CN106057039B - 液体对流传热过程光学实时观测装置与实验演示方法 - Google Patents
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Abstract
一种液体对流传热过程光学实时观测装置，在底座上设置有透明的水槽，水槽上端设置有水槽盖板，水槽内1/2长度的前侧壁和后侧壁上设置有与前、后侧壁垂直的第一隔板，第一隔板将水槽内分隔成左侧为热水槽、右侧为冷水槽，冷水槽内的前侧壁和后侧壁上设置有第一冷水槽、第二冷水、第三冷水槽，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽后侧外的底座上设置有光屏，水槽的侧壁上设置有保温层，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽前侧壁和后侧壁外的保温层上加工有通光孔，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽前侧外的底座上设置有激光器支架，激光器支架上水槽度方向均布设置有半导体激光器；本发明携带方便、演示直观，可作为传热学的演示实验仪器。
Description
技术领域
本发明属于传热学实验仪器技术领域，具体涉及到液体传热的实验仪器或装置。
背景技术
目前面向学生的传热演示实验，基本限于金属材料的导热演示。而液体特别是水作为最廉价、最有效的吸热介质，其传热特性的实验演示装置很少见到。专利申请号为201510032396.2、发明名称为“液体热传导实验装置”的中国发明专利，公开了一种结构特征为：由耐高温玻璃为原料制成，包括横管1根，纵管2根，横管和纵管垂直相通，其中一纵管高出横管，并开口。高出部分上有加水刻度。开口处用来加水、泄水。两个纵管的下端均有底座1。横管与底座1之间的距离是酒精灯的外焰部分能燃烧到。使用该装置时，从开口处加入一定刻度的液体，酒精灯加热横管，手握纵管，即可体会液体热传导现象。虽然其结构简单，但手握纵管感知的是传热结果，而不能观察液体的对流传热过程。显然，这只能用于面向中小学生的演示实验。而用于大学生、研究生的可观察液体对流传热过程的实验装置，目前还没有见到。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述液体热传导实验装置的缺点，提供一种结构简单、演示直观、演示效果好的液体对流传热过程光学实时观测装置。
本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用液体对流传热过程光学实时观测装置的实验演示方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有透明的水槽，水槽上端设置有水槽盖板，水槽内1/2长度的前侧壁和后侧壁上设置有与前、后侧壁垂直的第一隔板，第一隔板将水槽内分隔成左侧为热水槽、右侧为冷水槽，冷水槽内的前侧壁和后侧壁上设置有与前、后侧壁垂直的第二隔板、第三隔板，第二隔板、第三隔板将冷水槽分隔成第一冷水槽、第二冷水、第三冷水槽，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽后侧外的底座上设置有光屏，水槽的侧壁上设置有保温层，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽前侧壁和后侧壁外的保温层上加工有通光孔，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽前侧外的底座上设置有激光器支架，激光器支架上水槽度方向均布设置有第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器，第一半导体激光器输出发散角10°的激光束，透过第一冷水槽投射到光屏上，形成圆形光斑；第二半导体激光器输出发散角10°的激光束，透过第二冷水槽投射到光屏上，形成圆形光斑；第三半导体激光器输出发散角10°的激光束透过第三冷水槽投射到光屏上，形成圆形光斑。
本发明的第一隔板、第二隔板、第三隔板是厚度为1mm的紫铜板。
本发明的第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽的容积相等，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽的容积和与热水槽的容积相等。
使用上述装置的实验方法步骤如下：
(1)、在第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内装满自来水；
(2)、接通第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器的电源，观察第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内激光束的径迹，调整第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器的位置，使光屏上形成在同一直线上且等距离的三个圆形光斑；
