CN107525743A - 一种用于固态介质的泰勒‑库埃特实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于固态介质的泰勒‑库埃特实验装置，涉及连续介质力学领域，本装置包括由内外圆筒壁和两个环形端面组成的圆筒状样品室；以及驱动样品室内外圆筒壁相对转动的驱动机构；记录样品室内外圆筒壁相对转动扭矩的扭矩传感记录系统；还包括向圆筒状样品室内样品端部提供轴向压力的加压机构；记录样品端部所受轴向压力的压力传感记录系统；记录样品固态介质流变情况的信息采集系统。本装置结构简单，易于实现，可以把经典泰勒‑库埃特装置研究液态介质流变行为的工作，拓展到固态介质的流变研究中。

Description

一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置
技术领域
本发明涉及连续介质力学领域，具体是一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，实验固态介质在外力作用下的流变行为。
背景技术
1890年，库埃特首次设计出围绕同心轴旋转的圆筒装置来测量流体、主要是液体的黏性系数。随后在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.]一文中采用此装置来研究流体稳定性的问题。此后，该装置以两位科学家的名字来命名。泰勒-库埃特装置的原理图如图1所示。
将内壁和外壁之间的圆筒状样品室内充满实验液体(液态介质)，当内外壁产生相对转动时，根据相对转速的不同，圆筒状样品室内的液体会产生不同流动形态的转变。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，内壁旋转，外壁固定时，观察圆筒状样品室纵截面，随着内筒转速的增加，液体的流动会依次产生如下的形态转变：周向层流→泰勒涡流→波状涡流→调制波状涡流→湍流涡流。如图2所示。液态介质的这些流变形态转变与其特征参数雷诺数密切相关。
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.]公开了对于泰勒-库埃特装置中液态介质流动形态的观测主要运用粒子图像测速法。粒子图像测速法是一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。向液态介质中投入示踪粒子后，便可以测量流场的瞬态速度分布，目前被广泛应用于流体力学等领域。该方法的原理及装置如图3所示。典型的实验过程可为，将泰勒-库埃特装置31置于一个方形的玻璃水槽32中，并在水槽中加入蒸馏水以避免观察时产生光学畸变。在装置中加满蒸馏水，并在圆筒状样品室内液态介质中投入专用的聚酰胺示踪粒子。装置内筒由变频控制柜33控制电动机34来驱动，当内筒在目标转速下稳定运行10分钟后，启动粒子图像测速系统进行测速。粒子图像测速系统主要由激光器35、高速相机36和计算机37组成。测速时，将和激光器35相连的激光头38和高速相机36分别放在L型支架39的两条边上，将激光头38对准圆筒状样品室的纵截面，高速相机36对着圆筒状样品室的纵截面的垂直方向。利用激光照亮测量区域，让区域中的示踪粒子产生足够强度的散射光，高速相机36记录下示踪粒子图像，再启动计算机37中的相关软件进行自适应相关性分析，即可得到各转速下流场的瞬时速度矢量场，进而得出液体的流动形态图。
围绕同心轴旋转的圆筒(壁)之间的泰勒-库埃特流动是流体力学的经典问题，在工业生产上也有重要的应用背景，例如长距离管道输送油气、轴承润滑、血液抗凝装置的研发以及流动微混合等方面。一百多年来，关于泰勒-库埃特流的研究已取得了很多重要的进展。但是直到今天，泰勒-库埃特流中的湍流以及流场转捩等问题仍然是流体力学领域重要的研究课题。
