展品“碰撞的涡环”研制始末

王尊宇

摘  要：“碰撞的涡环”是一件创新展品，历经半年的研发制作，展品结构几次修改，最终研制成功。可以说，这件展品的成功，取决于制作人员的坚持和流体力学研究人员提供的专业数据。文章从展品来源、制作过程、技术难点等几方面介绍了展品的研发过程。研制这件展品，就是想让大家观看到这个有趣的、令人惊艳的现象，激发对科学的兴趣和思考，引导大家深入探讨相关理论内容和实际的应用。

关键词：展品;涡环;碰撞

中图分类号：O359.1        文献标志码：A         文章编号：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展品来源

展品“碰撞的涡环”来源于网络上的一段视频，如果搜索“烟圈碰撞”或“碰撞烟圈”的字样，现在仍能看到这段视频[1]。

两个烟圈发射器，发射出两个颜色不同、大小相同的烟圈，相对飞行。两个烟圈碰撞到了一起，并没有相融在一起。而是沿着烟圈的碰撞面扩散成一个大环，而且大环径向分出了很多小烟圈，景象十分壮观。（见图1-3）

2018年6月，笔者辗转联系上南京一位大学物理教授，了解到网络上“碰撞烟圈”实际上是水中的涡环，他们制作过水中涡环的碰撞试验（图4），并保留着试验设备。之后，笔者前去考察了这套设备。

教授还向笔者推荐了一篇论文：《椭圆涡环相互作用的离散涡数值模拟》，通过这篇论文，笔者了解到“碰撞的涡环”科学原理及展示现象。

7月，笔者又从网上发现一段视频[2]，说的国外人员用三年时间研究出水中涡环的碰撞设备，视频上的演示效果比之前的还要令人惊艳（图5）。

于是，笔者以这套设备为基础，并借鉴国外的研究视频，开始着手进行展品制作。

2 展示内容

那么，“碰撞的涡环”到底是一件展示什么内容的展品呢？

首先要了解什么是涡环。涡环，也被称为环形涡流，是流体或气体中的圆环形状的涡流。涡环中最主要流动是环形的，更准确地说是极向的[3]。

涡环具有两个特点：

首先，涡环在液体和气体的湍流中很常见，但人们看不到，除非液体或气体的运动被混杂其中的悬浮粒子显示了出来。例如，生活中常见的烟圈就是典型的涡环（图6）。

其次，涡环的运动方向和环平面是相垂直的（图7），并且环内边缘的移动速度要比外缘的移动速度更快。在静止流体中，涡环可以携带着旋转的液体，行进相当长的距离。这就解释了为什么一个烟圈在外围的烟雾已经消散后还能够继续向前移动的原因。

“碰撞的涡环”主要展示了涡环在运动过程中表现出来的一个有趣的现象。

按下按钮，接通电源。在展品的水箱两侧有两个涡环发射机构，同时发射出兩个大小一样、密度相同、速度相同，颜色不同的涡环。两个涡环正面相对飞行，碰撞在一起，碰撞后的涡环并没有相融消散，而是沿着两个涡环之间的碰撞面径向变成了一个大环，大环分裂成很多小环，然后消散在空气中，现象十分奇妙。

碰撞在一起的两个涡环，背后蕴含着复杂的科学原理。简单一点来说呢，就是“两个转动方向相反的同轴涡环彼此靠近时，诱导速度的作用倾向于使每一个涡环扩大，随着两个涡环的相向运动，两个涡环沿轴线的速度都逐渐减小，而涡环的直径逐渐增大，直到两个涡环碰撞发生后，沿轴线方向的速度迅速变为零而涡环的直径急剧增大，随后大约在四倍初始直径处形成一系列的小涡环”。[4]

3 展品参数

制作完成的展品“碰撞的涡环”具体参数如下（图8）：

工作流程（图9）：

4 设计原则

无论是国外视频中成功的试验，还是大学教授的原始试验，他们制作出的设备更接近于试验室的试验设备，与做成科技馆的展品进行展示有一定距离。考虑到科技馆展品的展示要求，笔者在设计展品时制定了如下原则：

4.1 操作的安全性

展品设备必须密封，不能让观众触碰到箱体里的水。因此，在展品箱体外设置了一个Π型不锈钢装置，溶液管路、电源线路、照明装置等设备均隐藏在其中。这样，维修时可以打开装置;展示时，装置盖在水箱上，保证了展品的密闭性。

按下按钮，发射两个涡环进行对撞，然后蠕动泵工作，将液体注入发射器中，整个演示需要将近30秒的时间。为了便于观众操作，在按钮上增加了控制灯，观众按下按钮后控制灯熄灭，这时即使观众再按按钮，展品也不会工作。等整个演示结束，控制灯再度亮起，观众按下按钮，展品才会继续演示。

