展品“碰撞的渦環(huán)”研制始末

王尊宇

摘? 要：“碰撞的渦環(huán)”是一件創(chuàng)新展品，歷經(jīng)半年的研發(fā)制作，展品結(jié)構(gòu)幾次修改，最終研制成功?？梢哉f，這件展品的成功，取決于制作人員的堅持和流體力學(xué)研究人員提供的專業(yè)數(shù)據(jù)。文章從展品來源、制作過程、技術(shù)難點等幾方面介紹了展品的研發(fā)過程。研制這件展品，就是想讓大家觀看到這個有趣的、令人驚艷的現(xiàn)象，激發(fā)對科學(xué)的興趣和思考，引導(dǎo)大家深入探討相關(guān)理論內(nèi)容和實際的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：展品;渦環(huán);碰撞

中圖分類號：O359.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0023-03

Abstract： The exhibition "Colliding Vortex Ring" is an innovative exhibit. After half a year of research and development， the structure of the exhibition has been modified several times， and the final development has been successful. It can be said that the success of the exhibit depends on the persistence of the producers and the professional data provided by the fluid mechanics researchers. This paper introduces the research and development process of this exhibits from the aspects of source， production process， technical difficulties. The purpose of developing this exhibition is to let everyone see this interesting and amazing phenomenon， stimulate interest and thinking about science， and help to explore the relevant theoretical content and practical application.

Keywords： exhibit; vortex ring; collision

1展品來源

展品“碰撞的渦環(huán)”來源于網(wǎng)絡(luò)上的一段視頻，如果搜索“煙圈碰撞”或“碰撞煙圈”的字樣，現(xiàn)在仍能看到這段視頻[1]。

兩個煙圈發(fā)射器，發(fā)射出兩個顏色不同、大小相同的煙圈，相對飛行。兩個煙圈碰撞到了一起，并沒有相融在一起。而是沿著煙圈的碰撞面擴(kuò)散成一個大環(huán)，而且大環(huán)徑向分出了很多小煙圈，景象十分壯觀。（見圖1-3）

2018年6月，筆者輾轉(zhuǎn)聯(lián)系上南京一位大學(xué)物理教授，了解到網(wǎng)絡(luò)上“碰撞煙圈”實際上是水中的渦環(huán)，他們制作過水中渦環(huán)的碰撞試驗（圖4），并保留著試驗設(shè)備。之后，筆者前去考察了這套設(shè)備。

教授還向筆者推薦了一篇論文：《橢圓渦環(huán)相互作用的離散渦數(shù)值模擬》，通過這篇論文，筆者了解到“碰撞的渦環(huán)”科學(xué)原理及展示現(xiàn)象。

7月，筆者又從網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)一段視頻[2]，說的國外人員用三年時間研究出水中渦環(huán)的碰撞設(shè)備，視頻上的演示效果比之前的還要令人驚艷（圖5）。

于是，筆者以這套設(shè)備為基礎(chǔ)，并借鑒國外的研究視頻，開始著手進(jìn)行展品制作。

2 展示內(nèi)容

那么，“碰撞的渦環(huán)”到底是一件展示什么內(nèi)容的展品呢？

首先要了解什么是渦環(huán)。渦環(huán)，也被稱為環(huán)形渦流，是流體或氣體中的圓環(huán)形狀的渦流。渦環(huán)中最主要流動是環(huán)形的，更準(zhǔn)確地說是極向的[3]。

渦環(huán)具有兩個特點：

首先，渦環(huán)在液體和氣體的湍流中很常見，但人們看不到，除非液體或氣體的運動被混雜其中的懸浮粒子顯示了出來。例如，生活中常見的煙圈就是典型的渦環(huán)（圖6）。

其次，渦環(huán)的運動方向和環(huán)平面是相垂直的（圖7），并且環(huán)內(nèi)邊緣的移動速度要比外緣的移動速度更快。在靜止流體中，渦環(huán)可以攜帶著旋轉(zhuǎn)的液體，行進(jìn)相當(dāng)長的距離。這就解釋了為什么一個煙圈在外圍的煙霧已經(jīng)消散后還能夠繼續(xù)向前移動的原因。

