CN110057538A - 一种剪切力可调的剪切流生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于涉及流体实验设备领域，具体涉及一种剪切力可调的剪切流生成装置。本发明能够产生可控的剪切流，并能获得任意各处的剪切力的大小。此外，本发明容积较大，可对尺寸较大的物体在剪切流中的状态特性进行实验。本发明结构简单、生成剪切流稳定，为各类在就剪切流中的实验提供了便利。

Description

一种剪切力可调的剪切流生成装置

技术领域

本发明属于涉及流体实验设备领域，具体涉及一种剪切力可调的剪切流生成装置。

背景技术

剪切流为产生横向速度梯度场的流动方式，流体剪切力是流体的重要性质。流体的剪切力对人体内的血管系统研究、聚合物熔体研究、水体净化研究以及舰船的研究等项目中起着至关重要的作用。由于大部分关于剪切流的实验较难实现，很多的学者都对物体在剪切流中的状态进行数值模拟，尤其是尺寸较大的物体。

现阶段研究流体剪切力的仪器设备为流变仪和流动槽等。流变仪测量精度较高，但是对于相对大型的实验，就显示出其容积小价格高的缺点；相比来说，流动槽具有制作简单成本低的优点，但是使用起来较为困难，其一是因为其产生的不均匀的剪切流不利于进行流体实验且调节缓慢，其二是数据测量有限且不完全准确。

发明内容

本发明目的在于提供解决现有的剪切力生成装置无法提供足够大小的实验所需的容积，无法生成和测量稳定的剪切流的问题，且剪切力的方式和大小易调的一种剪切力可调的剪切流生成装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种剪切力可调的剪切流生成装置，包括框架，还包括第一旋转桶、第二旋转桶和旋转轴；所述的第二旋转桶安装在第一旋转桶内部；所述的旋转轴下端安装在第二旋转桶内部空间的底部，旋转轴穿过第一旋转桶与第二旋转桶的内部空间，旋转轴上端在第一旋转桶外部，旋转轴上端安装有旋转驱动部件；所述的第一旋转桶上端安装有空心圆筒，且空心圆筒套在旋转轴上；所述的旋转轴与安装在框架上的齿轮组相连，齿轮组还与空心圆筒相连。

本发明还可以包括：

所述的第一旋转桶底部安装有底座，所述的底座安装在框架底面上，底座由两个无顶的空心圆柱结构组成，上层的空心圆柱半径与第一旋转桶适配，下层的空心圆柱半径小于上层的空心圆柱半径。

所述的齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮；所述的第一齿轮与第二齿轮安装在旋转轴上，且第二齿轮与空心圆筒相连；所述的第一齿轮与第三齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮啮合，且第三齿轮与第四齿轮同轴传动。

所述的齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和过渡齿轮；所述的第一齿轮与第二齿轮安装在旋转轴上，且第二齿轮与空心圆筒相连；所述的第一齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮同轴传动，第四齿轮与过渡齿轮啮合，过渡齿轮与第二齿轮啮合。

本发明的有益效果在于：

本发明能够产生可控的剪切流，并能获得任意各处的剪切力的大小。此外，本发明容积较大，可对尺寸较大的物体在剪切流中的状态特性进行实验。本发明结构简单、生成剪切流稳定，为各类在就剪切流中的实验提供了便利。

附图说明

图1是一种剪切力可调的剪切流生成装置的结构示意图。

图2是一种剪切力可调的剪切流生成装置的支撑架和底座结构示意图。

图3是一种剪切力可调的剪切流生成装置构成实验仓部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参见附图1，本发明一种剪切力可调的剪切流生成装置，它包括第一旋转桶1、第二旋转桶2、旋转轴3、齿轮组4、支撑架5、旋转驱动部件6；所述的旋转驱动部件6位于支撑架5的上部，所述的第二旋转桶2位于支撑架5的下部，所述的旋转轴3上端通过联轴器与旋转驱动部件6相连，下端与第二旋转桶2连接，中部与所述的齿轮组中的齿轮组4相连，所述的第一旋转桶1位于所述的第二旋转桶2的外部，下端与支撑架5相连，上端与通过穿过第一旋转桶1中心的圆孔的空心圆桶连接，空心圆桶与所述的齿轮组相连。

如图3所示，所述的一种剪切力可调的剪切流生成装置，其中由第一旋转桶与第二旋转桶包围的空间即为实验仓，用于容纳液体，并制造剪切力大小可调的剪切流。旋转产生的液体的运动规律可以通过实验液体的粘度系数、旋转角速度、齿轮组的传动比、第一旋转桶的内径和第二旋转桶的外径获得实验液体各处的剪切力的大小。其中，可通过电机调节旋转的角速度，调节齿轮的参数等来快速的调节剪切力的大小。