4.2 展示的便利性

从国外视频中可以看到：试验设备中的水不是循环的，使用后将污染的水排出，再注入干净的水。为了便于展品的展示，箱体里的水必须能够循环，不能频繁更换。因此，笔者设計了一套水循环清洁系统。水箱中间有个出水口，箱体里有水泵，水泵定时工作，将污染了的水吸到展品箱体里的水箱中，经过净化后再循环到展台上的水箱中。

4.3 维修的便利性

笔者通过反复试验，将蠕动泵每次抽取输送的溶液确定在0.5ml，这样既能保证击打出完整的涡环，又能保证每次击打后只剩余少量的溶液。

展品演示一遍约需30秒，在参观旺季，假设一天8个小时不间断地按下开关，至少需要480ml的溶液。因此，笔者制作的溶液容器盒能够盛放600ml，保证每天的使用。此外，笔者还在盛放溶液的容器上加装报警装置，当溶液减少到警界值时就亮灯提示，这样展品维护人员能够很快地增加红蓝溶液。

5 展品的技术难点

在展品制作过程中，出现了许多始料不及的问题，为制作带来极大困难。可以说，笔者是边做边修改，直至解决问题。

5.1 水循环清洁系统

笔者最初采用了五层活性碳加过滤棉来清洁水，但净化效果不理想。之后笔者咨询了膜生产厂家，想用膜构件来清洁水，得到答复是：做过实验，膜不能将污染了墨水的水进行净化。就此问题笔者又请教了大学的化学老师，能否不用化学方法净化污染的染料水？回复是很难。最后，笔者通过网络，找到一家污水处理公司，专业人员的回复是：可以用化学方法（微生物）将染料污水进行净化，但过程至少需要36个小时以上，且设备体积较大，不适用于这件展品。

由于无法解决这个问题，笔者只能易辙改弦，采用了化学方法：将酚酞加入氢氧化钠溶液里，液体呈红色;百里香酚酞加入氢氧化钠溶液，液体呈蓝色。水箱中加稀释后的冰醋酸，冰醋酸与氢氧化钠溶液发生中和反应，启动水循环系统后，红、蓝色会自动消融。

5.2 保证水箱的正常水环境

在正常的水环境里，酚酞涡环的性质稳定，击打出的涡环颜色均匀，碰撞后效果明显。为了保证水箱里是正常的水环境，笔者设计了一套机构，能够在展台下的水箱里加酸，然后进行酸碱中和，中和后的水过滤并循环回展台上的水箱。并计算得出观众操作几次后进行水循环，循环一次要加入多少ml的酸。

5.3 雷诺数与展示效果

展品制作完成后，展示效果不太理想，涡环碰撞后未形成大的涡环就消散了。于是，笔者向《椭圆涡环相互作用的离散涡数值模拟》的作者请教，该作者回复说：（碰撞的涡环）展示效果与雷诺数有关。雷诺数是表征流动的一个无量纲准则数，其数值越小，展示效果越好。降低雷诺数有三个方法：（1）增大活塞直径;（2）减小两个活塞之间的距离;（3）降低发射速度。

因涡环发射筒已制作完成，改动需重新制作;因此，笔者主要从后两个方法进行改动：将两个活塞之间的350mm间距减小到200mm，并将发射速度降到最低。这样整改后，演示效果果然得到很大改善。

6 结束语

展品“碰撞的涡环”是一件创新展品，在制作过程中几经修改完善，试运行阶段，更是不断地发现问题并解决问题。可以说，这件展品的成功，取决于制作人员的坚持和相关研究人员提供的专业数据，同时也说明研发一件创新展品的困难与艰辛。现在展品功能比较齐全，设计比较合理，正式向观众展出后也得到了观众的肯定。

虽然到现在，科学家们还没有认识到涡环碰撞的实际意义与应用，但笔者展示这样一件展品，就是想让大家观看到这个有趣的、令人惊艳的现象，从而激发对科学的兴趣和思考，引导大家深入探讨相关理论内容和实际的应用。

参考文献：

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

[2]慢镜头下的涡环撞击如此美妙！教会你的不只是科学还有做人[EB/OL].http：//k.sina.com.cn/article_6042105398_m16823363603300ar7a.html

[3]Vortex ring——Wikipedia[Z].

[4]王智伟，陈斌，郭烈锦.椭圆涡环相互作用的离散涡数值模拟[J].工程热物理学报，2009，30（07）：1149-1151.