取得越来越多的成就，但航空内环境对航空工作者在身体上造成了一些不利的影响，该影响引起了科学家们的广泛关注，因此生命空间科学得到了迅速的发展。在航天器内，其重力加速度低于 10-6g0（g0 为地面重力加速度） ，并将其称为微重力环境1。随着对微重力认识的深入，王景涛2阐述了微重力和微重力环境概念性问题，并认为可以通过一种等效原理来创造实验所需的微重力环境并对该环境加以利用。而常用来获得微重力环境的方法有落塔、落管、飞机、火箭和轨道飞行3，但其不足点为微重力维持的时间短，2而且工程比较大，实验操作上不方便。同样龙勉4也对微重力及微重力效应的概念进行了阐述，以及对在地面能否模拟微重力环境进行
3、了研究。因此在地面模拟微重力环境是亟待解决的问题。 自 1991 年 Schwarz 和 Wolf 研发出了一种旋转壁式生物反应器5，生命空间实验在地面很快的展开。旋转壁式生物反应器是从回转器到随机指向装置或三维回转器的基础上制造出来的，到现在的旋转灌流式生物反应器。随着研究的需要，该地面模拟微重力环境的装置也在不断的完善。由于地面模拟微重力环境得以进行，很多实验在此基础上展开，如研究蛋白质晶体在微重力环境下的生长68，微重力环境装置在细胞培养中的应用911，以及组织工程的构建等12，13。但是关于地面模拟流体流态的相关研究很少，因此限制了其在医药各领域的应用。目前在微重力环境下模拟流体的运动
4、也在研究的进行中，但大多数试验都是借助于光学干涉以及图像测速等技术13，14来进行辅助测量。而且实验条件是否满足微重力环境还有待进一步考察。 实验选择有颜色的 VB12 液滴在不同体积比的丙三醇和水的混合溶液中，通过模拟旋转壁式生物反应器，自制一种水平旋转装置，进行了一次简单的模拟和观察。类比微重力环境在微生物细胞培养中的应用进展，首先通过简单的旋转装置来探测要达到微重力环境所需要的前期准备工作，为后续微重力环境中流体流态模拟奠定基础。 2 试验部分 2.1 试剂与仪器 试剂：丙三醇（化学纯，国药集团化学试剂有限公司） ，蒸馏水。 3仪器：自制旋转装置，玻璃管（内径 12.16mm，外径 15
5、.72mm） ，索尼数码相机 ILCE-6000（索尼（中国）有限公司） ，NDJ-5S 数显粘度计（上海衡平仪器仪表厂） 。 2.2 维生素 B12 在不同粘性流体中的运动 分别量取一定量的丙三醇，依次用蒸馏水稀释至体积浓度为 80%，50%和20%三份备用，并用粘度计测量相应的粘度，配制一定浓度的维生素 B12溶液备用，整个过程中，所用的 VB12 溶液相同。然后将上述100%，80%，50%，20%和 0%体积的丙三醇混合溶液分别注入到特制的玻璃管中，然后密封，在旋转的过程中用注射器注入一滴 VB12 溶液，观察VB12 溶液在各粘度流体中的运动轨迹。转速设置范围为 1525r/min
6、和80100r/min。 3 流体模拟试验结果 从 VB12 溶液的液滴在不同粘性的丙三醇溶液中的运行情况来看（表1） ，相同转速下，随着粘度的降低，红色液滴在玻璃管中的扩散速度加快；而在粘度相同的情况下，速度越低，液滴偏离水平轴中心越厉害。 图 1 是液滴在纯的丙三醇中运动的轨迹，a1、a2 是在 1525r/min时的开始拍摄和旋转 5min 时拍摄的图片，图 2 是在 80100r/min 时在相同时间点拍摄的图片。从图 2，图 3 可以看出，液滴在纯的丙三醇液体中扩散的很慢，但是液滴在 1525r/min 转速范围内偏离轴中心的距离要比在 80100r/min 转速范围内偏离的距离要远