“碰撞的渦環(huán)”主要展示了渦環(huán)在運動過程中表現(xiàn)出來的一個有趣的現(xiàn)象。

按下按鈕，接通電源。在展品的水箱兩側(cè)有兩個渦環(huán)發(fā)射機(jī)構(gòu)，同時發(fā)射出兩個大小一樣、密度相同、速度相同，顏色不同的渦環(huán)。兩個渦環(huán)正面相對飛行，碰撞在一起，碰撞后的渦環(huán)并沒有相融消散，而是沿著兩個渦環(huán)之間的碰撞面徑向變成了一個大環(huán)，大環(huán)分裂成很多小環(huán)，然后消散在空氣中，現(xiàn)象十分奇妙。

碰撞在一起的兩個渦環(huán)，背后蘊(yùn)含著復(fù)雜的科學(xué)原理。簡單一點來說呢，就是“兩個轉(zhuǎn)動方向相反的同軸渦環(huán)彼此靠近時，誘導(dǎo)速度的作用傾向于使每一個渦環(huán)擴(kuò)大，隨著兩個渦環(huán)的相向運動，兩個渦環(huán)沿軸線的速度都逐漸減小，而渦環(huán)的直徑逐漸增大，直到兩個渦環(huán)碰撞發(fā)生后，沿軸線方向的速度迅速變?yōu)榱愣鴾u環(huán)的直徑急劇增大，隨后大約在四倍初始直徑處形成一系列的小渦環(huán)”。[4]

3 展品參數(shù)

制作完成的展品“碰撞的渦環(huán)”具體參數(shù)如下（圖8）：

工作流程（圖9）：

4 設(shè)計原則

無論是國外視頻中成功的試驗，還是大學(xué)教授的原始試驗，他們制作出的設(shè)備更接近于試驗室的試驗設(shè)備，與做成科技館的展品進(jìn)行展示有一定距離。考慮到科技館展品的展示要求，筆者在設(shè)計展品時制定了如下原則：

4.1 操作的安全性

展品設(shè)備必須密封，不能讓觀眾觸碰到箱體里的水。因此，在展品箱體外設(shè)置了一個Π型不銹鋼裝置，溶液管路、電源線路、照明裝置等設(shè)備均隱藏在其中。這樣，維修時可以打開裝置;展示時，裝置蓋在水箱上，保證了展品的密閉性。

按下按鈕，發(fā)射兩個渦環(huán)進(jìn)行對撞，然后蠕動泵工作，將液體注入發(fā)射器中，整個演示需要將近30秒的時間。為了便于觀眾操作，在按鈕上增加了控制燈，觀眾按下按鈕后控制燈熄滅，這時即使觀眾再按按鈕，展品也不會工作。等整個演示結(jié)束，控制燈再度亮起，觀眾按下按鈕，展品才會繼續(xù)演示。

4.2 展示的便利性

從國外視頻中可以看到：試驗設(shè)備中的水不是循環(huán)的，使用后將污染的水排出，再注入干凈的水。為了便于展品的展示，箱體里的水必須能夠循環(huán)，不能頻繁更換。因此，筆者設(shè)計了一套水循環(huán)清潔系統(tǒng)。水箱中間有個出水口，箱體里有水泵，水泵定時工作，將污染了的水吸到展品箱體里的水箱中，經(jīng)過凈化后再循環(huán)到展臺上的水箱中。

4.3 維修的便利性

筆者通過反復(fù)試驗，將蠕動泵每次抽取輸送的溶液確定在0.5ml，這樣既能保證擊打出完整的渦環(huán)，又能保證每次擊打后只剩余少量的溶液。

展品演示一遍約需30秒，在參觀旺季，假設(shè)一天8個小時不間斷地按下開關(guān)，至少需要480ml的溶液。因此，筆者制作的溶液容器盒能夠盛放600ml，保證每天的使用。此外，筆者還在盛放溶液的容器上加裝報警裝置，當(dāng)溶液減少到警界值時就亮燈提示，這樣展品維護(hù)人員能夠很快地增加紅藍(lán)溶液。

5 展品的技術(shù)難點

在展品制作過程中，出現(xiàn)了許多始料不及的問題，為制作帶來極大困難。可以說，筆者是邊做邊修改，直至解決問題。

5.1 水循環(huán)清潔系統(tǒng)

