地球流体旋转平台在流体力学实验中的应用

曹勇;孟静;陈旭

【摘 要】流体力学实验是流体力学课程重要的实践教学环节,是海洋科学专业的核心课程.针对海洋科学的专业特色,将传统的流体力学实验课进行改革,增加了自主设计部分,搭建了实验所需的多种平台.尤其是将旋转平台应用到流体力学实验课程的自主设计实验中,通过模拟地球流体力学的基本现象和运动规律,使得流体力学实验与海洋科学专业结合的更加紧密,提高了学生对科研的兴趣,开发了学生学习的潜力和综合实践能力.

【期刊名称】《实验室科学》 【年(卷),期】2019(022)003 【总页数】6页(P181-185,1)

【关键词】流体力学实验;实验教学;自主设计;旋转平台;地球流体 【作 者】曹勇;孟静;陈旭

【作者单位】中国海洋大学海洋与大气学院,山东青岛266100;中国海洋大学海洋与大气学院,山东青岛266100;中国海洋大学海洋与大气学院,山东青岛266100 【正文语种】中 文 【中图分类】G482

“流体力学”是很多理工院校相关专业的一门专业必修课程，流体力学实验是流体力学课程中非常重要的实践教学环节，是理论联系实际的桥梁，是本科生实验能力

培养的重要组成部分。流体力学实验通过观察流体运动现象，结合流体力学理论知识，分析掌握流体运动的主要规律。随着时代的发展，传统的实验教学理念和方式已经无法满足新时代人才培养的需求，很多高校都结合自身的特点，对流体力学实验教学课程进行了相应的改革［1－4］。对流体力学实验教材的修改，讨论式教学，增加思考题、小设计等来增加实验的难度，提高大学生的兴趣［5－6］。建设网络信息平台、多媒体辅助实验教学等，增加实验教学的趣味性，拓宽学生的思路［7－8］。建设自主设计创新实验室，提高大学生的创新能力［9－11］。 中国海洋大学(以下简称:我校)作为我国最早成立的涉海类大学之一，是以海洋和水产为特色的重点建设高校之一。中国海洋大学流体力学实验室成立于20世纪80年代，设有水动力实验室、气动力实验室，2005年增加了自主设计实验室。“流体力学实验”课作为海洋科学专业本科生的核心课程，开设已有数十年的历史。海洋科学以地球流体为研究对象，而地球流体除了具有流体力学一般特性外，最显著的特征就是层结和旋转，发生在海洋和大气中的大尺度运动都遵循旋转层结流体运动的普遍规律［12］。为了更好地突出专业特色，实验室拓展了流体力学实验项目，专门设计了风浪流循环水槽、内波水槽、小型旋转平台等实验平台。内波水槽和小型旋转平台均配有自主设计的PIV测速系统，可以定量测量流场。这些实验平台及测量装置均由实验教师自主设计研发，用于学生开展自主设计实验，培养学生的动手能力、开拓创新科研思维。尤其是小型旋转平台，可以模拟地球流体的基本现象和运动规律，使得流体力学实验和海洋科学专业联系的更加紧密，激发了学生的科研兴趣，全面提升学生的综合创新能力。 图1 小型旋转平台 1 小型旋转平台介绍

我校自主研发的小型旋转平台，主要包括转台、实验水槽、支架、高速摄像机(Charge－coupled Device，CCD)、激光器等装置(如图1所示)。转台的转速为

3～10rpm，通过转速调节器来控制。实验水槽为有机玻璃质地，这样方便观测及摄像，同时由于实验经常使用盐水，有机玻璃水槽方便清洗，且不易被腐蚀。实验用水槽又分为方形水槽、圆形水槽，此外还配有作为底地形的平板、三角体等模块，方便学生使用。CCD通过金属支架固定在实验水槽中心的正上方，随水槽同步转动。同时，CCD通过转台信号传输系统与电脑连接，实验时可以实时将图像传输到电脑中，方便观察，并可以及时处理数据，发现问题。金属支架采用H型铝制型材，方便切割搭建，可以根据需要在支架上安装激光器等其他设备。 2 旋转平台在自主设计实验中的应用举例

我校以海洋专业为特色，因此流体力学自主设计实验不局限于一般的流体力学实验，更多地鼓励学生从海洋科学及大气科学专业出发，将大尺度的地球流体现象通过一定的相似性准则，在实验室中进行模拟。流体相对旋转系统的运动，基本特征是科里奥利力(简称科氏力)起重要作用，由此引出一系列特殊的流动现象，如准地转流、泰勒(Taylor)柱、罗斯贝(Rossby)波、埃克曼(Ekman)流、西向强化、台风、大气环流等。由于对大气、海洋等的观测，都是在地球这个旋转系统中进行，所以旋转流体流动是地球流体力学的基本研究内容之一。这些运动现象都可以通过合理的转台实验设计来实现［13－16］。以下简单介绍几种通过旋转平台设计的地球流体力学实验。

