CN103821799B - 一种控制液体产生贝纳德对流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制液体产生贝纳德对流的方法，包括：将液体注满到反应容器中，密封反应容器，反应容器具有一对导热面，其余各面均不导热，反应容器内部设置有正负极电棒，正负极电棒与脉冲电场发生器电连接；保持脉冲电场发生器的频率值恒定，调节所述反应容器的一对导热面之间的温度差值到计算出的温度差值，即可以得到所述流体的贝纳德对流现象；或保持反应容器的一对导热面的温度恒定，调节脉冲电场发生器的频率值，即可以得到所述流体的贝纳德对流现象。本发明不仅能够有效地减小实验装置的尺寸，达到精确控制，而且克服了以往实验再现性差的弊端，提高了贝纳德对流在气象预测、冻土研究、生物工程技术领域以及其他关于领域中研究精度。

Description

一种控制液体产生贝纳德对流的方法

技术领域

本发明涉及一种控制流体的方法，尤其是涉及一种控制液体产生贝纳德对流的方法。

背景技术

Benard(贝纳德)对流旨在上板保持恒温，下板均匀加热水平容器中薄层液体，若上下温差超过某一临界值，液体中突现类似蜂房的六边形网格，液体的传热方式由热传导过渡到了对流，每个六角形中心的液体向上流动，边界处液体向下流动。这是对流与抑止因素(黏性和热扩散)竞争的结果。它是液体结构中的一种特殊流体现象。

该对流现象不仅在日常生活中很常见，而且在自然界中也普遍存在，比如引起天气和气候变化的大气环流，海洋环流等。同时该对流现象也是研究非平衡对流的稳定性及其非线性动力学特性的典型模型之一。

所以说，从理论上来看，它对耗散系统中非线性现象的精细研究提供理想的模型，并且可以对湍流的发生机理产生进一步认识。从实用的观点来看，大到可以提高人们对海洋、大气中热对流的认识，小到可以利用Benard对流机理发明一些新的技术和成果；比如，清华大学微机电系统工程研究所结合Benard对流机理和分子生物学技术，发明出一微型Benard聚合酶链锁反应晶片。中国科学院冻土工程国家重点实验室基于Benard对流机理，用模型试验、数值模拟和现场的实体试验研究了碎石层具有降低其下地温的作用，并成功应用于冻土工程中。

有鉴于此，如何有效控制产生贝纳德对流现象成了亟待解决的问题，也提出了许多关于产生贝纳德对流的实验方案，但是实验结果都不很理想。

发明内容

本发明提出了一种控制液体产生贝纳德对流的方法，即电脉冲辅助流体产生贝纳德对流。不仅可以方便的控制贝纳德现象的产生，而且有效的克服了以上所述空间限制等问题。

本发明提供的技术方案为：

一种控制液体产生贝纳德对流的方法，包括：

步骤1、将液体注满到反应容器中，密封所述反应容器，其中，所述反应容器具有一对导热面，其余各面均不导热，所述反应容器内部设置有一正极电棒和一负极电棒，所述正极电棒和所述负极电棒与脉冲电场发生器电连接；

步骤2、保持所述脉冲电场发生器的输出频率值恒定，根据公式(1)计算出所述反应容器的一对导热面的温度差值，调节所述反应容器的一对导热面之间的温度差值至计算出的温度差值，得到所述流体的贝纳德对流现象；

$R_c=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_{m}sin2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(1\right)$

R_c为液体的临界瑞利数，R为电极棒的电阻，g为重力加速度，α为液体的热膨胀系数，β为反应容器的一对导热面之间的温度差值，d为反应容器的一对导热面之间的距离，h为普朗克常数，v_m为流团尺寸，t为时间，ε为流团由一个平衡位置到另一个平衡位置所需的活化能，k为玻尔兹曼常数，T为测试环境的绝对温度值，K为静电力常数，U_m为脉冲电场发生器的最大电压值，f为脉冲电场发生器的输出频率值，q为流团的带电量，r为正电极棒与负电极板之间的距离的一半，κ为液体的扩散系数。

作为进一步的优选，在步骤2中，若计算出的温度差值大于所述流体的沸点值，则调节所述脉冲电场发生器的输出频率值，直至根据公式(1)计算出的温度差值＜所述液体的沸点值。

作为进一步的优选，所述步骤1中，滤除所述液体中的固体残渣后，开始向所述反应容器中注入所述液体，直至所述液体充满所述反应容器。

作为进一步的优选，所述步骤1中，向所述反应容器中缓慢注入所述液体，保证所述液体中没有气泡。

一种控制液体产生贝纳德对流的方法，包括：

步骤1、将液体注满到反应容器中，密封所述反应容器，其中，所述反应容器具有一对导热面，其余各面均不导热，所述反应容器内部设置有一正极电棒和一负极电棒，所述正极电棒和所述负极电棒与脉冲电场发生器电连接；