(3)、在热水槽内加满80～90℃的热水，盖上水槽盖板3；
(4)、观察光屏上投射的三个圆形光斑的变化情况；第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内的冷水进行热传导，通过观察第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器输出的三束激光分别通过第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内的冷水，在光屏上形成的圆形光斑中出现不规则的移动亮带的先后次序，实现了水中对流传热过程的动态显示。
本发明根据对流传热过程中水中温度场与相应的折射率场同步动态变化的规律，采用激光束透过水体中变化的温度场时的同步偏折，即激光束的会聚或发散，在光屏上形成的同步移动的不规则亮带，实现了液体对流传热过程的实时动态显示。
本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示直观、演示效果好等优点，可作为传热学的演示实验仪器。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例1中同一直线上等距离的三个圆形光斑照片。
图3是本发明实施例1中第一个圆形光斑中出现的不规则移动亮带照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在图1、2中，本实施例的液体对流传热过程光学实时观测装置由底座1、水槽2、第一隔板4、第二隔板5、第三隔板7、激光器支架11、第一半导体激光器12、第二半导体激光器10、第三半导体激光器9、水槽盖板3、光屏6、保温层8联接构成。
在底座1上放置有水槽2，水槽2为透明的长方形水槽2，水槽2上端盖有水槽盖板3，水槽2的侧壁和水槽盖板3的上表面上包裹有保温层8，保温层8用于保温，水槽2内1/2长度的前后侧壁上用密封胶粘结有第一隔板4，第一隔板4与水槽2的前后侧壁垂直，第一隔板4是厚度为1mm的紫铜板，第一隔板4将水槽2分隔成左侧为热水槽、右侧为冷水槽，实验时热水槽内装满80～90℃的热水。冷水槽内的前侧壁和后侧壁上用密封胶均布粘结有第二隔板5、第三隔板7，第二隔板5、第三隔板7与第一隔板4平行，第二隔板5、第三隔板7是厚度为1mm的紫铜板，第二隔板5、第三隔板7将冷水槽分隔成第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽的容积和与热水槽的容积相等，实验时，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内装满室温状态的自来水。在第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽后侧外的底座1上放置有光屏6，光屏6用于成像。在第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽前侧外的底座1上放置有激光器支架11。在激光器支架11上水槽2的长度方向用螺纹紧固连接件固定联接均布安装有第一半导体激光器12、第二半导体激光器10、第三半导体激光器9，第一半导体激光器12输出发散角10°的激光束，透过第一冷水槽前后侧壁及保温层8上的通光孔投射到光屏6上，形成圆形光斑；第二半导体激光器10输出发散角10°的激光束，透过第二冷水槽前后侧壁及保温层8上的通光孔投射到光屏6上，形成圆形光斑；第三半导体激光器9输出发散角10°的激光束，透过第三冷水槽前后侧壁及保温层8上的通光孔投射到光屏6上，形成圆形光斑。
使用上述液体对流传热过程光学实时观测装置的实验方法步骤如下：
1、在第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内装满自来水。
2、接通第一半导体激光器12、第二半导体激光器10、第三半导体激光器9的电源，观察第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内激光束的径迹，调整第一半导体激光器12、第二半导体激光器10、第三半导体激光器9的位置，使光屏6上形成如图2所示的在同一直线上且等距离三个圆形光斑。
3、在热水槽内加满80～90℃的热水，盖上水槽盖板3。
4、观察光屏6上投射的三个圆形光斑的变化情况。看到第一半导体激光器12输出的激光束透过第一冷水槽投射在光屏6上的如图3所示的第一个圆形光斑中，首先出现不规则的移动亮带，说明热水槽中热水的热量已经通过第一隔板4传导到第一冷水槽中，在第一冷水槽中出现了热对流现象。继续观察光屏6上三个圆形光斑的变化情况，经过一段时间，看到第二半导体激光器10输出的激光束透过第二冷水槽投射在光屏6上的圆形光斑中，也出现不规则的移动亮带。说明热水槽中的热量已通过第一冷水槽中的水和第二隔板5传递到第二冷水槽中，在第二冷水槽中由于出现了热对流现象。直至看到第三半导体激光器9输出的激光束透过第三冷水槽投射在光屏6上的右边的圆形光斑中也出现不规则的移动亮带，说明热水槽中的热量通过第一冷水槽、第二冷水槽中的水和第三隔板7传递到第三冷水槽中。以此实现了水中对流传热过程的动态显示。