2.1 埃克曼(Ekman)螺旋实验

埃克曼(Ekman)螺旋是指海洋表面附近的海流因为风和科氏力的作用造成海流方向发生偏转的结构［17］。当风吹掠海洋表面的时候，风对海面就施加了力，称为风应力。风应力造成表层海水流动，受到地球旋转的科氏力的影响，在北半球，流向会沿风向向右偏离45度。上层水流动时又会拖曳下方流体运动，而下层流向又再稍向右偏。如此一层牵引一层，水流的流向由水面向下呈现螺线型态，这种构造即称为Ekman螺旋。

实验中采用圆形水槽，待旋转流体“刚化”后，在水中心外侧放入少量高锰酸钾，形成正三角形。高锰酸钾扩散到水槽底部稳定后，将转台旋转角速度增大/减小，可以观察到Ekman螺旋的形成(如图2所示)。 图2 Ekman螺旋实验 2.2 泰勒(Taylor)柱实验

在密度均匀的旋转流体中做缓慢移动的物体上方，存在一个与该柱体一起移动的流体柱。也就是说该物体不但不会干扰四周流动，反而保持四周流动在旋转(垂直)方向一致，形成一个垂向“刚化”的流体柱。英国科学家G.I.Taylor于1923年首先证实发现这一奇特的现象，被人们称之为泰勒(Taylor)柱。 图3 Taylor柱实验

实验时在转台水槽中放置一个小型圆柱体，高度约为水深的一半。旋转水槽一段时间，使水槽中的水形成刚化流体，微小改变转速，形成相对流动，可以发现在圆柱上的水面产生绕流(如图3所示)。 2.3 罗斯贝(Rossby)波实验

罗斯贝(Rossby)波也称行星波，是频率远远小于惯性频率的低频波动，其恢复力是科氏力随纬度的变化［18］。Rossby波在全球海洋动力过程的调整中发挥着关键作用，被视为海洋响应大尺度大气强迫的关键动力过程之一;不仅使能量从东向西传播，维持中纬度地区的环流，而且使能量在西边界堆积产生了强的西边界流，如黑潮、湾流、东澳大利亚流等。因此在实验室中Rossby波的模拟就显得十分有意义。

实验中使用圆形水槽，在其中放入不同规模的圆锥作为底地形，来模拟不同的β平面近似，当逆时针旋转水槽时可起到模拟整个北半球带有科氏力的运动。通过对地形扰动激发的Rossby波的模拟，可以证明Rossby波的存在，也可以对其基本特性进行验证［19］。在实验中可以改变圆锥斜面的倾角或者加速/减速转台来产

生Rossby波。图4给出旋转实验在β=2.85时，对不同时刻捕获的流场分布图(图 4(a)、4(b)、4(c)、4(d)是不同时刻拍摄的图像资料进行合成所得到的，按照时间先后顺序排列的流动图像)，可以清晰地看到Rossby波的传播特征。 图4 Rossby波传播过程示意图(张晓爽和吕红民，2010) 3 创新性和成果

针对我校海洋科学专业的培养特点，我们对“流体力学实验”课进行了一系列的改革。其中，实验教学共分为流体力学实验理论、综合流体力学实验和自主设计实验三部分。在“流体力学实验”的理论课上，教师讲授流体力学实验的主要观测对象、基本的实验方法和仪器，国内外流体力学实验的发展现状，并演示经典流体力学实验;综合流体力学实验是利用管道、风洞等实验设备对流体力学的主要定律、重要的物理现象进行验证性的实验，并与理论结果进行比较，让学生熟悉仪器及测量方法;自主设计实验通过学生自身的观察和实践，探索有趣的物理现象，在实验中发现问题，变被动学习为自主学习，培养思考的能力。

风浪流循环水槽、内波水槽、小型旋转平台等自主研发实验平台的搭建较好地实现了将理论和实践相结合的实验目的。学生们将所学的专业知识应用到自主设计实验中来，进一步提高了学生灵活应用专业知识，全面思考以及自学能力，并激发了主动学习的兴趣。教学中发现，学生也更倾向于研究海洋、大气中的大尺度现象，尝试通过自主设计实验来模拟、呈现大尺度流体现象。小型旋转平台正逐渐成为海洋科学专业流体力学实验的最重要实验设备之一，它满足了学生对大尺度地球物理流体运动的好奇心，利用实验模拟方法研究大洋环流、大气环流和地球流体的基本运动现象。旋转流体实验对于揭示地球流体特征，模拟旋转条件下的海洋和大气运动具有不可替代的作用。

