[發(fā)明專利]一種用于固態(tài)介質(zhì)的泰勒-庫埃特實(shí)驗(yàn)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710648299.5
• 申請(qǐng)日: 2017-08-01
• 公開（公告）號(hào): CN107525743B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王經(jīng)濤;林逵;李政;劉瑛;馬文龍;符嬡嬡;王嘉宇;祝康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N11/14
• 分類號(hào): G01N11/14
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發(fā)明公開了一種用于固態(tài)介質(zhì)的泰勒?庫埃特實(shí)驗(yàn)裝置，涉及連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域，本裝置包括由由內(nèi)外圓筒壁和兩個(gè)環(huán)形端面組成的圓筒狀樣品室；以及驅(qū)動(dòng)樣品室內(nèi)外圓筒壁相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；記錄樣品室內(nèi)外圓筒壁相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的扭矩傳感記錄系統(tǒng)；還包括向圓筒狀樣品室內(nèi)樣品端部提供軸向壓力的加壓機(jī)構(gòu)；記錄樣品端部所受軸向壓力的壓力傳感記錄系統(tǒng)；記錄樣品固態(tài)介質(zhì)流變情況的信息采集系統(tǒng)。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以把經(jīng)典泰勒?庫埃特裝置研究液態(tài)介質(zhì)流變行為的工作，拓展到固態(tài)介質(zhì)的流變研究中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域，具體是一種用于固態(tài)介質(zhì)的泰勒-庫埃特實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)固態(tài)介質(zhì)在外力作用下的流變行為。

背景技術(shù)

1890年，庫埃特首次設(shè)計(jì)出圍繞同心軸旋轉(zhuǎn)的圓筒裝置來測(cè)量流體、主要是液體的黏性系數(shù)。隨后在1923年，泰勒于[Taylor G.I.Stability of a viscous liquidcontained between two rotating cylinders.Philosophical Transactions of theRoyal Society of London.1923(223):289-343.]一文中采用此裝置來研究流體穩(wěn)定性的問題。此后，該裝置以兩位科學(xué)家的名字來命名。泰勒-庫埃特裝置的原理圖如圖1所示。

將內(nèi)壁和外壁之間的圓筒狀樣品室內(nèi)充滿實(shí)驗(yàn)液體(液態(tài)介質(zhì))，當(dāng)內(nèi)外壁產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)相對(duì)轉(zhuǎn)速的不同，圓筒狀樣品室內(nèi)的液體會(huì)產(chǎn)生不同流動(dòng)形態(tài)的轉(zhuǎn)變。如文章[N.Abcha,N.Latrache,et al.Qualitative relation between reflected lightintensity by Kalliroscope flakes and velocity field in the Couette-Taylorflow system.Experiment in Fluids.2008(45):85-94.]中所述，內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，外壁固定時(shí)，觀察圓筒狀樣品室縱截面，隨著內(nèi)筒轉(zhuǎn)速的增加，液體的流動(dòng)會(huì)依次產(chǎn)生如下的形態(tài)轉(zhuǎn)變：周向?qū)恿鳌├諟u流→波狀渦流→調(diào)制波狀渦流→湍流渦流。如圖2所示。液態(tài)介質(zhì)的這些流變形態(tài)轉(zhuǎn)變與其特征參數(shù)雷諾數(shù)密切相關(guān)。

文章[A Aubert,S Poncet,P Le Gal,et al.Velocity and temperaturemeasurements in a turbulent water-filled Taylor-Couette system.InternationalJournal of Thermal Sciences.2015(90):238-247.]公開了對(duì)于泰勒-庫埃特裝置中液態(tài)介質(zhì)流動(dòng)形態(tài)的觀測(cè)主要運(yùn)用粒子圖像測(cè)速法。粒子圖像測(cè)速法是一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸式的激光流體力學(xué)測(cè)速方法。向液態(tài)介質(zhì)中投入示蹤粒子后，便可以測(cè)量流場(chǎng)的瞬態(tài)速度分布，目前被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)等領(lǐng)域。該方法的原理及裝置如圖3所示。典型的實(shí)驗(yàn)過程可為，將泰勒-庫埃特裝置31置于一個(gè)方形的玻璃水槽32中，并在水槽中加入蒸餾水以避免觀察時(shí)產(chǎn)生光學(xué)畸變。在裝置中加滿蒸餾水，并在圓筒狀樣品室內(nèi)液態(tài)介質(zhì)中投入專用的聚酰胺示蹤粒子。裝置內(nèi)筒由變頻控制柜33控制電動(dòng)機(jī)34來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)內(nèi)筒在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行10分鐘后，啟動(dòng)粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)速。粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)主要由激光器35、高速相機(jī)36和計(jì)算機(jī)37組成。測(cè)速時(shí)，將和激光器35相連的激光頭38和高速相機(jī)36分別放在L型支架39的兩條邊上，將激光頭38對(duì)準(zhǔn)圓筒狀樣品室的縱截面，高速相機(jī)36對(duì)著圓筒狀樣品室的縱截面的垂直方向。利用激光照亮測(cè)量區(qū)域，讓區(qū)域中的示蹤粒子產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的散射光，高速相機(jī)36記錄下示蹤粒子圖像，再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)37中的相關(guān)軟件進(jìn)行自適應(yīng)相關(guān)性分析，即可得到各轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)的瞬時(shí)速度矢量場(chǎng)，進(jìn)而得出液體的流動(dòng)形態(tài)圖。

圍繞同心軸旋轉(zhuǎn)的圓筒(壁)之間的泰勒-庫埃特流動(dòng)是流體力學(xué)的經(jīng)典問題，在工業(yè)生產(chǎn)上也有重要的應(yīng)用背景，例如長(zhǎng)距離管道輸送油氣、軸承潤(rùn)滑、血液抗凝裝置的研發(fā)以及流動(dòng)微混合等方面。一百多年來，關(guān)于泰勒-庫埃特流的研究已取得了很多重要的進(jìn)展。但是直到今天，泰勒-庫埃特流中的湍流以及流場(chǎng)轉(zhuǎn)捩等問題仍然是流體力學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。