目前绝大多数对泰勒-库埃特流动流场转捩的研究都集中在圆筒状样品室的纵向截面上，根据纵向截面上这种流动形态的变化，很容易预见其环形横截面上的流动形态也会发生相应的变化。而到目前为止，没有见到对环形横截面(包括环形端面)上流动形态进行观察研究的报道。毫无疑问，对这种环形端面和环形横截面上流动形态的观察研究，也会有助于阐明泰勒-库埃特流动流场转捩的机理。
另一方面固态介质和液态介质体都属于凝聚态物质，有许多相似的性质。在高压作用下固态介质也会表现出类似于液态介质的流变特性。如果使固态介质也产生类似于液态介质的泰勒-库埃特流变，会呈现什么样的规律呢？会不会有类似于液态介质的湍流以及流场转捩过程发生呢？
研究固态介质的泰勒-库埃特流变行为，对于表征和探索固态介质的流变行为规律、阐明固体和流体的流变行为的异同及其差别的内在机制，对连续介质力学的发展具有重要的理论意义。
不同的固态介质，变形抗力(强度)不同。如果对较软的固体，比如橡皮泥来进行这类的变形的话，可以预测所需施加的转动力矩应该会比较小。如果要对较硬的固态介质，比如金属来进行类似的流变实验的话，那么可以预测，所需施加的力矩将大很多。
金属是目前大量研究与实际应用的工程材料。研究金属的泰勒-库埃特流变行为，及其与转动力矩之间的关系，对固体力学和金属加工业具有重要的理论和实际意义。
类比液态介质流变实验中添加示踪粒子的方法，固态介质中当然也可以用添加金属同位素示踪的方法，在某些位置添加金属同位素，而其他位置不添加金属同位素，以此来观察固态介质的流变情况。
液态介质泰勒-库埃特流变实验中，整个样品室里通常只用一种液态介质，是受到了液态介质本身固有属性的影响。对两种及以上的液态介质组成的体系，可分为互溶体系和不互溶体系。对于不互溶的液态介质，通常会由于其密度不同而在重力场作用下自发产生分层；而对于互溶的液态介质体来说，它们一经接触就会自发地溶为一体。这样，不采用固体的隔离物，就无法像实验期望的那样沿径向或/和圆周分割成两种及以上不同成分的液体区域，或是将同一种液体分成颜色不同的两种及以上的区域来进行实验。而采用了固体的隔离物，就不能实现原来意义上的液态介质泰勒-库埃特流变实验了。固态介质具有确定的形状，在常温下互溶性极其有限，可以根据实验要求的不同加工成不同的形状来进行实验。那么对固态介质进行泰勒-库埃特流变实验时，既可以用单一固态介质，又可以用多种不同的固态介质组合成一个圆筒状样品进行实验，这样，为采用固态介质的泰勒-库埃特流变实验提供了更宽阔的实验参数空间。
而且固态介质与液态介质在进行泰勒-库埃特流动实验时存在一个显著不同。液态介质在实验停止后，流动形态会逐渐退化恢复至实验前的平衡静止状态。而固态介质在实验停止后，流变的动态行为虽然停止，但流变特征会“冷冻”在实验停止瞬间的形态，而不是像液态介质那样退化恢复至实验前的平衡静止状态。这样要观察固态介质在圆筒状样品纵向截面乃至任意截面上的流变形态，只需将实验后的固态介质剖开直接观测剖面即可。
当用橡皮泥这种固态介质进行流变实验时，可以用不同颜色但其他物理性质相同的橡皮泥组成圆筒状样品，也可以用不同颜色不同物理性质的橡皮泥组成圆筒状样品。不同的颜色可以很容易地识别观测流变特征。也方便采用通用的光学图像信息采集系统对流动形态进行全程、实时、动态观察和记录。
当用金属这类固态介质进行流变实验时，采用常规的金相或扫描电子显微镜、加上背散射电子衍射以及能谱仪等，可以方便地区分各种不同取向的剖面上的不同组成相、不同成分、不同晶体取向的金属，从而显示出流变形貌特征。如果要对外观颜色特征区分度不大的金属等固态介质的流变特征进行类似于彩色橡皮泥的实时动态观察，则可以采用同位素示踪法，在图像采集系统上加上识别金属同位素的装置即可。
用固态介质进行流变实验时，观察样品环形端面上的流变特征比观察样品纵截面上的要容易一些。这有助于填补现有的液态介质泰勒-库埃特流变实验缺乏对环形端面上流动形态的观察这一空白。
由此，提出一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置。