本发明的工作原理如下：
本发明通过在第一隔板4左侧的热水槽内加入80～90℃的热水，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内加满自来水，热水槽中水的热量通过第一隔板4传导到第一冷水槽内水中，随着第一冷水槽内水中热对流进行，第一冷水槽内水中呈现出变化的温度场，此即热对流场。由水的热光效应可知，热对流场是变化的梯度折射率场，第一半导体激光器12输出的发散激光束透过第一冷水槽内热对流场时将发生会聚或发散，第一半导体激光器12输出的激光束在光屏6上投射的圆形光斑中同步出现不断变化和移动的亮带，即通过光屏6上圆形光斑中同步出现移动的亮带，实现了第一冷水槽内水中对流传热的动态显示。当第一冷水槽中水的热量通过第二隔板5传导到第二冷水槽内水中时，第二冷水槽内水中也呈现出变化的温度场，第二半导体激光器10输出的激光束透过第二冷水槽，在光屏6上投射的圆形光斑中同步出现不断变化和移动的亮带，即通过光屏6上圆形光斑中同步出现移动的亮带，实现了第二冷水槽内水中热对流的动态显示。同样的，当第二冷水槽内水的热量通过第三隔板7传导的第三冷水槽中时，第三半导体激光器9输出的激光束透过第三冷水槽在光屏6上投射的圆形光斑中同步出现不断变化和移动的亮带。本发明通过观察光屏6上3个圆形光斑中出现变化的移动亮带的先后次序，实现了液体中对流传热过程的实时动态显示。
Claims (4)
1.一种液体对流传热过程光学实时观测装置，在底座（1）上设置有透明的水槽（2），第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽前侧外的底座（1）上设置有激光器支架（11），其特征在于：水槽（2）上端设置有水槽盖板（3），水槽（2）内1/2长度的前侧壁和后侧壁上设置有与前、后侧壁垂直的第一隔板（4），第一隔板（4）将水槽（2）内分隔成左侧为热水槽、右侧为冷水槽，冷水槽内的前侧壁和后侧壁上设置有与前、后侧壁垂直的第二隔板（5）、第三隔板（7），第二隔板（5）、第三隔板（7）将冷水槽分隔成第一冷水槽、第二冷水、第三冷水槽，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽后侧外的底座（1）上设置有光屏（6），水槽（2）的侧壁上设置有保温层（8），第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽前侧壁和后侧壁外的保温层（8）上加工有通光孔，激光器支架（11）上水槽（2）长度方向均布设置有第一半导体激光器（12）、第二半导体激光器（10）、第三半导体激光器（9），第一半导体激光器（12）输出发散角10°的激光束，透过第一冷水槽投射到光屏（6）上，形成圆形光斑；第二半导体激光器（10）输出发散角10°的激光束，透过第二冷水槽投射到光屏（6）上，形成圆形光斑；第三半导体激光器（9）输出发散角10°的激光束透过第三冷水槽投射到光屏（6）上，形成圆形光斑。
2.根据权利要求1所述的液体对流传热过程光学实时观测装置，其特征在于：所述的第一隔板（4）、第二隔板（5）、第三隔板（7）是厚度为1mm的紫铜板。
3.根据权利要求1所述的液体对流传热过程光学实时观测装置，其特征在于：所述的第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽的容积相等，第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽的容积和与热水槽的容积相等。
4.一种使用权利要求1液体对流传热过程光学实时观测装置的实验方法步骤如下：
（1）、在第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内装满自来水；
（2）、接通第一半导体激光器（12）、第二半导体激光器（10）、第三半导体激光器（9）的电源，观察第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内激光束的径迹，调整第一半导体激光器（12）、第二半导体激光器（10）、第三半导体激光器（9）的位置，使光屏（6）上形成在同一直线上且等距离的三个圆形光斑；
（3）、在热水槽内加满80～90℃的热水，盖上水槽盖板3；
（4）、观察光屏（6）上投射的三个圆形光斑的变化情况；第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内的冷水进行热传导，通过观察第一半导体激光器（12）、第二半导体激光器（10）、第三半导体激光器（9）输出的三束激光分别通过第一冷水槽、第二冷水槽、第三冷水槽内的冷水，在光屏（6）上形成的圆形光斑中出现不规则的移动亮带的先后次序，实现了水中对流传热过程的动态显示。
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