一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器的製作方法

2023-09-18 09:43:00 1

專利名稱：一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及教學儀器領域，尤其是一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器。
背景技術：
人們將剪切應力與剪切速率之間滿足線性關係的流體稱為牛頓流體，把不滿足線性關係的流體稱為非牛頓流體(Non-Newtonian Fluid)。在日常生活中，人們常常碰到的是牛頓流體，如水、空氣和一些油類等。但自然界中存在著大量非牛頓流體，例如油脂、油漆、 牛奶、牙膏、動物血液、泥漿、礦物油和原子筆油等。一般地，低分子化合物的流體象水和空氣，大都是牛頓流體，而高分子化合物流體都屬於非牛頓流體。非牛頓流體有許多異常的流動現象，比如爬杆現象、射流脹大、無管虹吸、湍流減阻和傳熱強化等，這些特性，尤其是湍流減阻效應對管道輸送方面具有重要的意義，它對於我國實施增效減能戰略計劃具有更深遠的戰略意義。目前，人們對非牛頓流體特性雖有一定的認識，但還遠遠不夠，有關牛頓流體和非牛頓流體特性差異方面的教學演示儀器還處於空白。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器。本實用新型採用如下技術方案一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器，包括並排設置的牛頓流體演示裝置和非牛頓流體演示裝置，牛頓流體演示裝置包括上部水箱、演示水平管、示蹤液存放管、若干個「L」形鋼針管、下部水箱及水泵，上部水箱內設置穩定水流板、溢流板，演示水平管上安置若干「L」形鋼針管，在演示水平管的末端設置閥門；非牛頓流體演示裝置與牛頓流體演示裝置結構相同。所述的演示儀器，所述演示水平管截面為矩形，所述矩形截面的長為10cm，寬為 5cm，所述演示水平管總長為120cm。所述的演示儀器，所述溢流板設置在上部水箱內，溢流板下部與上部水箱底部密封連接。所述的演示儀器，所述穩定水流板設置在上部水箱內部靠近演示水平管的一側， 其上均勻設置流水孔。1)演示儀器設計、製作綜合了水力學、非牛頓流體力學及相關領域的知識與技術， 加深了學生對非牛頓流體和牛頓流體運動差異的認識，使學生對非牛頓流體的認識從感性上升到理性。2)提高了學生的動手動腦能力。3)非牛頓流體教學演示儀器，學生通過觀看和動手操作，可加強高校的教學實踐環節，使學生對非牛頓流體的認識。
圖1為本實用新型演示儀器的俯視圖；圖2本實用新型演示儀器的正面視圖。
具體實施方式
以下結合具體實施例，對本實用新型進行詳細說明。根據牛頓流體和非牛頓流體層流流速分布的差異，設計了一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器，參考圖1-圖4。本實用新型的演示儀器包括並排設置的牛頓流體演示裝置A (虛線框內)和非牛頓流體演示裝置B (虛線框內)，牛頓流體演示裝置A 包括上部水箱8、演示水平管3、示蹤液存放管(圖中未示出)、若干個「L」形鋼針管5、下部水箱及水泵(下部水箱及水泵圖中未示出)；非牛頓流體演示裝置B與牛頓流體演示裝置A 相同。上部水箱8內設置穩定水流板7、溢流板6。上部水箱8的主要作用是為演示水平管3提供一定的水頭差，使流體在演示水平管3中產生平穩流動；演示水平管3 —端與水箱底部連通，演示水平管3上安置若干「L」形鋼針管5(5-10個即可)，在演示水平管3的末端設置閥門4 ；下部水箱主要功能是滿足流體循環和儲蓄；實驗水泵採用3500ml/s的水泵，下部水箱內的水泵通過管道與上部水箱8底部的流體入口 2連接，下部水箱內流體由流體入口 2進入上部水箱8中；溢流板6設置在上部水箱內，溢流板6下部與上部水箱底部密封連接，當上部水箱8內的流體液面高於溢流板頂端時，流體即可溢出流入到上部水箱另一側， 由溢流出口 1流回相應的下部水箱中，這樣就可以保持上部水箱8內部一定的水位及水頭差。穩定水流板7設置在上部水箱8內部靠近演示水平管的一側，其上均勻設置流水孔71，這樣可以穩定上部水箱8內的流體。為觀測方便，演示水平管3製作成矩形截面，該矩形截面長為10cm，寬為5cm，演示水平管3總長為120cm。「L」形鋼針管5採用鋼針管做成「L」形，使進入演示水平管3中的示蹤液在垂直方向速度為零；將示蹤液體灌入示蹤液存放管，用多條同樣長度的橡膠軟管將示蹤液存放管與「L」形鋼針管5連接起來，橡膠軟管上設置開關自由控制開通和閉合，將示蹤液存放管固定在一定高度，略高於水箱8中的水位，使其產生的水頭差能使示蹤液存放管中的示蹤液體從「L」形鋼針管流出並進入演示水平管3中。