步骤2、保持所述反应容器的一对导热面的温度恒定，且所述反应容器的一对导热面的温度不相等，计算所述反应容器的一对导热面之间的温度差值，将所述温度差值带入公式(1)中，计算出频率值，调节所述脉冲电场发生器的输出频率到计算出的频率值，得到所述流体的贝纳德对流现象；

$R_c=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_{m}sin2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(1\right)$

R_c为液体的临界瑞利数，R为电极棒的电阻，g为重力加速度，α为液体的热膨胀系数，β为反应容器的一对导热面之间的温度差值，d为反应容器的一对导热面之间的距离，h为普朗克常数，v_m为流团尺寸，t为时间，ε为流团由一个平衡位置到另一个平衡位置所需的活化能，k为玻尔兹曼常数，T为测试环境的绝对温度值，K为静电力常数，U_m为脉冲电场发生器的最大电压值，f为脉冲电场发生器的输出频率值，q为流团的带电量，r为正电极棒与负电极板之间的距离的一半，κ为液体的扩散系数。

作为进一步的优选，所述步骤1中，滤除所述液体中的固体残渣后，开始向所述反应容器中注入所述液体，直至所述液体充满所述反应容器。

作为进一步的优选，所述步骤1中，向所述反应容器中缓慢注入所述液体，保证所述液体中没有气泡。

本发明设计了一种控制液体产生贝纳德对流的方法。以脉冲电场发生器为实验的外场辅助手段，通过一对正负电极棒插入反应容器中，使液体层厚度不发生变化，通过调整电脉冲的输出电压，输出频率来改变流体粘度，进而改变腔体中流体的瑞利数，从而改变产生温差大小，已达到控制流体产生贝纳德对流现象的目的。本发明不仅能够实现根据实际需要改变实验装置的尺寸，减少实验难度，而且克服了以往贝纳德对流实验再现性差的弊端，从而提高了贝纳德对流在气象预测、冻土研究、生物工程技术领域以及其他关于领域中研究精度。

附图说明

图1为本发明所述的控制液体产生贝纳德对流在恒定频率值时的方法流程图。

图2为本发明所述的控制液体产生贝纳德对流在恒定温度差值时的方法流程图。

图3为本发明中控制液体产生贝纳德对流的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1、

如图1和3所示，一种控制液体产生贝纳德对流的方法，包括：

步骤1、滤除液体中的固体残渣后，开始将所述液体缓慢注入反应容器中1，直至所述液体充满所述反应容器1为止，保证液体中没有气泡，密封所述反应容器1，其中，所述反应容器1具有一对导热面5和6，其余各面均不导热，所述反应容器1内部设置有一正极电棒4和一负极电棒3，所述正极电棒4和所述负极电棒3与脉冲电场发生器2电连接；

步骤2、保持所述脉冲电场发生器2的输出频率值恒定，根据公式(1)计算出所述反应容器1的一对导热面5和6的温度差值，调节所述反应容器1的一对导热面5和6之间的温度差值到计算出的温度差值，即可以得到所述流体的贝纳德对流现象，当调节一对导热面的温度差值时，保持一个导热面在一个恒定的温度，对另一个导热面加热，加热时，采用梯度加热的形式，使导热面的温度缓慢上升，其中0℃＜计算出的温度差值＜所述液体的沸点值，若计算出的温度差值大于所述流体的沸点值，则调节所述脉冲电场发生器的频率值，直至根据公式(1)计算出的温度差值＜所述液体的沸点值；

$R_c=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_{m}sin2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(1\right)$

R_c为液体的临界瑞利数，R为电极棒的电阻，g为重力加速度，α为液体的热膨胀系数，β为反应容器的一对导热面之间的温度差值，d为反应容器的一对导热面之间的距离，h为普朗克常数，v_m为流团尺寸，t为时间，ε为流团由一个平衡位置到另一个平衡位置所需的活化能，k为玻尔兹曼常数，T为测试环境的绝对温度值，K为静电力常数，U_m为脉冲电场发生器的最大电压值，f为脉冲电场发生器的输出频率值，q为流团的带电量，r为正电极棒与负电极板之间的距离的一半，κ为液体的扩散系数。

所述公式1的推导过程为：

由流体产生贝纳德对流的判据公式得出，当流体的瑞利数R′大于临界瑞利数R_C时，贝纳德对流将产生。

$R^{\′}=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{v\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(2\right)$