自2007年流体力学实验课增加了自主设计实验课时以来，学生每年都完成一定数量的自主设计实验。其中部分优秀成果整理后公开发表［19－20］，还有一些成

果在自主设计实验基础上继续深化研究，为学生开启了科研之路。在自主实际实验中，随着小型旋转平台搭建的日益完善，应用旋转平台的实验个数也逐年增加(如图5所示)，实验内容逐渐从地球流体地转现象的模拟观察向精确测量转变，对于地球流体运动的模拟不断深入。 4 结语

图5 2007年以来学生自主设计实验的数量统计(纵坐标单位:个)黑色填充为总的实验个数，黑色斜线为旋转平台实验的个数

我校海洋科学专业的流体力学自主设计实验已经开展多年，是对“流体力学实验”课程的一个重要的改革，旨在为学生创造一个初步进行科学研究、培养创新思维、锻炼动手能力的平台。进一步完善自主设计平台的设计和建设，使之更加适应新时代对学生的培养要求是流体力学实验发展的要求。小型旋转平台、内波水槽、风浪流水槽等一系列新型实验平台的搭建，增加了“流体力学实验”的范围，拓展与海洋科学专业相关的基本实验。尤其是小型旋转平台可以将地球流体的大尺度现象融入流体力学实验中，让学生有更多的选择性，大大提高了学生对流体力学，甚至是海洋学、大气动力学等专业课程的兴趣，开发了学生学习的潜力和实践能力。实践能力不是单纯培养学生的动手能力和操作能力，而是科学素质培养的一个重要组成部分。自主设计实验就是将实践能力的培养有机地融入到海洋科学人才培养体系中，着眼于人才的综合素质培养，是流体力学实验的创新。 参考文献( References) :

【相关文献】

［1］ 何新华.面向创新型人才培养的专业实验教学体系研究与实践［J］.实验技术与管理，2009，26(10):24－26.

［2］ 季宜敬，杨瑾，王洪洲.建设创新实验室提高大学生创新能力［J］.实验技术与管理，2009，26(12):134－136.

［3］ 束秀梅，李华南，罗媛媛.流体力学实验教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30(7):310－320.

［4］ 隋秀香，李春兰，阎凤元.流体力学北京市级实验教学示范中心建设［J］.实验室研究与探索，2014，33(9):158－161.

［5］ 张玲，洪文鹏，李岩.流体力学实验教学改革的探讨［J］.大学物理实验，2002，15(4):84－86.

［6］ 梁延鹏，曾鸿鹄，李艳红.基于实践能力培养的流体力学实验教 学改革［J］.当代教育理论与实践，2012，4(11):155－157.

［7］ 周桂云.流体力学实验教学改革探索［J］.中国科教创新导刊，2010(31):94.

［8］ 邓辉，张志宏，顾建农.面向应用创新型人才培养的流体力学实验教学改革［J］.实验室科学，2013，16(5):72－78.

［9］ 赵存有，刘训涛，曹贺.工程流体力学课程创新实践平台的构建［J］.实验技术与管理，2012，29(9):135－141.

［10］ 赵琴，江启峰，刘小兵.依托重点实验室构建地方高校研究生实验教学体系［J］.实验技术与管理，2015，32(12):22－25.

［11］ 曹勇，孟静，陈旭.流体力学自主设计实验教学模式探讨［J］.实验室科学，2017(2):144－146.

［12］ 王斌，翁衡毅.地球物理流体动力学［M］.北京:海洋出版社，1981.

［13］ 魏鼎文，叶笃正.热带风暴的结构及其螺旋云带的形成——模拟实验研究［J］.气象学报，1979(2):18－30.

［14］ 林上金，仲孝恭.旋转系统流动现象实验研究的某些进展［J］.水动力学研究与进展，1997(1):15－26.

［15］ 李国庆，Robin Kung，Richard L.Pfeffer.旋转流体物理实验中见到的大气环流特征［J］.气象学报，1993，51(4):405－413.

［16］ 李国庆.南极地区大气环流的流体物理实验［J］.中国科学，1995，55(6):655－6. ［18］ 叶安乐，李凤岐.物理海洋学［M］.青岛:青岛海洋大学出版社，1992:252－255. ［17］ 冯士笮，李凤岐，李少菁.海洋科学导论［M］.北京:高等教育出版社，1999:196－197. ［19］ 张晓爽，吕红民.利用旋转平台模拟Rossby波现象的实验研究［J］.中国海洋大学学报(自然科学版)，2010(s1):9－15.

［20］ 孙宇辰，姚恒恺，孟静，等.地形Rossby波的实验模拟研究［C］.第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会文集，海洋出版社，吴有生，颜开，孙宝江主编，2014，青岛.