CN105063743A - 一种周围剪切气流式液桥生成器 - Google Patents

Abstract

一种周围剪切气流式液桥生成器，属于流体物理学技术领域，特别是涉及一种周围剪切气流式液桥生成器，该液桥生成器主要用于研究周围剪切气流和液桥体积比对液桥界面形状的影响。本发明包括支架，在支架的上部具有上桥柱安装孔，下部具有下桥柱安装孔；在上桥柱安装孔内垂直安装有上桥柱，在下桥柱安装孔内垂直安装有下桥柱，在上桥柱安装孔侧方的支架上设置有上桥柱的紧固螺钉；在所述上桥柱与下桥柱之间设置有观察套管，上桥柱和下桥柱的出气端均设置在观察套管内；所述上桥柱由上均匀送气套管和上盘组成，上均匀送气套管同轴套装在上盘外部；所述下桥柱由下均匀送气套管和下盘组成，下均匀送气套管同轴套装在下盘外部。

Description

一种周围剪切气流式液桥生成器

技术领域

本发明属于流体物理学技术领域，特别是涉及一种周围剪切气流式液桥生成器，该液桥生成器主要用于研究周围剪切气流和液桥体积比对液桥界面形状的影响。

背景技术

现有工程实践中，通常采用浮区法晶体生长技术制备高质量晶体，用于模拟浮区法晶体生长过程的物理模型称为液桥。工程实践与理论研究表明：周围剪切气流以及液桥体积比是影响液桥界面形状的重要因素。因此，研究周围剪切气流和液桥体积比对液桥界面的影响规律对控制晶体生长和提高产品质量具有重大意义。

然而，针对剪切气流和液桥体积比所进行的实验研究还处于起步阶段，国内外针对这方面的文献非常少，少有的实验研究也因其液桥生成设备结构复杂、功能单一等缺点而不能广泛推广。

因此，为满足当前实验需求，亟需一种结构简单、功能齐全的新型液桥生成器，能够产生不同大小和不同方向的剪切气流，并且可任意调节体积比。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种周围剪切气流式液桥生成器。该液桥生成器通过上、下均匀送气套管可以在液桥周围产生不同大小和不同方向的剪切气流；并且通过调节上桥柱的高度，可产生不同的体积比。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种周围剪切气流式液桥生成器，包括支架，在支架的上部具有上桥柱安装孔，下部具有下桥柱安装孔；在上桥柱安装孔内垂直安装有上桥柱，在下桥柱安装孔内垂直安装有下桥柱，在上桥柱安装孔侧方的支架上设置有上桥柱的紧固螺钉；在所述上桥柱与下桥柱之间设置有观察套管，上桥柱和下桥柱的出气端均设置在观察套管内；所述上桥柱由上均匀送气套管和上盘组成，上均匀送气套管同轴套装在上盘外部；所述下桥柱由下均匀送气套管和下盘组成，下均匀送气套管同轴套装在下盘外部。

在所述上均匀送气套管和下均匀送气套管的出气端分别均匀设置有四个突起。

在所述下均匀送气套管外套装有卡环，下桥柱通过所述卡环安装在支架的下桥柱安装孔内。

所述观察套管采用玻璃套管。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，功能独特；通过上、下均匀送气套管可以分别在上、下端对液桥形成平行的剪切气流，并且气流的方向可自由选择，即可以在液桥周围产生不同大小和不同方向的剪切气流；并且通过调节上桥柱的高度，可产生不同的体积比。

附图说明

图1是本发明的液桥生成器的整体结构示意图；

图2是本发明的上桥柱的结构示意图；

图3是图2的左视图；

图4是本发明的下桥柱的结构示意图；

图5是图4的左视图；

其中：1-支架，2-下桥柱，3-上桥柱，4-紧固螺钉，5-上盘，6-上均匀送气套管，7-下盘，8-卡环，9-下均匀送气套管，10-突起，11-观察套管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地详细说明。

如图1～图5所示，一种周围剪切气流式液桥生成器，包括起支撑作用的支架1，在支架1的上部具有上桥柱安装孔，下部具有下桥柱安装孔；在上桥柱安装孔内垂直安装有上桥柱3，在下桥柱安装孔内垂直安装有下桥柱2，在上桥柱安装孔侧方的支架1上设置有上桥柱3的紧固螺钉4；在所述上桥柱3与下桥柱2之间设置有观察套管11，上桥柱3和下桥柱2的出气端均设置在观察套管11内；所述上桥柱3由上均匀送气套管6和上盘5组成，上均匀送气套管6同轴套装在上盘5外部，上均匀送气套管6与上盘5紧密连接；所述下桥柱2由下均匀送气套管9和下盘7组成，下均匀送气套管9同轴套装在下盘7外部，下均匀送气套管9与下盘7紧密连接。