示蹤液是來示蹤演示水平管3中流體流動的液體。示蹤液要具有良好的示蹤性、 不易擴散性、與流動流體同密度等特性。良好的示蹤性反映了示蹤液的很好跟隨性，不易擴散性保證了示蹤液以點或線的運動狀態運動，第三個特性保證了示蹤液體從鋼針管流出進入演示管後，在同一水平面運動，不上漂下沉，使同平面若干個鋼針管流出的示蹤液點形成一個完整的速度分布曲線。在用水作為牛頓流體進行演示實驗時，採用黃原膠粉劑、酒精、紅墨水、水按質量為8 3 24 765的比例混合液作為示蹤液，在黃原膠溶液作為非牛頓流體進行演示實驗時，直接採用紅墨水與黃原膠水溶液即可達到較好的示蹤效果。2. 2. 4、實驗儀器的使用1、準備工作a、配製萬分之五的黃原膠溶液向演示儀器的下部水箱2中加入32. 5kg的水，然後加入16. 25g的黃原膠乾粉，接通水泵電源，使水泵運行加快黃原膠溶液溶解；b、水泵運行兩小時左右後關閉電源，然後將溶液靜置M小時讓溶液充分溶解，並將溶液中的氣泡析出；C、向下部水箱1中加滿水；d、用2. 2. 3的方法配置示蹤液體；2、實驗步驟a、將示蹤液體入口處即與「L」形鋼針管5連接的所有橡膠管用開關關死；b、將預先配置好的示蹤液體注入示蹤液體小水箱1、2中，然後逐一打開開關，待示蹤液體剛進入水平管時關閉橡膠管上的開關；e、接通電源1、2開關，兩個下部水箱內的實驗水泵開始工作，將演示水平管3的端部稍微降低，以排出水平管中氣泡。f、調節兩個演示水平管3端部的閥門4，使水平管3內的流體流速接近0. 120cm/s
左右οg、將與「L」形鋼針管5連接的所有橡膠管的開關打開，調節示蹤液體存放管中的液面，使「L」形鋼針管5出口處的示蹤液體處於流出的臨界狀態。h、在兩個演示水平管3中的水流穩定後，將示蹤液體存放管慢慢抬高，示蹤液就從鋼針管出口流出，進入演示水平管3中，觀察(或用相機記錄)演示水平管3中牛頓流體和非牛頓流體流速分布特徵。i、重複h步驟，觀察和記錄不同流速狀態下流動差異。j、關閉電源開關，排放兩個下部水箱中的流體，演示實驗結束。本實驗儀器是利用牛頓流體與非牛頓流體流動特性的差異，設計、製作一個可以直觀顯示牛頓流體和非牛頓流體層流流速分布差異的教學演示儀器；並根據演示的需要， 研製了一種可以顯示兩者差異的示蹤液體，在該儀器上，直觀的顯示了牛頓流體和非牛頓流體層流流速分布差異。演示儀器設計、製作綜合了水力學、非牛頓流體力學及相關領域的知識與技術，加深了學生對非牛頓流體和牛頓流體運動差異的認識，提高了學生的動手動腦能力。非牛頓流體教學演示儀器，通過學生觀看和動手操作，可加強高校的教學實踐環節，提高學生動手研製能力，增加學生對非牛頓流體的興趣，使學生對非牛頓流體的認識從感性上升到理性。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬於本實用新型所附權利要求的保護範圍。
權利要求1.一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器，其特徵在於，包括並排設置的牛頓流體演示裝置和非牛頓流體演示裝置，牛頓流體演示裝置包括上部水箱、演示水平管、示蹤液存放管、若干「L」形鋼針管、下部水箱及水泵，上部水箱內設置穩定水流板、溢流板，演示水平管上安置若干「L」形鋼針管，在演示水平管的末端設置閥門；非牛頓流體演示裝置與牛頓流體演示裝置結構相同。
2.根據權利要求1所述的演示儀器，其特徵在於，所述演示水平管截面為矩形，所述矩形截面的長為10cm，寬為5cm，所述演示水平管總長為120cm。
3.根據權利要求1所述的演示儀器，其特徵在於，所述溢流板設置在上部水箱內，溢流板下部與上部水箱底部密封連接。
4.根據權利要求1所述的演示儀器，其特徵在於，所述穩定水流板設置在上部水箱內部靠近演示水平管的一側，其上均勻設置流水孔。
專利摘要本實用新型公開了一種牛頓流體和非牛頓流體流動特性差異的演示儀器，其特徵在於，包括並排設置的牛頓流體演示裝置和非牛頓流體演示裝置，牛頓流體演示裝置包括上部水箱、演示水平管、示蹤液存放管、若干個「L」形鋼針管、下部水箱及水泵，上部水箱內設置穩定水流板、溢流板，演示水平管上安置若干「L」形鋼針管，在演示水平管的末端設置閥門；非牛頓流體演示裝置與牛頓流體演示裝置相同。加深了學生對非牛頓流體和牛頓流體運動差異的認識，使學生對非牛頓流體的認識從感性上升到理性。學生通過觀看和動手操作，可加強高校的教學實踐環節，使學生對非牛頓流體的認識提高。
文檔編號G09B23/12GK201974981SQ201120042529
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月21日 優先權日2011年2月21日
發明者張根廣, 葛雄 申請人:西北農林科技大學