超重和失重状态下液体浮力公式的推导及应用

关于浮力问题，初中阶段只讨论了流体在静止状态下的浮力，并给出了此时浮力计算公式F浮=ρ液gV排；高中物理教材中并没有专门讨论浮力问题，但是在讨论超重和失重状态时常会和浮力联系在一起，那么在超重和失重状态下浮力怎样计算呢?同学们是否能运用初中所学的知识解决新的问题呢?下面我们就利用初中和高中所学知识帮助同学们推导超重和失重情况下的浮力计算公式，并利用它讨论一些与超重、失重有关的浮力问题．     

各向异性浮力紊流的显式代数应力模型及其验证

在Wallin & Johansson的显式代数雷诺应力模型(EARSM)基础上,引入浮力的紊动效应,使该模型能够反映浮力对紊流运动的影响.利用同位网格上的SIMPLEC算法,模拟了T-型连接管内的温度混合流动.与实验资料和DNS计算结果比较表明,提出的模型能够反映各向异性的浮力紊流特征,而且模型在计算进程中显示出良好的数值收敛性能,与涡粘性两方程模型的计算花费相当.     

浮力实质的演示

学习阿基米德定律时,有些学生常常错误地认为只要物体浸在液体中排开了一定量的流体,就必然受到浮力的作用,就可以用F=ρVg计算物体受到的浮力;而忽视了公式的适用条件——只适用于漂浮体和悬浮体,不适用于沉体(底面与液体无接触物体)的浮力计算。如果物体下表面与液体不接触,     

外加磁场强度对高温超导磁悬浮力影响的分析

高温超导磁悬浮力的分析计算是超导磁悬浮技术实用化的一个重要课题。介绍了超导磁悬浮的基本原理。分析了外加磁场强度对磁悬浮力的影响,计算了存在外施磁场下的悬浮力,并设计实验测量相应悬浮力的大小。基于ANSYS软件对两种磁悬浮模型仿真分析,研究了不同模型和参数下的磁力线分布。仿真和实验结果对超导磁悬浮技术的应用具有参考价值。     

封闭通道浮力对流下阵列光束热晕效应分析

研究了高功率激光在封闭通道传输时,空气吸收激光能量引发的浮力对流对热晕效应的影响。建立了浮力对流下热晕效应的物理模型,采用数值计算方法分析了热传导和对流传热这两种影响光束质量的因素,发现浮力对流对封闭通道内热晕效应有削弱作用,并且会造成光束质心漂移。研究了不同排布方式下阵列光束的远场光斑形状、光束质量和光斑质心漂移。结果表明,阵列光束间相互作用下的浮力对流更强,对热晕效应的削弱作用更强,不同排布方式下不同位置处光束的情况不同,通过选择合适的排布方式可以找到优化的光束质量和质心漂移。验证了利用轴向风可以抑制热晕效应的方法,结果表明浮力对流的存在会促进热晕效应的减弱,当轴向风逐渐增大时,热晕逐渐被抑制,浮力对流的影响逐渐消失。     

考虑空气阻力、浮力用落球法精确测定重力加速度的研究

在落球法测定重力加速度的实验中,作者研究了空气阻力、浮力对实验结果的影响,推导出了计算重力加速度的两个简单公式,用实验数据计算出的g值更接近于标准值.     

温度和场冷间隙对高温超导磁悬浮系统弛豫的影响

悬浮力是高温超导磁悬浮列车运行中的一个至关重要的参数.悬浮力的弛豫特性是高温超导磁悬浮列车安全运行的一大阻碍.适度降低工作温度是有效改善悬浮力弛豫特性的有效手段之一.本文从数值计算和实验两个层面研究了不同冷却温度和不同场冷间隙下的悬浮力的弛豫现象.发现悬浮力的弛豫现象随着超导块冷却温度的降低而减弱，随着场冷间隙的增大而略微增大，但是随着冷却温度的降低，增大程度会有所减弱.该研究有助于通过合理设计高温超导材料工作温度，以提高磁悬浮系统性能表现.     

垂直下落球体运动的数值分析

在考虑空气浮力和阻力情况下,对垂直下落物体运动进行了分析.通过数值计算的方法,对比萨斜塔铁球下落及雨滴下落两个运动进行了描述.     

气泡与弹性膜的耦合效应数值模拟

本文在前人研究的基础上,计入浮力、表面张力、不同流体密度比等因素对弹性膜附近气泡运动的影响,结合不可压缩理想流体理论,建立气泡与弹性膜耦合动力学数值模型,采用边界元方法进行求解,计算值与Turangan等的实验结果符合良好.通过对弹性膜附近气泡运动的数值模拟,详细分析了弹性膜两侧为同种密度液体以及不同密度液体时气泡的运动,随后又分析气泡在弹性膜和浮力的共同作用下气泡的射流特性.旨在为相关气泡与弹性膜相互作用特性的研究提供参考. 关键词： 弹性膜 边界元法 气泡 浮力     

圆形线圈对超导球体的悬浮力特性分析

针对超导球体和圆形线圈之间的力的作用,介绍了一种简化而有效的计算悬浮力的方法。在此基础上,对线圈和超导球体的几何形状尺寸以及两者之间的相对位置关系对悬浮力的影响进行了综合的分析和讨论;对悬浮力在随着线圈和超导球体的具体参数的变化规律做了定量的分析。总结出的结论为超导悬浮系统的分析和设计提供重要的参照。     