在所述上均匀送气套管6和下均匀送气套管9的出气端分别均匀设置有四个突起10。

在所述下均匀送气套管9外套装有卡环8，下桥柱2通过所述卡环8安装在支架1的下桥柱安装孔内。

所述观察套管11采用玻璃套管。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图1～图5所示，首先将实验液体通过微型注射泵准确地注入上盘5与下盘7之间，形成液桥，静止的液桥通过表面张力维持界面形状。然后先将气体送入球形流量计中，通过球形流量计控制气体流量，再根据实验需求将气体送入上均匀送气套管6或下均匀送气套管9内。

利用本发明的液桥生成器研究气流速度、气流方向和体积比对液桥界面形状的影响，可通过以下三个具体实验方案实施：

实验方案一：气流方向和体积比一定的情况下，变换不同的气流速度，研究气流速度对液桥界面形状的影响。因为本发明的液桥生成器的上均匀送气套管6、下均匀送气套管9、上盘5和下盘7的直径都是定值，所以通过控制气体的流量就可以改变气流速度。气流速度通过气体流量Q计算得出，其计算式为：

$U_0^g=\frac{Q}{\mathrm{\π}(R_{\mathrm{out}}^2-R_0^2)}$

式中，-气流速度，Q-气体流量，R_out-观察套管的外径，R₀-观察套管的内径。

气体流量Q通过球形流量计测得，观察套管的外径R_out和内径R₀为定值，可通过游标卡尺测得。

实验方案二：气流方向和气流速度一定的情况下，变换不同的体积比，研究体积比对液桥界面形状的影响。体积比V等于液桥体积V₀和上、下盘之间的圆柱体积V₁之比。因为上、下盘的直径一定，所以通过调节上桥柱3的高度就可以改变上、下盘之间的圆柱体积V₁，同时，也相应改变了液桥体积V₀。当上桥柱3达到实验要求的高度时，利用紧固螺钉4固定其位置；其中，液桥体积V₀是通过高速摄像机拍摄液桥界面形状，再根据液桥界面形状的数字图像计算得出的，其计算式为：

$V_0=\frac{1}{d{R}_0^2}{\∫}_0^{d_1}{F}^2\left(z\right)\mathrm{dZ}$

式中，V₀-液桥体积，d₁-上、下盘之间的距离，R₀-观察套管的内径，F(z)-液桥界面形状的数字图像函数。

上、下盘之间的圆柱体积V₁是由上、下盘的直径d₀和上、下盘之间的距离d₁确定的，其计算式为：

$V_1=\mathrm{\π}{d}_1{\left(\frac{d_0}{2}\right)}^2$

式中，V₁-上、下盘之间的圆柱体积，d₁-上、下盘之间的距离，d₀-上、下盘的直径。

上、下盘的直径d₀为定值，可通过游标卡尺测得，上、下盘之间的距离d₁是实验变量，通过移动上桥柱3可得到不同的d₁。

实验方案三：体积比和气流速度一定的情况下，变换不同的气流方向，研究气流方向对液桥界面形状的影响。本发明的液桥生成器可提供两种气流方向：1)、气流从上均匀送气套管6注入，即气流方向与重力方向一致；2)、气流从下均匀送气套管9注入，即气流方向与重力方向相反。

在整个实验过程中，各个变量对液桥界面形状的影响，通过高速摄像机拍摄液桥界面的不同形状来做进一步分析。

Claims (4)

1.一种周围剪切气流式液桥生成器，其特征在于包括支架，在支架的上部具有上桥柱安装孔，下部具有下桥柱安装孔；在上桥柱安装孔内垂直安装有上桥柱，在下桥柱安装孔内垂直安装有下桥柱，在上桥柱安装孔侧方的支架上设置有上桥柱的紧固螺钉；在所述上桥柱与下桥柱之间设置有观察套管，上桥柱和下桥柱的出气端均设置在观察套管内；所述上桥柱由上均匀送气套管和上盘组成，上均匀送气套管同轴套装在上盘外部；所述下桥柱由下均匀送气套管和下盘组成，下均匀送气套管同轴套装在下盘外部。

2.根据权利要求1所述的周围剪切气流式液桥生成器，其特征在于在所述上均匀送气套管和下均匀送气套管的出气端分别均匀设置有四个突起。

3.根据权利要求1所述的周围剪切气流式液桥生成器，其特征在于在所述下均匀送气套管外套装有卡环，下桥柱通过所述卡环安装在支架的下桥柱安装孔内。

4.根据权利要求1所述的周围剪切气流式液桥生成器，其特征在于所述观察套管采用玻璃套管。