本发明的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，包括：由内外圆筒壁和两个环形端面组成的圆筒状样品室；以及驱动样品室内外圆筒壁相对转动的驱动机构；记录样品室内外圆筒壁相对转动扭矩的扭矩传感记录系统；还包括向圆筒状样品室内样品端部提供轴向压力的加压机构；记录样品端部所受轴向压力的压力传感记录系统；记录样品固态介质流变情况的信息采集系统。
本发明的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其中内外圆筒壁为同轴放置的内圆筒的外壁和外圆筒的内壁，两个环形端面，为形状与同轴放置的内圆筒和外圆筒之间的间隙完全吻合的环形面，内外圆筒壁和两个环形端面组成圆筒状样品室。
本发明的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其中加压机构的压头与环形端面相接触，在加压机构的压头与加压部件之间设置有压力传感记录系统，用于记录样品端部所受的轴向压力。
本发明的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其中加压机构的压头与环形端面相接触的面是与环形端面完全吻合的环形面。
本发明的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其中驱动机构或连接于内圆筒的外壁上，或连接于外圆筒的内壁上，或同时连接于内圆筒的外壁和外圆筒的内壁上，用于驱动样品室内外圆筒壁相对转动。
本发明的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其中内圆筒的外壁或外圆筒的外壁上安装有扭矩传感记录系统，用于记录样品室内外圆筒壁的相对转动扭矩。
本发明的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其中信息采集系统正对着环形端面放置，用于记录固态介质的流变情况。
本发明与现有技术相比，其优点为：
(1)本装置适用于固态介质，使固态介质的泰勒-库埃特流变研究成为可能。
(2)本装置可进行端面连续观察，填补了现有的液态介质泰勒-库埃特实验缺乏对环形端面上流动形态的观察这一空白。
(3)可以将固态介质取出，切开观察任意截面上的流变形态，而不仅限于一些特定的截面，从而有利于获得更全面的三维流变形态。
(4)将固态介质取出切开观察完以后，还可以将切开的固态介质按照原来的位置再拼成圆筒状，放回装置中，继续进行实验。
附图说明
图1是液态介质泰勒-库埃特装置的原理示意图。
图2是不同雷诺数(Re)时在圆筒状样品室纵向截面上观察到的液体的不同流动形态图。
图3是液态介质泰勒-库埃特装置粒子图像测速法的装置及原理示意图。
图4(a)至图4(b)是本发明的固态介质泰勒-库埃特实验装置的原理示意图。图4(a)为需要进行实时、动态观察时的固态介质泰勒-库埃特实验装置原理的构成示意图；图4(b)为不进行实时、动态观察时的固态介质泰勒-库埃特实验装置原理的另一种构成示意图。
图5是由单一固态介质构成的用于泰勒-库埃特实验的圆筒状整体样品示意图。
图6(a)至图6(d)是由多于一种材质的扇形截面的柱体构成的用于泰勒-库埃特实验的圆筒状组合样品的横截面示意图：图6(a)两种不同的材质各制成圆心角为180°的扇形截面柱体所构成的圆筒状组合样品的横截面示意图；图6(b)三种不同的材质各制成圆心角为120°的扇形截面柱体所构成的圆筒状组合样品的横截面示意图；图6(c)四种不同的材质各制成圆心角为90°的扇形截面柱体所构成的圆筒状组合样品的横截面示意图；图6(d)两种不同的材质各制成两个圆心角为90°的扇形截面柱体并且交替排列所构成的圆筒状组合样品的横截面示意图。
图7是采用颜色不同但物理性能相同的两种橡皮泥拼接成圆筒状样品进行泰勒-库埃特流变实验的实验装置示意图。
图8是图7主体部分70装配图的半剖示意图。
图9是两种颜色的橡皮泥组合成的圆筒状样品在泰勒-库埃特实验中内外壁相对转动不同圈数后在端面上观察到的流变形态图。
