试论科里奥利效应在给排水工程中的应用

2018-02-14单晓文

建材与装饰 2018年13期

单晓文

（太原学院环境工程系　山西太原　030000）

前言

科里奥利力是由于地球自转导致的一种惯性力，对自然界和人类生活有着不可忽视的影响。本文通过简单的假设实验来探讨科里奥利效用原理，同时列出了科里奥利力的计算公式。通过对科里奥利效用原理研究阐述科里奥利力在给排水工程中的引用，引导人们更加深入地去了解科里奥利力，促使科里奥利效用在给排水工程中发挥更大更有益的作用。

1　科里奥利效应理论概述

1.1　科里奥利效应的提出

法国数学家科里奥利在1835年提出科里奥利力，并以此描述为在旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性影响在旋转体系产生偏移的一种现象。科里奥利力是在牛顿运动定律的基础上提出的，以非惯性参照系中的旋转体系为参照系，物体在以旋转体系为参照系下产生的惯性现象则为科里奥利效用。从物理学的角度观察，科里奥利力是一种特殊且不存在的惯性力，而科里奥利效用是在非惯性系统内考虑。

1.2　实验验证里奥利效应

我们通过一个简单的假设实验来理解科里奥利效应的原理：在水平位置放置一个光滑的圆台，圆台以恒定的角速度ω转动，并在圆台中心打一孔洞记为o，将一小球与孔洞o通过细线连接；小球以一定速度v从圆台中心向任意位置发射。①在理想状态下：小球在圆台上运动时间为t1在A1点冲出圆台，小盘转过的角度为ωt1，小球的运动距离为oA1。②在实际状态下：由于将地球为惯性参照体系，小球在运动时有径向的相对速度V2，小球在圆台上运动时间为t2，实际运动的位置为A2，且从圆心到达A2的时间t2可能小于t1。这就是科里奥利效应，出现这种现象的原因是因为将视为质点的球体在运动体系中所认为的匀速运动与惯性体系中的匀速直线系统不同所导致的。在运动系统中的质点，匀速直线运动是造成质点相对于圆台的速度不变的运动。而在惯性中系统中，匀速直线运动是相对于地面速度不变的运动。

假如把地球看做位非惯性系统，将地球上运动的物体视为质点，以地球为参考系，此时物体产生的科里奥利力的表达式为f·K=-2mω×v，在不考虑其他的情况下，比如南北运动和东西运动的物体，如果用矢量分析法中的右手螺旋法则，我们就很容易理解其在运动轨迹上的偏转。

2　科里奥利效应在给排水工程上的应用

2.1　江河边取水站位置的确定

众所周知，自然地理中有一条从实际生活观察总结的著名规律——柏而定律，是指即北半球河流右岸比较陡峭，南半球则左岸比较陡峭。为什么会产生这样的现象？通过科里奥利效应我们了解在北半球以上的河水由于地球自转和自身河水流动速度的共同作用下产生了科里奥利效应，通过右手旋转定则确定出河水偏向右岸。偏向右岸的河水中携带大量的泥沙，泥沙在河岸的阻挡下慢慢堆积，这就是为什么北半球河流右岸比较陡峭的原因了。地表水取水站位置的选择是否得当，不但影响取用水的水质、水循环、用水量，而且还影响取水站的投资、施工、运行等经济效应。选择合适的取水位置是取水站工程的一项重要部分，在选取取水站位置之前我们需要确定的目标是：取水位置定于稳定的河床和河岸旁，有足够的流水量和水深。以这为目标我们选取的位置应该确定在弯曲的河段上，且位置靠向河流的凹岸。因为水流在科里奥利力和地球自转惯性作用下所形成的凹岸是没有泥沙堆积的，并且河水足够深能保证用水量，是理想的取水地点。

2.2　科氏流量计

科氏流量计是市场上一种精确测量质量流量的流量计，是科里奥利效应在实际生活中最广泛的应用之一。科氏流量计的工作原理是在科里奥利效应为基础的理论上提出来的，它是利用了金属元件材料弹性体的共振特点，金属元件在有流体流动和无流体流动下震动的特性不同，通过震动特性的差异来确定震动系统的相对位差和质量流动的关系。科氏流量计能测量液体、气体、液气混合体和糊状状态下的流体质量，主要因为科氏流量计测量方式能有效减少流动体在压力、温度、密度、流动状态等参数变化下测量误差，大大增加了测量精度。现实生活中科氏流量计受到广大用户的喜爱，因为在给排水工程中相对于以往通过测量流体的密度和体积再计算得出质量的旧办法，它能直接精确测量管道内流体的质量流量等数据，大幅度减少了工作量还加强了工作效率，科氏流量计是一件性价比高并且实用的好产品。

2.3　水力混合、反应池

科里奥利效应在水力混合反应池的设计上也有广泛的运用，要想设计的水力混合反应池高效节能，必须让反应池内的水流方向与科里奥利力方向相同。同样在设计盘管式交换器时，也要让盘管内水流方向与科里奥利力作用方向保持一致，水流方向和科里奥利方向保持一致能有效的减少水压对盘管内的磨损。在自来水厂中常见的隔板反应池也就是水力搅拌式反应构筑物，它有回转式和往返重复式两种类型，在回转式隔板反应池中的水流在反应池的转弯处水头损失较大，损失的水头降低了反应池内絮凝效果，在回转式隔板反应池的设计之中应该考虑这部分水头损失。反应池的设计结合科里奥利力效应所得出结论：在北半球上反应池的水流方向按顺时针方向设计，南半球上反应池的水流方向按逆时针方向设计，水流方向与科里奥利力方向相同，减小水头损失提高工作效率。