筆者最初采用了五層活性碳加過濾棉來清潔水，但凈化效果不理想。之后筆者咨詢了膜生產(chǎn)廠家，想用膜構(gòu)件來清潔水，得到答復(fù)是：做過實驗，膜不能將污染了墨水的水進(jìn)行凈化。就此問題筆者又請教了大學(xué)的化學(xué)老師，能否不用化學(xué)方法凈化污染的染料水？回復(fù)是很難。最后，筆者通過網(wǎng)絡(luò)，找到一家污水處理公司，專業(yè)人員的回復(fù)是：可以用化學(xué)方法（微生物）將染料污水進(jìn)行凈化，但過程至少需要36個小時以上，且設(shè)備體積較大，不適用于這件展品。

由于無法解決這個問題，筆者只能易轍改弦，采用了化學(xué)方法：將酚酞加入氫氧化鈉溶液里，液體呈紅色;百里香酚酞加入氫氧化鈉溶液，液體呈藍(lán)色。水箱中加稀釋后的冰醋酸，冰醋酸與氫氧化鈉溶液發(fā)生中和反應(yīng)，啟動水循環(huán)系統(tǒng)后，紅、藍(lán)色會自動消融。

5.2 保證水箱的正常水環(huán)境

在正常的水環(huán)境里，酚酞渦環(huán)的性質(zhì)穩(wěn)定，擊打出的渦環(huán)顏色均勻，碰撞后效果明顯。為了保證水箱里是正常的水環(huán)境，筆者設(shè)計了一套機(jī)構(gòu)，能夠在展臺下的水箱里加酸，然后進(jìn)行酸堿中和，中和后的水過濾并循環(huán)回展臺上的水箱。并計算得出觀眾操作幾次后進(jìn)行水循環(huán)，循環(huán)一次要加入多少ml的酸。

5.3 雷諾數(shù)與展示效果

展品制作完成后，展示效果不太理想，渦環(huán)碰撞后未形成大的渦環(huán)就消散了。于是，筆者向《橢圓渦環(huán)相互作用的離散渦數(shù)值模擬》的作者請教，該作者回復(fù)說：（碰撞的渦環(huán)）展示效果與雷諾數(shù)有關(guān)。雷諾數(shù)是表征流動的一個無量綱準(zhǔn)則數(shù)，其數(shù)值越小，展示效果越好。降低雷諾數(shù)有三個方法：（1）增大活塞直徑;（2）減小兩個活塞之間的距離;（3）降低發(fā)射速度。

因渦環(huán)發(fā)射筒已制作完成，改動需重新制作;因此，筆者主要從后兩個方法進(jìn)行改動：將兩個活塞之間的350mm間距減小到200mm，并將發(fā)射速度降到最低。這樣整改后，演示效果果然得到很大改善。

6 結(jié)束語

展品“碰撞的渦環(huán)”是一件創(chuàng)新展品，在制作過程中幾經(jīng)修改完善，試運行階段，更是不斷地發(fā)現(xiàn)問題并解決問題?？梢哉f，這件展品的成功，取決于制作人員的堅持和相關(guān)研究人員提供的專業(yè)數(shù)據(jù)，同時也說明研發(fā)一件創(chuàng)新展品的困難與艱辛?，F(xiàn)在展品功能比較齊全，設(shè)計比較合理，正式向觀眾展出后也得到了觀眾的肯定。

雖然到現(xiàn)在，科學(xué)家們還沒有認(rèn)識到渦環(huán)碰撞的實際意義與應(yīng)用，但筆者展示這樣一件展品，就是想讓大家觀看到這個有趣的、令人驚艷的現(xiàn)象，從而激發(fā)對科學(xué)的興趣和思考，引導(dǎo)大家深入探討相關(guān)理論內(nèi)容和實際的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1][EB/OL].https：//tv.sohu.com/20140125/n394168038.shtml？pvid=c37eb8a749117397

[2]慢鏡頭下的渦環(huán)撞擊如此美妙！教會你的不只是科學(xué)還有做人[EB/OL].http：//k.sina.com.cn/article_6042105398_m16823363603300ar7a.html

[3]Vortex ring——Wikipedia[Z].

[4]王智偉，陳斌，郭烈錦.橢圓渦環(huán)相互作用的離散渦數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2009，30（07）：1149-1151.