图10是铅(Pb)和锡(Sn)两种材料各制成两个圆心角为90°的扇形截面柱体交替排列组合成圆筒状样品的示意图。
图11是铅(Pb)和锡(Sn)圆筒状组合样品在泰勒-库埃特实验中内外壁相对转动1圈后沿其环形横截面剖开观察到的流变形态图。
其中，附图标记说明如下：
11-圆筒状样品室的纵向截面 12-圆筒状样品室的环形端面 13-圆筒状样品室的环形横截面 31-泰勒-库埃特装置 32-方形的玻璃水槽 33-变频控制柜 34-电动机 35-激光器 36-高速相机 37-计算机 38-激光头 39-L型支架 1-1-内圆筒 1-2-外圆筒 1-3-两个环形端面 1-圆筒状样品室 2-向样品端部提供轴向压力的加压机构 3-记录样品端部所受轴向压力的压力传感记录系统 4-驱动样品室内外圆筒壁相对转动的驱动机构 5-记录样品室内外壁相对转动扭矩的扭矩传感记录系统 6-记录固态介质流变情况的信息采集系统 70-主体部分 71-传动部分 72-扭矩传感记录仪 73-相机 74-计算机 75-底板 81-前挡板 82-玻璃板 83-内圆筒 84-圆筒状橡皮泥 85-齿轮 86-外圆筒 87-后挡板 88-压砧89-垫片90-弹簧 91-托台 92-玻璃板 82与圆筒状橡皮泥 84接触的环形端面 93-压砧 88与圆筒状橡皮泥 84接触的环形端面。
具体实施方式
本装置的结构原理如图4(a)所示，装置包括：由内外圆筒壁和两个环形端面(1-3)组成的圆筒状样品室(1)；以及驱动样品室内外圆筒壁相对转动的驱动机构(4)；记录样品室内外圆筒壁相对转动扭矩的扭矩传感记录系统(5)；还包括向圆筒状样品室(1)内样品端部提供轴向压力的加压机构(2)；记录样品端部所受轴向压力的压力传感记录系统(3)；记录样品固态介质流变情况的信息采集系统(6)。根据实验需要，在不强调实时、动态观察时，也可以设置成在样品两端提供轴向压力的形式，如图4(b)所示，这时该装置可以不包括上述的记录固态介质流变情况的信息采集系统(6)。
进行实验时，实验对象为固态介质。既可以将由单一介质构成的固态介质加工成圆筒状整体样品，如图5所示。也可以将由相同或不同种材质的多块扇形截面的柱状固态介质拼接成圆筒状组合样品。图6(a)至图6(d)给出了由多于一种材质的扇形截面的柱体构成的用于泰勒-库埃特实验的圆筒状组合样品的横截面示意图。图6(a)至图6(d)仅提供部分具体实例与说明之用，并非用来对材质的数量，扇形截面柱体的排列方式加以限制。然后将样品放入圆筒状的样品室中。根据需要，在圆筒状样品两个端面与样品室两端面之间可以加入润滑剂以减少该端面上的摩擦力对实验样品流变行为的影响，在这种影响不显著时也可以不加润滑剂。加压机构向样品的端面加压，在样品中产生静水压力，从而在圆筒状样品的内外壁与样品室内外圆筒壁接触面上产生正压力。在驱动机构的作用下，样品室的内外圆筒壁相对转动，在正压力作用下圆筒状样品内外壁与样品室内外圆筒壁接触面上产生方向相反的切向摩擦力，从而驱动固态介质产生类似于液态介质的泰勒-库埃特流变。扭矩传感记录系统记录下样品室内外圆筒壁相对转动的扭矩数值、压力传感记录系统记录下在样品端部施加的轴向压力、信息采集系统记录下固态介质的流变形态，用于对实验的后续分析。也可在实验中途中止流变过程，取出圆筒状固态介质样品，沿期望的截面剖开观测流变形态后(必要时可将圆筒状样品低温冷冻以方便剖切)，再原样重组成原来的圆筒状样品，放回样品室中继续进行流变实验。
本发明与现有技术相比，其不同为：
(1)驱动实验介质流变的力的来源和产生机制不同
液态介质泰勒-库埃特装置驱动液态介质进行旋转流动依靠的是液体分子与样品室内外圆筒壁之间的黏着力；而本发明装置依靠的是样品室内外圆筒壁和圆筒状固态介质的内外壁之间的摩擦力。而要产生摩擦力，就需要有正压力，本装置中对圆筒状固态介质的端面施加轴向压力，正是为了在样品室内外圆筒壁和圆筒状固态介质的内外壁之间产生正压力，进而产生摩擦力。而液态介质泰勒-库埃特装置中不需要对液态介质施加压力，只需将液态介质直接注入样品室中让其与样品室的内外圆筒壁充分接触，然后让内外筒壁相对转动即可带动液态介质旋转流动。
