基于Magnus效应的旋转圆柱实验教学平台设计

韩 阳， 王 于， 郭春雨， 王 超， 孙 聪

（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001）

0 引 言

基于Magnus效应的旋转圆柱可以应用在很多工程领域，特别是在风力发电、推进、船舶减摇等方面。本文设计了一种基于Magnus 效应的旋转圆柱实验教学平台，该实验平台设计的重点就是如何激发学生对基于Magnus效应的旋转圆柱产生学习兴趣，并且理解抽象的理论知识，将理论知识更好的应用到工程实践中。基于Magnus效应的旋转圆柱实验教学平台通过对不同形式的圆柱模型进行受力研究，分析了圆柱长径比、圆柱表面形状、来流速度、转速比、不同表面形状等因素对旋转圆柱产生升阻力的影响，将影响基于Magnus效应的旋转圆柱升阻力特性的因素形象具体的向学生展示出来，使学生能够通过实验现象来更好的理解学习理论知识。同时，学生们参与实验可以培养其实践能力和创新思维，并且在实验过程中可以锻炼学生的合作意识，加强学生的动手操作能力，提高学生的科学严谨性，为社会发展培养优秀的全方位人才［1-4］。

1 Magnus效应

早在17 世纪，发现旋转的圆柱或圆球会因为旋转而产生轨迹偏转的现象，包括旋转足球、网球、乒乓球的运动轨迹以及步枪子弹轨迹的偏差等。Magnus 在1852 年详细描述了这一现象并且解释了旋转物体会轨迹偏转的原因，最后将这一现象命名为Magnus 效应，见图1。Magnus效应产生的原因就是物体在流体中旋转，当物体一侧的旋转方向与来流方向相同时，这一侧的流体流速就会加快；当物体一侧的旋转方向与来流方向相反时，这一侧的流体流速就会减小。根据伯努利方程可知速度增大时压强减小，速度减小时压强增大，旋转物体会因为两侧流体速度不同而产生一个和来流不同方向的压力差，这一压力差也叫Magnus力，物体轨迹发生偏转正是由这一压力差因引起的。为了使学生更好地理解学习Magnus效应，为未来解决工程问题奠定良好的基础，基于Magnus效应的旋转圆柱实验教学平台是必不可少的［5-8］。

根据前面的招聘分析可知，图情专业毕业生一般进入传统业务、学科服务以及阅读推广三种岗位。对图情专业毕业生而言，传统岗位经过大学本科的学习基本可以胜任，而后两种岗位还需要进行入职培训、继续教育、轮岗轮训等才可以胜任。例如，北京大学图书馆以实体机构部门与跨部门工作小组相结合为基本模式。年轻馆员除主岗外，还要确定一个或多个副岗，促进其成为复合型人才［17］。这样的人力资源结构对图情专业毕业生提出了更高的要求，因此图情专业学生要加强核心竞争力，学习跨学科课程。

图1 Magnus效应

2 Magnus效应的旋转圆柱

基于Magnus效应的旋转圆柱在风力发电、推进、船舶减摇等方面有很重要的作用。特别是船舶减摇方面，船舶在航行过程中由于受到波浪的影响会产生横摇，船舶横摇会产生较大的侧倾运动，侧倾运动会增大航行阻力，影响船舶航行的安全性和船员工作的舒适性，因此减摇装置在船舶设计中是必不可少的，而基于Magnus效应的旋转圆柱减摇装置结构简单，占用空间小，制造成本较低，并且在低航速和零航速条件下减摇效果显著，未来可广泛应用于各种船舶减摇。基于Magnus效应的旋转圆柱减摇装置的原理是在船舶两侧底部安装旋转圆柱（见图2），圆柱旋转方向和来流方向相同的一侧，来流的速度增大，压强减小；圆柱旋转方向和来流方向相反的一侧，来流的速度减小，压强增大，会产生压力差，从而产生升力，船舶左右两个圆柱旋转方向不同，分别产生向上和向下的力，产生一个和船舶横摇力矩方向相反的力矩，从而达到减摇效果［9］。杜雪［10］对基于Magnus效应的旋转圆柱减摇装置的水动力特性进行了深入研究，结果表明在低航速下该装置具有良好的减摇效果。但该研究距形成产品具有较大的距离，所以设计基于Magnus效应的旋转圆柱实验教学平台来提升相关技术储备进行相关基础研究是非常有必要的［11-14］。

图2 基于Magnus效应的旋转圆柱减摇装置（来源：https：／ ／ quantumstabilizers． com）

3 Magnus效应旋转圆柱实验教学平台设计

3.1 实验模型和工况

实验模型是直径0． 036 m的长径比（圆柱长度和直径之比）不同圆柱，如图3 所示，从左往右长径比依次为3、5、9。

图3 不同长径比实验圆柱模型

3.2.1 流场结构

3.2.3 圆柱连接装置

图4 实验圆柱模型

动态信号采集仪相关参数如下。类型：JM5940 动态信号采集仪；电压：36 V；基本误差：不大于测量值的± 0． 2%；抗干扰性：在强电火花（或强工频）干扰下正常工作须有良好接地。