所述的第一旋转桶和第二旋转桶间隙中的实验流体的剪切力的大小可以通过如下公式获取：

式中，μ为实验流体的粘度系数，ω为所述旋转轴的旋转角速度，R为旋转轴的外径，n为第一旋转桶的内径与第二旋转桶外径的比值，m为齿轮组的传动比。在所述的一种剪切力可调的剪切流生成装置中，当液体的黏度系数、旋转轴二的外径、旋转轴的内径以及传动比不变的情况下，第一旋转桶和第二旋转桶间隙中的实验流体的剪切力只与旋转轴的角速度ω呈线性关系，由此可知，此装置可产生稳定的剪切流，并可获得流体各处的剪切力的大小。

实施例1：

所述的旋转驱动部件通过电机控制旋转轴的旋转和齿轮的组合使第一旋转桶和第二旋转桶实现同轴同向或反向的旋转：

对于同轴同向旋转的齿轮组由第一齿轮401、第二齿轮402、第三齿轮403、第四齿轮404构成。所述的旋转轴的中部与第二齿轮相连。第一旋转桶与一内径大于所述旋转轴的空心圆筒连接，且此空心圆筒与第二齿轮相连，第一齿轮与第三齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮啮合。所述的第一齿轮401连接在旋转轴3的中部，通过轴肩与轴承进行连接；所述的第三齿轮403、第四齿轮404同轴传动。

对于同轴反向旋转可在第四齿轮与第二齿轮之间增加过渡齿轮。

所述的旋转驱动部件6包括电动机和电动机变频控制器，电动机可以通过减速器或联轴器连接在所述的旋转轴的轴上端。

所述的旋转轴3的下端与第二旋转桶2之间使用TC密封圈实现旋转密封。

一种剪切力可调的剪切流生成装置，包括第一旋转桶、第二旋转桶、旋转轴、齿轮组、支撑架、底座、旋转驱动部件。其中第一旋转桶与第二旋转桶构成同轴的圆筒式结构，第一旋转桶与第二旋转桶的外部构成的封闭空间即为实验舱室，用于容纳各种实验的液体以及实验装置；所述的旋转驱动部件通过电机控制旋转轴的旋转和齿轮的组合使第一旋转桶和第二旋转桶实现同轴同向或反向的旋转，带动实验舱的液体也随着规律运动。旋转产生的液体的运动规律可以通过实验液体的粘度系数、旋转角速度、齿轮组的传动比、第一旋转桶的内径和第二旋转桶的外径获得实验液体各处的剪切力的大小。流体剪切力的大小与所述的旋转轴的转速为线性关系，因此该剪切力可调的剪切流生成装置可以产生大小可调节的剪切力呈线性变化的流体。

所述的底座501主要目的为支撑第一旋转桶1，可以随着第一旋转桶1一同旋转；所述的支撑架5的目的是支撑旋转驱动部件并固定支撑齿轮组4的轴。

旋转轴的角速度ω的改变是通过所述的旋转驱动部件6来调节。

所述的旋转轴、第一旋转桶、第二旋转桶均为亚克力材质。亚克力材质具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性，可提升流体与流体中物体的可观察性。

利用本发明提供的一种剪切力可调的剪切流生成装置能够产生可控的剪切流，并能获得任意各处的剪切力的大小。此外，此装置容积较大，可对尺寸较大的物体在剪切流中的状态特性进行实验。本发明具有结构简单、生成剪切流稳定，为各类在就剪切流中的实验提供了便利。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种剪切力可调的剪切流生成装置，包括框架，其特征在于：还包括第一旋转桶、第二旋转桶和旋转轴；所述的第二旋转桶安装在第一旋转桶内部；所述的旋转轴下端安装在第二旋转桶内部空间的底部，旋转轴穿过第一旋转桶与第二旋转桶的内部空间，旋转轴上端在第一旋转桶外部，旋转轴上端安装有旋转驱动部件；所述的第一旋转桶上端安装有空心圆筒，且空心圆筒套在旋转轴上；所述的旋转轴与安装在框架上的齿轮组相连，齿轮组还与空心圆筒相连。

2.根据权利要求1所述的一种剪切力可调的剪切流生成装置，其特征在于：所述的第一旋转桶底部安装有底座，所述的底座安装在框架底面上，底座由两个无顶的空心圆柱结构组成，上层的空心圆柱半径与第一旋转桶适配，下层的空心圆柱半径小于上层的空心圆柱半径。

3.根据权利要求1或2所述的一种剪切力可调的剪切流生成装置，其特征在于：所述的齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮；所述的第一齿轮与第二齿轮安装在旋转轴上，且第二齿轮与空心圆筒相连；所述的第一齿轮与第三齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮啮合，且第三齿轮与第四齿轮同轴传动。

4.根据权利要求1或2所述的一种剪切力可调的剪切流生成装置，其特征在于：所述的齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和过渡齿轮；所述的第一齿轮与第二齿轮安装在旋转轴上，且第二齿轮与空心圆筒相连；所述的第一齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮同轴传动，第四齿轮与过渡齿轮啮合，过渡齿轮与第二齿轮啮合。