(2)实验的介质不同
已有的泰勒-库埃特装置都是对液态介质进行实验的，而本装置是对固态介质进行泰勒-库埃特流变实验的。
(3)流变特征的观测记录方式不同
液态介质泰勒-库埃特装置对流变形态的观察采用示踪粒子的方法。而本发明装置对物质流动形态的观察，在需要实时观察时可以采用示踪粒子的方法，在不强调实时观察时，可以采用更为方便的其他方法。对于橡皮泥，可以依靠不同颜色之间产生的对比作用来观察，甚至对一种颜色的橡皮泥进行实验时，只需根据需要用另一种颜色不同但物理性质相同的橡皮泥做出标记即可进行定量的流变行为观测。对于不同种类的金属，可以切开后采用扫描电镜和能谱仪等离线观察流变形态；对于同种金属，可以切开后采用扫描电镜和背散射电子衍射技术等观察流变形态。这些方法比液态介质泰勒-库埃特装置对液态介质流动形态的观察要方便和有效许多。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图7所示，该装置为对橡皮泥进行泰勒-库埃特实验的实验装置。装置由以下各部分组成：主体部分70、传动部分71、扭矩传感记录仪72、相机73、计算机74底板75。其中，主体部分70中包括前挡板81、玻璃板82、内圆筒83、圆筒状橡皮泥84、齿轮85、外圆筒86、后挡板87、压砧88、垫片89、弹簧90和托台91。主体部分70装配图的半剖示意图如图8所示。
其中玻璃板82与圆筒状橡皮泥84接触的环形端面92、内圆筒83、外圆筒86、压砧88与圆筒状橡皮泥84接触的环形端面93组成圆筒状样品室；压砧88、垫片89组成向样品端部提供轴向压力的加压机构；弹簧90组成记录样品端部所受轴向压力的压力传感记录系统；齿轮85、传动部分71组成驱动样品室内外圆筒壁相对转动的驱动机构；扭矩传感记录仪72组成记录样品室内外圆筒壁相对转动扭矩的扭矩传感记录系统；相机73、计算机74组成记录固态介质流变情况的信息采集系统。其余部件构成装置的辅助部分。
实验对象为圆筒状橡皮泥84，圆筒状橡皮泥84放置于玻璃板82和压砧88之间。玻璃板82的侧面，压砧88的端面与圆筒状橡皮泥84的两端面接触，压砧88的端面是与圆筒状橡皮泥84的两端面完全吻合的环形；圆筒状橡皮泥84的内部同心设有内圆筒83，内圆筒83的外表面与圆筒状橡皮泥84的内壁接触，圆筒状橡皮泥84的外部同心设有外圆筒86，外圆筒86的内表面与圆筒状橡皮泥84的外壁接触。前挡板81支撑着玻璃板82。后挡板87抵住外圆筒86的端面，目的是防止在弹簧90加压的过程中，圆筒状橡皮泥84从玻璃板82和外圆筒86的缝隙中被挤出。齿轮85和外圆筒86通过键连接在一起，齿轮85和传动部分71的齿轮相啮合。托台91托住压砧88的后半部分。位于长螺栓尾部的弹簧90在压缩后，将力施加于垫片89上，垫片89和压砧88同轴放置，垫片89的端面和压砧88的另一端面接触。垫片89将力均匀分散后，传递给压砧88，压砧88再将力施加于圆筒状橡皮泥84上。内圆筒83上加工有轴向贯穿的螺纹孔；前挡板81、玻璃板82、后挡板87的长宽相同，且四个角上开有位置和形状相同的通孔；前挡板81的中心开有锥形孔；玻璃板82的中心和垫片89的中心开有通孔，通孔的直径和内圆筒83的螺纹大径相同；长螺栓穿过玻璃板82中心的通孔、内圆筒83上的螺纹孔、垫片89中心的通孔和弹簧90，并在长螺栓的尾部旋上相应的螺母来固定玻璃板82、圆筒状橡皮泥84、压砧88、垫片89和弹簧90的位置；四个短螺栓穿过前挡板81、玻璃板82和后挡板87四个角上的通孔，并在四个短螺栓的尾部旋上相应的螺母来固定前挡板81、玻璃板82、外圆筒86和后挡板87的位置。
传动部分71包括轴承座，轴承，轴，齿轮，手摇把。轴承通过轴承座上的挡板和轴上的轴肩来固定轴承的位置，齿轮通过键连接在轴上，手摇把连接于轴的末端。
扭矩传感记录仪72连接于外圆筒86上，用于测量实验过程中，样品室内外圆筒壁的相对转动扭矩。
相机73的镜头正对着圆筒状橡皮泥84的环形端面，计算机74用于处理从相机73得到的图像信息。