粘度与流体结构之间的关系公式为(3)

$v=\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}}{kT}\right)---\left(3\right)$

v为流体的粘度。脉冲电场发生器产生正弦脉冲，在电极棒的周围将产生脉冲电场E。本发明建立了脉冲电场与脉冲电压，脉冲频率之间的公式关系为

$E=K\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_{m}sin2\mathrm{\π}fdt}{r^2}---\left(4\right)$

脉冲电场产生的电场能转化成流团由一平衡位置流到另一平衡位置所需的活化能，电场能为qEr。于是就有

$v=\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_{m}sin2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)---\left(5\right)$

于是得电脉冲辅助作用下的流体的贝纳德对流判据公式为

$R_c=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_{m}sin2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(1\right).$

实施例2、

如图2和3所示，一种控制液体产生贝纳德对流的方法，包括：

步骤1、滤除液体中的固体残渣后，开始将所述液体缓慢注入反应容器中1，直至所述液体充满所述反应容器1为止，保证液体中没有气泡，密封所述反应容器1，其中，所述反应容器1具有一对导热面5和6，其余各面均不导热，所述反应容器1内部设置有一正极电棒4和一负极电棒3，所述正极电棒4和所述负极电棒3与脉冲电场发生器2电连接；

步骤2、保持所述反应容器1的一对导热面5和6的温度恒定，且所述反应容器的一对导热面5和6的温度不相等，测量每个导热面的温度值，计算所述反应容器1的一对导热面5和6之间的温度差值，将所述温度差值带入公式(1)中，计算出频率值，调节所述脉冲电场发生器2的输出频率到计算出的频率值，即可以得到所述流体的贝纳德对流现象，其中所述反应容器1的每个导热面的温度值＜所述液体的沸点值；

$R_c=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_{m}sin2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(1\right)$

R_c为液体的临界瑞利数，R为电极棒的电阻，g为重力加速度，α为液体的热膨胀系数，β为反应容器的一对导热面之间的温度差值，d为反应容器的一对导热面之间的距离，h为普朗克常数，v_m为流团尺寸，t为时间，ε为流团由一个平衡位置到另一个平衡位置所需的活化能，k为玻尔兹曼常数，T为测试环境的绝对温度值，K为静电力常数，U_m为脉冲电场发生器的最大电压值，f为脉冲电场发生器的输出频率值，q为流团的带电量，r为正电极棒与负电极板之间的距离的一半，κ为液体的扩散系数。

实施例3

1、根据实施例1所述方法对硅油和润滑油进行贝纳德实验，实验结果见表1～2。

表1用硅油做贝纳德实验的参数(频率恒定)

表2用润滑油做贝纳德实验的参数(频率恒定)

2、根据实施例2所述方法对硅油和润滑油进行贝纳德实验，实验结果见表3～4。

表3用硅油做贝纳德实验的参数(温度差值恒定)

表4用润滑油做贝纳德实验的参数(温度差值恒定)

3、对照实验

对硅油和润滑油进行常规对照贝纳德实验，即去除实施例1中对液体施加的脉冲，其余实验条件和程序均按照实施例1中所述方法进行。实验结果见表5～6。

表5用硅油做贝纳德实验的参数

表6用润滑油做贝纳德实验的参数

4、结果分析

脉冲电场发生器产生外场脉冲。

从表1和表5对比中得出：在实验室温度为25℃以硅油作为实验液体时，在相同液体厚度(0.1cm)时，有外场脉冲的硅油液体的上下液体层温差只要达到80℃(表1)，即可出现贝纳德对流，而未加外场脉冲的硅油液体的液体上下温差要达到121℃(表5)，才能出现贝纳德对流；同样，从表2和表6对比中得出：润滑油在除上下温差外其他实验条件和液体厚度均相同时，要出现贝纳德对流，添加外场脉冲时(表2)所需要的上下温差值明显容比未添加外场脉冲所需的上下温度值更容易实现；综上所述，加入了外场脉冲后，液体更易出现贝纳德对流，实现了对纳德对流的精确控制。

