课题7 Spiral Waves

No.7 Spiral Waves

Spiral waves and other types of wave patterns may occur on a thin liquid film flowing over a rotating disk. Investigate these wave patterns.

指导教师：姚红英

学生：蔡博文周小圆张水森

通过探究在旋转盘上流动的薄层液体，研究可能出现的各种水波的模式。并初步探究不同模式的水波产生与什么因素相关。

可能的相关因素： 1、圆盘转动角速度 2、水流流速 3、水流层厚度

1、螺旋波（受圆盘转动速度影响）：

2、水跃（受水流速度影响）：

简单整理装置，搭建出进行实验的初步框架，并尝试着做出大致的实验现象。

接下去的计划：
1、寻找合适的流量计、喷嘴与水管，搭建起能显示与控制流量的水流输入系统；四根长80cm的铁棒/铁片，搭建固定喷嘴保持竖直向下的装置
2、在原来大的金属圆盘上安装一个较小的光滑圆盘（直径40cm,最好是玻璃），以使水层更薄和更易测量数据。

产生的问题：
1、如何测量水层的厚度。（可能可以借助玻璃仪器，通过光的折射反射来测量）
2、如何计算流出圆盘的水量，以精确控制流速,并且购置量程适宜的流量计
3、如何令圆盘表面尽可能的光滑，从而降低水层的厚度。

（迟到的记录）
改进了实验装置（有机玻璃旋转面、固定喷嘴的支架）

水波1

测试了新的圆形有机玻璃，效果不错。
马利奥特瓶的水流速度太小，无法覆盖整个盘面，暂时仍考虑使用水龙头加水的方式。
准备购置管径较小的水管，并在接近圆盘的地方放水，以使中心圈不会受到水流撞击盘面所产生初速度的影响。

接下来的任务：
通过测量实验中的一些数据，如螺旋波的形状、圆盘的转速以及液面的高度（暂时没想好怎么测量），验证文献中的公式。

拍照测量螺旋波与半径方向的夹角，发现照片效果不好，拍出来的水波难以识别。
勉强用一张照片粗侧了一组角度的数据，绘制成图形，基本满足如螺旋波一般角度不断增大的现象。

此外，还观察到了波形态的改变，又无明显波纹到开始出现个别条痕明显且稳定存在的螺旋波，再出现条痕明显但波数量显著增加且相互之间交叠成网状。
分别如左图和右图。

定量地测量了流量的大小：
以下记转速为Ω，流量为Q，左图和右图分别对应给定Ω中临界的较小流量和较大流量的水波形态。
其中Q1代表开始出现个别条痕明显且稳定存在的螺旋波时的流量，Q2代表开始出现条痕明显但波数量显著增加且相互之间交叠成网状时的流量。

分析：
1、定性分析3组实验表明：螺旋波的产生在给定的转速下需要满足一定的流量范围，较小的流量不会产生螺旋波，较大的流量下螺旋波会从数量较少演变成数量显著增多，且交叠成网状。
2、随着转速的逐步增大，产生螺旋波的最小流量也增加，螺旋波形态变化的临界流量也增大。
3、第二组实验的Q1与与第一和第三组实验数据存在较大差异，经过讨论分析后认为这与实验中凭借肉眼判断波痕明显的螺旋波的出现有关，由此导致判断的主观性和不准确。

期中汇报PPT：
课题7报告.ppt

实验设备搭建：

重要文献：
thin_film_flow_simulation_on_a_rotating_disc.pdf

你们得开始做实验了！在哪里做实验，怎么做实验，有想法吗？ — 乐永康 2017/03/22 22:04
我们小组本周六下午在姚老师的办公室物理楼341会面，讨论一下实验该如何开展。 — 蔡博文 2017/03/23 20:25
去年做“Topic 11: Rollling on a Disc”课题的设备你们可能可以用，但要注意安全，特别是要做好漏电防护！ — 乐永康 2017/03/25 12:38

你们利用这个装置直接做实验了？电路上没有任何处理？这个太危险了！！！！没有做好改造，不允许再在这个设备上通水做实验了！— 乐永康 2017/03/25 18:56
我们把电机拆下来放到旁边，然后在连通的电线外面绑了塑料袋用于防水。 — 蔡博文 2017/03/25 20:32

去年研究课题10的同学用了马里奥特瓶，可以很好地实现水流恒定。 — 乐永康 2017/03/25 19:08

建议以上引用图片用小字注明来源，这样方便查阅。另外上面给出的参考装置尺度好像比较小，也许可以使用步进电机自己搭建一个（电路系统由16年滞后摆课题参考给出），转盘的尺寸兴许可以由文献中的一些参数大致确定，荷载不要太大就行。这样又安全又方便可调~ — 朱冰冰 2017/03/30 12:01
装置已经确定了，直径30~40cm的玻璃板。转盘采用去年TOPIC11 的设备。—张水森 2017/03/30 18:04