底板75上开有T型槽，主要作用是通过螺栓连接给主体部分70和传动部分71定位。
装置的使用步骤如下：
(1)将前挡板81和玻璃板82水平放置，玻璃板82放在前挡板81上。四个短螺栓穿过前挡板81和玻璃板82四个角上的通孔。
(2)长螺栓穿过玻璃板82中心上的通孔，内圆筒83通过轴向贯穿的螺纹孔旋到长螺栓上，内圆筒83的一个端面和玻璃板82相接触。
(3)将两块预制好的不同颜色的扇形截面柱体橡皮泥，同心套在内圆筒83的外表面上，拼成圆筒状橡皮泥84。圆筒状橡皮泥84的一个环形端面和玻璃板82相接触。
(4)压砧88同心套在内圆筒83的外表面上，并压在圆筒状橡皮泥84的另一个环形端面上。
(5)外圆筒86同心套在圆筒状橡皮泥84的外壁上，外圆筒86的一个环形端面和玻璃板82相接触。
(6)齿轮85通过外圆筒86上开的键槽，和外圆筒86用键连接在一起。
(7)后挡板87四个角上的通孔穿过四个短螺栓，抵在外圆筒86的另一个环形端面上。
(8)垫片89穿过长螺栓的尾部，放在压砧88上。
(9)弹簧90穿过长螺栓的尾部，放在垫片89上。
(10)与长螺栓相配合的螺母旋到长螺栓的尾部，压住弹簧90，将玻璃板82、圆筒状橡皮泥84、压砧88、垫片89、弹簧90的位置固定。
(11)与短螺栓相配合的螺母旋到短螺栓的尾部，将前挡板81、玻璃板82、外圆筒86、后挡板87的位置固定。
(12)将以上连接好的整体从水平面抬到竖直面，通过压砧88上的键槽，将压砧88和托台91连接起来，托台91对压砧88的后半部分起支撑作用。
(13)通过前挡板81底部的螺纹孔，用螺栓将主体部分70固定在底板75上。
(14)将传动部分71的各个零件装配好，通过轴承座底部的螺纹孔，用螺栓将传动部分71固定在底板上。
(15)将相机73和计算机74连接好，相机73位置调好，打开开关。将扭矩传感记录仪72连接到外圆筒86上，根据实验的需要，按一定的转速摇动传动部分71的手摇把，手摇把带动轴转动，通过键和轴连接的传动部分71的齿轮也跟着转动，传动部分71的齿轮带动主体部分70的齿轮85转动，主体部分70的齿轮85通过键带动外圆筒86转动，外圆筒86内表面和圆筒状橡皮泥84的外壁之间的摩擦力带动圆筒状橡皮泥84转动，从而对圆筒状橡皮泥84进行固态介质泰勒-库埃特流动变形。
(16)实验过程中根据需要来旋长螺栓尾部的螺母，压缩弹簧90，对圆筒状橡皮泥84进行加压。同时记录下弹簧90的长度，后续通过弹簧的弹性系数可以换算出施压的压力。
(17)根据实验需要，转到一定的圈数以后，实验结束。关闭相机73，关闭扭矩传感记录仪72。将主体部分70，传动部分71和底板75相配合的螺栓卸下。
(18)将主体部分70水平放置，依次卸下与长螺栓相配合的螺母、弹簧90、垫片89。
(19)卸下与短螺栓相配合的螺母。
(20)将后挡板87、齿轮85、外圆筒86、压砧88依次沿长螺栓的轴向取出。
(21)将剩余部分抬到竖直面上，卸下长螺栓，将长螺栓和玻璃板82、内圆筒83分离。
(22)取走玻璃板82，将圆筒状橡皮泥84从内圆筒83上取下，放入冰箱中冷冻一段时间，等圆筒状橡皮泥84变得足够硬以后，即可取出切开观察环形横截面或纵向截面乃至任意截面处物质的流变形态。
(23)将玻璃板82、内圆筒83、外圆筒86压砧88上与圆筒状橡皮泥84接触的地方用水清洗干净，以便进行下一次实验。
实施例一
选用红色和蓝色两种颜色的橡皮泥(红色对应图9中较亮的颜色，蓝色对应图9中较暗的颜色)，分别制成内径为20mm，外径为32mm，高度为10mm的圆心角为180°的扇形截面柱体，通过上述步骤装入装置中，并连接好装置各部分。打开摄像机，采用的齿轮传动比为2:1，即传动部分的齿轮转2圈，主体部分的齿轮转1圈。传动部分的齿轮转速为2转/min，主体部分的齿轮转速为1转/min，施加在圆筒状橡皮泥上的压力约为20N。转动不同圈数以后，实验结果图如图9所示。