从表3和表5对比中得出：在实验室温度为25℃以硅油作为实验液体时，在相同上下液层温度差(121℃)时，加外场脉冲的硅油液体，液体厚度为0.15cm(表3)，而未加外场脉冲的硅油液体，液体厚度为0.1cm(表5)，在实际实验中，液体厚度为0.15cm实现起来要远远比0.1cm要容易，同时，在控制液体升温和上下液体层的温差方面，0.15cm的液体厚度也要比0.1cm容易操控，且实验精度更高；从表4和表6对比中得出：润滑油在除液层厚度不同外其他实验条件和液体厚度均相同时，要出现贝纳德对流，未添加外场脉冲时(表6)所需液体厚度几乎是添加了外场脉冲的所需液体厚度的两倍；综上所述，加入了外场脉冲后，液体更易出现贝纳德对流，且对实验仪器尺寸的要求更容易实现，对贝纳德对流的控制更加精确。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种控制液体产生贝纳德对流的方法，其特征在于，包括：

步骤1、将液体注满到反应容器中，密封所述反应容器，其中，所述反应容器具有一对导热面，其余各面均不导热，所述反应容器内部设置有一正极电棒和一负极电棒，所述正极电棒和所述负极电棒与正弦脉冲电场发生器电连接；

步骤2、保持所述正弦脉冲电场发生器的输出频率值恒定，根据公式(1)计算出所述反应容器的一对导热面的温度差值，调节所述反应容器的一对导热面之间的温度差值至计算出的温度差值，得到所述液体的贝纳德对流现象；

$R_c=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_m\sin 2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(1\right)$

R_c为液体的临界瑞利数，R为电极棒的电阻，g为重力加速度，α为液体的热膨胀系数，β为反应容器的一对导热面之间的温度差值，d为反应容器的一对导热面之间的距离，h为普朗克常数，v_m为流团尺寸，t为时间，ε为流团由一个平衡位置到另一个平衡位置所需的活化能，k为玻尔兹曼常数，T为测试环境的绝对温度值，K为静电力常数，U_m为正弦脉冲电场发生器的最大电压值，f为正弦脉冲电场发生器的输出频率值，q为流团的带电量，r为正电极棒与负电极板之间的距离的一半，κ为液体的扩散系数。

2.如权利要求1所述的控制液体产生贝纳德对流的方法，其特征在于，在步骤2中，若计算出的温度差值大于所述液体的沸点值，则调节所述正弦脉冲电场发生器的输出频率值，直至根据公式(1)计算出的温度差值＜所述液体的沸点值。

3.如权利要求1或2所述的控制液体产生贝纳德对流的方法，其特征在于，所述步骤1中，滤除所述液体中的固体残渣后，开始向所述反应容器中注入所述液体，直至所述液体充满所述反应容器。

4.如权利要求1或2所述的控制液体产生贝纳德对流的方法，其特征在于，所述步骤1中，向所述反应容器中缓慢注入所述液体，保证所述液体中没有气泡。

5.一种控制液体产生贝纳德对流的方法，其特征在于，包括：

步骤1、将液体注满到反应容器中，密封所述反应容器，其中，所述反应容器具有一对导热面，其余各面均不导热，所述反应容器内部设置有一正极电棒和一负极电棒，所述正极电棒和所述负极电棒与正弦脉冲电场发生器电连接；

步骤2、保持所述反应容器的一对导热面的温度恒定，且所述反应容器的一对导热面的温度不相等，计算所述反应容器的一对导热面之间的温度差值，将所述温度差值带入公式(1)中，计算出频率值，调节所述正弦脉冲电场发生器的输出频率到计算出的频率值，得到所述液体的贝纳德对流现象；

$R_c=\frac{g\mathrm{\α}\mathrm{\β}}{\frac{h}{v_m}\exp \left(\frac{\mathrm{\ϵ}+qrK\frac{\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{U}_m\sin 2\mathrm{\π}fdt}{r^2}}{kT}\right)\mathrm{\κ}}{d}^3---\left(1\right)$

R_c为液体的临界瑞利数，R为电极棒的电阻，g为重力加速度，α为液体的热膨胀系数，β为反应容器的一对导热面之间的温度差值，d为反应容器的一对导热面之间的距离，h为普朗克常数，v_m为流团尺寸，t为时间，ε为流团由一个平衡位置到另一个平衡位置所需的活化能，k为玻尔兹曼常数，T为测试环境的绝对温度值，K为静电力常数，U_m为正弦脉冲电场发生器的最大电压值，f为正弦脉冲电场发生器的输出频率值，q为流团的带电量，r为正电极棒与负电极板之间的距离的一半，κ为液体的扩散系数。

6.如权利要求5所述的控制液体产生贝纳德对流的方法，其特征在于，所述步骤1中，滤除所述液体中的固体残渣后，开始向所述反应容器中注入所述液体，直至所述液体充满所述反应容器。

7.如权利要求5所述的控制液体产生贝纳德对流的方法，其特征在于，所述步骤1中，向所述反应容器中缓慢注入所述液体，保证所述液体中没有气泡。