7、。由于丙三醇在 25时的粘度为 842.5mPa.s，该粘度比较大，因此红色液滴很难扩散，最终是以液滴的形式沿轴向向前推进。 4图 3、图 4 表示的是当液体变成体积分数?80%的丙三醇溶液时，液滴在低速和高速下的运行情况。c1，c2，c3 表示的是 VB12 液滴在1525r/min 开始旋转，旋转 5min 和 10min 后拍摄的图片，d1，d2，d3表示的是在 80100r/min 与低速下相对应的时间拍摄的图片。从图中可以看出，当转速为 1525r/min 时，液滴几乎瞬间就沿玻璃管壁以环形向前移动，而在 80100r/min 时，液滴有一定的扩散面积，然后以这个扩散面依次向前推进，
8、但该扩散面并未接触管壁。从粘度测定的结果来看，80%体积的比的丙三醇混合溶液的粘度要比纯的丙三醇的粘度小很多。图 5、图 6 表示的是当液体为体积分数为 50%的丙三醇溶液时，液滴在低速和高速下的运行情况。e1、e2、e3 表示的是液滴在 1525r/min转速范围内旋转开始和旋转 5min 和 10min 拍摄的图片；f1、f2、f3 表示的是液滴在 80100r/min 转速范围内与低速对应时间拍摄的图片。在低速时，液滴很快沿着管壁向前推进，而在高速时，仍然以一定扩散面积沿轴向方向推进。 图 7、图 8 表示的是当液体为体积分数为 20%的丙三醇溶液时，液滴在低速和高速下的运行情况。g1、
9、g2、g3 表示的是液滴在 1525r/min转速范围内旋转开始和旋转 5min 和 10min 拍摄的图片；h1、h2、h3 表示的是液滴在 80100r/min 转速范围内与低速对应时间拍摄的图片。在低速时，液滴很快沿着管壁向前推进，而在高速时，仍然以一定扩散面积沿轴向方向推进。 图 9、图 10 表示的是当液体为蒸馏水时，液滴在低速和高速下的运行情况。m1、m2、m3 表示的是液滴在 1525r/min5转速范围内旋转开始和旋转 5min 和 10min 拍摄的图片；n1、n2、n3 表示的是液滴在 80100r/min 转速范围内与低速对应时间拍摄的图片。从图中可以看出，VB12 液滴
10、在蒸馏水中能够很快的扩散，但在低速下，最终仍然是沿管壁运行，而在高速下，基本上扩散于整个玻璃管中。 从图 3、5、7、9 对比可以看出，当转速在 1525r/min 范围时，随着粘度的降低，扩散的环向前推进的速度越快；从图 4、6、8、10 对比可以看出，当转速在 80100r/min 范围时，随着粘度的降低，其扩散面积增大，而且向前推进的速度也越快。 从流体模拟的实验可以看出，在 1525r/min 转速范围内和一定的粘度情况下，液滴是沿玻璃壁运行的；而在 80100r/min 转速范围内和一定的粘度情况下，液滴注入后是以扩散面的形式沿轴向向前推进。 4 结论 通过模拟 VB12 溶液液滴在
11、不同粘性的丙三醇溶液中的运动，发现其运动轨迹与所用液体的粘度以及转速范围有一定的关系。当粘度低于体积分数为 80%的丙三醇溶液的粘度 62.0mPa.s 时，在低转速范围内液滴基本上都是沿管壁向前推进，而在高转速范围内，液滴都是以一定的扩散面向前推进。 参考文献： 1章登宏.微重力环境及应用J.大学物理，1998，17（10）：4042. 2王景涛.微重力实验环境J.物理，1998（7）：392398. 3王景涛.微重力应用导引M.北京：中国科学技术出版社，1988. 64龙勉.如何在地球表面模拟空间微重力环境或效应：从空间细胞生长对微重力响应谈起J.科学通报，2014（20）：2004201
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