刚开始的时候，两种颜色的橡皮泥是分为两种颜色截然不同的两块的，转动起来以后，不同颜色的橡皮泥分别嵌入到对方中。转4圈的时候，还是分层现象，这类似于液体中的层流。到了10圈的时候，层越来越细，不同颜色的橡皮泥之间的分界线也逐渐变得肉眼难以分辨，两种颜色的橡皮泥几乎混合在一起了。
实施例二
选用铅(Pb)和锡(Sn)两种材料，分别制成内径为47mm，外径为51mm，高度为15mm的圆筒，将圆筒等分为4个圆心角为90°的扇形截面柱体，选出两块铅的扇形截面柱体和两块锡的扇形截面柱体，铅和锡交替放置，拼成一个圆筒状样品。如图10所示。放入本发明的泰勒-库埃特实验装置的样品室中，采用加压机构对样品轴向加压260KN，样品室内外圆筒壁相对转动1圈以后，取出样品，对样品横截面进行机械打磨抛光，用显微镜观察部分环形横截面上金属的流动形态，实验结果如图11所示。
可以看到，铅为图11中颜色较深的部分和锡为图11中颜色较浅的部分分层分布。

Claims (9)

1.一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，包括：
由内外圆筒壁和两个环形端面(1-3)组成的圆筒状样品室(1)；以及
驱动样品室内外圆筒壁相对转动的驱动机构(4)；
记录样品室内外圆筒壁相对转动扭矩的扭矩传感记录系统(5)；
还包括向圆筒状样品室(1)内样品端部提供轴向压力的加压机构(2)；
记录样品端部所受轴向压力的压力传感记录系统(3)；
记录样品固态介质流变情况的信息采集系统(6)。
2.根据权利要求1所述的用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于，所述的内外圆筒壁为同轴放置的内圆筒(1-1)的外壁和外圆筒(1-2)的内壁，所述的两个环形端面(1-3)，为形状与同轴放置的内圆筒(1-1)和外圆筒(1-2)之间的间隙完全吻合的环形面，内外圆筒壁和两个环形端面(1-3)组成圆筒状样品室(1)。
3.根据权利要求1所述的用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于，所述的加压机构(2)的压头与环形端面(1-3)相接触，在加压机构(2)的压头与加压部件之间设置有压力传感记录系统(3)，用于记录样品端部所受的轴向压力。
4.根据权利要求3所述的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于：所述的加压机构(2)的压头与环形端面(1-3)相接触的面是与环形端面(1-3)完全吻合的环形面。
5.根据权利要求1所述的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于：所述的驱动机构(4)连接于内外圆筒壁的内圆筒(1-1)的外壁上。
6.根据权利要求1所述的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于：所述的驱动机构(4)连接于内外圆筒壁的外圆筒(1-2)的内壁上。
7.根据权利要求1所述的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于：所述的驱动机构(4)连接于内外圆筒壁的内圆筒(1-1)的外壁和外圆筒(1-2)的内壁上，用于驱动样品室内外圆筒壁相对转动。
8.根据权利要求2所述的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于：所述的内圆筒(1-1)的外壁或外圆筒(1-2)的外壁上安装有扭矩传感记录系统(5)，用于记录样品室内外圆筒壁的相对转动扭矩。
9.根据权利要求1所述的一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置，其特征在于：所述的信息采集系统(6)正对着环形端面(1-3)放置，用于记录固态介质的流变情况。
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