湍流预混火焰中的浮力效应

本文利用数值模拟研究了浮力对湍流预混V形火焰平均速度场的影响,发现浮力效应主要体现在远场区域,而在火焰刷附近非常有限;利用落塔和 OH-PLIF 方法在正常重力和微重力下观测了火焰皱褶,发现浮力压制火焰皱褶的程度与湍流强度密切相关。分析表明斜压机理是浮力影响火焰皱褶的重要原因。     

THE NATURE OF NATURAL CONVECTION IN BINARY GASES DUE TO HORIZONTAL TEMPERATURE AND VERTICAL CONCENTRATION GRADIENTS

Abstract

Results are presented that illustrate the effect of augmenting or opposing thermal and solutal body forces on the flow, temperature and concentration distributions. For augmenting buoyancy forces, the flow field is very similar to that for a single-component fluid. Multicellular flow patterns are observed for opposing buoyancy forces that depend on the buoyancy parameter. The solutal buoyancy force does not dominate the flow field for all values of opposing body forces, because the solutal gradient is vertical. The concentration gradient affects the natural convection through both the additional buoyancy force and the thermophysical properties of the gas mixture.     

多离散源驱动的双扩散自然对流传输结构

本文通过"矢量线,,可视化方法,解析了一个方腔内由双离散热源和污染源驱动的双扩散自然对流系统的传输结构.发现在不同浮升力比下,该系统存在着三种明显不同的宏观传输结构,即由热浮升力主导的传输结构,由热质浮升力共同支配的传输结构以及由质浮升力主导的传输结构.     

液体浮力产生原因演示器

针对学生难以理解和掌握液体浮力产生原因的问题,利用烧杯、石蜡等简易材料设计并制作了液体浮力演示装置.该实验装置可以通过控制烧杯中石蜡上下表面受到液体压力来操纵石蜡的沉浮,进而演示出浮力的实质.     

Mechanism on oscillating lifted flames in nonpremixed laminar coflow jets

The oscillating lifted flame in a laminar nonpremixed nitrogen-diluted fuel jet is known to be a result of buoyancy, though the detailed physical mechanism of the initiation has not yet been properly addressed. We designed a systematic experiment to test the hypothesis that the oscillation is driven by competition between the positive buoyancy of flame and the negative buoyancy of a fuel stream heavier than the ambient air. The positive buoyancy was examined with various flame temperatures by changing fuel mole fraction, and the negative buoyancy was investigated with various fuel densities. The density of the coflow was also varied within a certain range by adding either helium or carbon dioxide to air, to study how it affected the positive and negative buoyancies at the same time. As a result, we found that the range of oscillation was well-correlated with the positive and the negative buoyancies; the former stabilized the oscillation while the latter triggered instability and became a source of the oscillation. Further measurements of the flow fields and OH radicals evidenced the important role of the negative buoyancy on the oscillation, detailing a periodic variation in the unburned flow velocity that affected the displacement of the flame.     

"显压浮子"实验装置

为了弥补现行教科书中浮力产生原因的知识呈现的不足,设计了符合学生认知规律的正方体显压浮子实验装置.该装置的特征是通过“U”型压强计系统能够在正方体上直接显示上下表面所受压强不同,从而形象地表明浮力产生的原因.     

Interaction between buoyant and solutocapillary convections induced by a surface-active source placed under the free surface

The onset and stability of solutal (buoyancy and Marangoni) convection induced by a localized source of surface-active substance placed under an interface were studied both experimentally and theoretically. It was shown that the competition between the buoyancy and solutocapillary convection can lead to the onset of oscillatory convection. The period of the observed oscillations appreciably depends on the relation of Grashof and Marangoni numbers and on the aspect ratio of the geometrical sizes of the problem. It was found out that an increase of the buoyancy contribution leads to the onset of stationary convection instead of oscillatory one.     

水下火箭水平射流初期特征研究

水中工作固体火箭发动机处于重浮力同时作用环境下, 与工作于大气环境下的固体火箭发动机具有不同的工作特性. 为进一步掌握水下固体火箭发动机的工作特性, 对具有重浮力特征的水下射流进行研究, 重点分析重浮力作用下水平喷射射流结构及推力振荡情况, 采用VOF模型对水平喷射且具有重浮力特征的三维发动机模型进行仿真模拟, 对比有/无重浮力下射流气泡的上浮特征, 并采用动量原理对发动机工作初期的射流扰动进行分析, 获得了重浮力下水下固体火箭发动机的推力振荡特征. 研究结果表明: 由于重浮力逐渐占据主导地位, 射流气泡具有明显的上浮特征, 推力与重浮力耦合后在竖直方向产生的翻转力矩更大, 通过与文献中实验对比可见, 采用VOF模型并考虑重浮力后仿真所得射流结构与实验结果更吻合.     

气压对颗粒物质振动分离的影响

文章作者系统地研究了垂直振动颗粒床中，在不同气压、颗粒尺寸以及密度情况下大球的运动规律。实验发现，系统处于真空状态或低气压时，大球总是向上运动。然而，当在通常大气压下，大球则会出现上升和下降两种运动状态。大球下降这种运动状态，只在大球的密度和颗粒床中颗粒尺寸足够小时才会出现，颗粒床中的负气压梯度导致大球下降。     

Effects of air on the segregation of particles in a shaken granular bed

Effects of interstitial air on the motions of a large intruder in a shaken granular bed are studied experimentally as a function of ambient air pressure, particle size of the bed, and the density of the intruder. It is found that the intruder always rises from the granular bed in the absence of air. However, the intruder can acquire both positive and negative buoyancy in the presence of air. Negative buoyancy can be observed only when both the density of the intruder and the particle size of the bed are small enough. This negative buoyancy can be explained by the unusual air pressure distribution found in the bed.