3.2 实验设备

图4 是不同表面形状的实验圆柱模型，从左往右依次是光滑圆柱、方凸圆柱、凸点圆柱、圆凸圆柱、螺纹圆柱、截锥圆柱。

图6 是旋转圆柱连接装置图，包括2 个200 N 的天平（分别测量升力和阻力），天平的上端连接固定在循环水池上的横梁，下端固定在钢板上，电动机固定在钢板上，旋转圆柱通过联轴器和电动机连接在一起，圆柱上端和水面接触的地方有一块处理过的铁皮，能够减少水面兴波对实验的影响。

表1 实验工况表

图5 循环水池

基于Magnus效应的旋转圆柱实验教学平台对不同长径比、不同表面形状的圆柱模型进行实验，实验工况见表1。

不论是冷害还是冻害，葡萄的受害程度除了和当时的温度下降幅度有关以外，还和葡萄自身的健康水平、所处的生长状态及其生长位置有关。越是衰弱的植株，受冻后受到的伤害越大；越是处于生长顺畅阶段的植株或器官，受伤越严重；处于坡底部的植株会比处于坡顶端的植株受伤更重，处于坡中部的植株往往受伤最轻。

圆柱绕流实验在哈尔滨工程大学三甲实验室循环水池中进行的，具体实验设备见图5。循环水池试验段为矩形截面，尺寸为1． 7 m（宽）× 1． 5 m（高），流速由计算机控制，范围为0 ～3 m／ s。400 W，额定电压200 V，额定电流2． 8 A，最大转速3 000 r／ min。

Optimal Design of Car/Passenger Ferry with Car Decks for 22 Vehicles……………YU Shengtang, WANG Dan(1·17)

图6 旋转圆柱连接装置

3.3 实验流程

基于Magnus效应的旋转圆柱实验的流程包括以下几个步骤：①旋转圆柱实验前期准备；② 连接旋转圆柱实验装置；③对旋转圆柱实验装置进行标定，确保实验的准确性；④通过计算机调速器来调节循环水池的流速；⑤待流速稳定时，调节圆柱的转速；⑥ 用动态信号采集仪采集数据；⑦读取平稳段的数据并记录；⑧分析数据，得出结论。

4．语料库设计须遵循开放性原则。敦煌文献多模态语料库应该是一个开放的资源平台，它可以与其他系统、软件关联和配合，并可由其他软件对其进行修改、升级、组装［6］4-5。因此应采用国际统一的编码体系和通用置标语言。

4 实验结果分析

实验得到的数据经过处理，最终分析得出影响基于Magnus效应的旋转圆柱升阻力特性的因素。图7是在来流速度v ＝0． 694 m／ s 时不同长径比旋转圆柱的升阻比随转速比的变化情况。由图7 可以看出，升阻比随着圆柱长径比的增大而增大，这是因为随着长径比的增大，旋转圆柱受力的有效段增加，随着受力有效段的增大，升力增加的幅值比阻力增加的多，所以升阻比会增大。另外从图7 还可以看出，随着转速比的增大，圆柱升阻比先增大，在转速比为2 时，升阻比达到最大值，之后又逐渐下降。当转速比在1 ～2 时，随着转速比增加，圆柱旋转方向和来流方向相同一侧的圆柱表面边界层流速增加，分离点向后移动，圆柱旋转方向和来流方向相反一侧的圆柱表面边界层流速减小，分离点向前移动，分离涡变小，圆柱两侧的压力差变大，从而升力的增大幅值大于阻力的增大幅值；当转速比在2 ～3 时，随着转速比增加，圆柱旋转速度对升力的影响变小，升力的增大幅值小于阻力的增大幅值，所以随着转速比的增大升阻比会先增大后减小。不同长径比的旋转圆柱变化趋势是相同的，这一点也验证了实验的准确性。通过此实验平台可以形象准确的展现影响旋转圆柱升阻力特性的因素，能够充分激发学生的学习兴趣，将理论和实践相结合，不仅能够提高学习效率，还能培养学生的创新能力。

图7 v ＝0． 694 m／ s，L／ D ＝5、7、9，升阻比随转速比的变化趋势

5 结 语

本设计是一套基于Magnus效应的旋转圆柱实验教学平台，该实验平台能够准确形象地演示影响旋转圆柱升阻力特性的因素，使学生能够简单快速地了解基于Magnus效应的旋转圆柱的本质，在理解理论的基础上，锻炼学生的实践能力，使其全方面发展。实验教学方法是实验教学的核心要素之一，只有与时俱进，不断创新，才能够更加激发学生对于学习的积极性，在提高教学效率和教学质量的同时，增强学生对待科研的严谨性［15］。该平台具有综合性，不仅仅适用于旋转圆柱，也可以模拟其他模型如螺旋桨、船模、减摇鳍、舵等的受力情况。