CN111739392A - 一种泰勒库特流流态实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泰勒库特流流态实验装置，包括外筒、上端盖、下底座，上端盖、下底座分别设在外筒上、下端构成流体流动腔体，下底座的下表面与第一转轴的一端固定连接，第一转轴的另一端与第一伺服电机连接；流体流动腔体内设有内筒，内筒与外筒之间形成流体流动的环隙，内筒中设有第二转轴，第二转轴的下端与下底座转动连接，第二转轴的上端穿出上端盖后与第二伺服电机的连接；上端盖上设有将流体导入外筒与内筒之间环隙的进液口，下底座上设有将流体排出的排液通道，排液通道外部端口处设有将流体堵住的可拆卸螺栓。该装置可以实现双筒独立设置转速与转向，转速可控，两筒之间的环隙宽度可快速调节，且装置密闭性好，同轴程度高。

Description

一种泰勒库特流流态实验装置

技术领域

本发明涉及流体力学技术领域，具体是一种泰勒库特流流态实验装置。

背景技术

两同轴旋转圆筒间的流体流动是一种经典的流体动力学问题，称为“Taylor-Couette”流，即泰勒库特流。圆筒环隙内的流体由于两圆柱筒转动方式和转速的不同会呈现层流，泰勒涡旋，湍流等多种流态，该过程对于研究湍流、流体稳定性等有重要学术意义，其复杂多变的流动形态长期以来都是许多研究者的关注焦点，至今仍不断有研究者开展相关的理论分析、数值计算和试验观测研究。泰勒库特流除可以进行流体力学方向上的理论研究，还可广泛应用于工业中掺混、碾磨、萃取等设备，如：采用涡流减少浓差极化的过滤装置、旋转的圆柱体电极和两相乳化的逆流液萃取器等，具有重要的实际应用价值。

两圆筒转动有四种常用形式：外圆筒固定，内圆筒旋转；内圆筒固定，外圆筒旋转；内外圆筒同向旋转；内外圆筒逆向旋转。现有的实验装置大都只对其中一个圆筒进行旋转，另一个圆筒固定，传动方式多为带传动，无法实现两圆筒独立调速旋转，带传动存在传动误差，无法准确地观测出指定雷诺数下，环隙内的流态分布；且大多数实验装置结构固定，无法对两圆筒之间的环隙宽度进行快速调整，当需要对不同环隙尺寸进行观测时，只能重新制作装置或进行较为复杂的改装，装置利用率低；最后现有实验装置由于大多采用贯穿轴，装置存在环隙内实验溶液泄露与同轴度程度不佳的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种泰勒库特流流态实验装置，该装置可以实现双筒独立设置转速与转向，转速可控，两筒之间的环隙宽度可快速调节，且装置密闭性好，同轴程度高。

实现本发明目的的技术方案是：

一种泰勒库特流流态实验装置，包括外筒、上端盖、下底座，上端盖、下底座分别设在外筒上、下端构成流体流动腔体，下底座的下表面通过法兰盘与第一转轴的一端固定连接，第一转轴的另一端依次穿过第一固定板、第二固定板后通过第一联轴器与第一伺服电机连接；流体流动腔体内设有内筒，内筒与外筒之间形成流体流动的环隙，内筒中设有第二转轴，第二转轴的下端与下底座转动连接，第二转轴的上端穿出上端盖后再穿过第三固定板后通过第二联轴器与第二伺服电机的连接；

所述上端盖上设有将流体导入外筒与内筒之间环隙的进液口，所述下底座上设有将流体排出的排液通道，排液通道外部端口处设有将流体堵住的可拆卸螺栓。

所述的第一转轴与第一固定板、第二固定板转动连接；第一转轴与第一固定板之间设有第一轴承套，第一轴承套上下两端镶嵌圆锥滚子轴承，通过圆锥滚子轴承实现第一转轴与第一固定板转动连接；第一转轴与第二固定板之间设有轴承座，轴承座内镶嵌滚珠轴承，通过滚珠轴承实现第一转轴与第二固定板转动连接。

所述的第一转轴，与第二固定板连接部位上方的第一转轴上设有锁紧机构，用于内筒单独旋转时，保持外筒的静止状态，保证其不发生旋转偏移。

所述的第二转轴的下端设成阶梯状，下底座设有与第二转轴匹配的阶梯状凹槽，凹槽的阶梯内镶嵌深沟球轴承，凹槽最底部平面为半圆弧面，半圆弧平面上设置滚珠，第二转轴通过深沟球轴承和滚珠与下底座转动连接。

所述的第二转轴与第三固定板转动连接，第二转轴与第三固定板之间设有第二轴承套，第二轴承套上下两端镶嵌深沟球轴承，通过深沟球轴承实现第二转轴与第三固定板转动连接。

所述的内筒顶部通过键与第二转轴形成键连接，第二转轴安装键部位的上方设有锁紧环，用于减少晃动，保持内筒与第二转轴不发生相对移动。

所述的第一固定板、第二固定板和第三固定板相互平行，分别固定在支撑架上；第一伺服电机、第二伺服电机分别通过电机座设在支撑架的底部支撑板和顶部支撑板上。

所述的排液通道呈L型，在下底座上均匀设有3个排液通道，外部端口处的内壁设有螺纹与可拆卸的蝶形螺栓啮合。

所述的外筒与内筒之间的环隙间距为2-15mm，外筒与下底座之间设有密封垫并通过螺栓压紧，外筒采用透明材料制成，便于实验时观察流体的流动情况。

本发明提供的一种泰勒库特流流态实验装置，该装置具有如下优点：

1、内筒和外筒分别通过联轴器与伺服电机连接，可以自由控制内、外筒的转向和转速，有利于观察在指定雷诺数下，环隙内的流体状况；

2、外筒与内筒之间环隙的间距可调节，有利于对不同参数下的泰勒库特流进行实验验证；

3、外筒与下底座之间安装有密封垫，并通过螺栓压紧，保证了装置的密闭性，第二转轴没有贯穿下底座，因此不需要复杂的密封结构，避免了实验溶液泄露问题，减少了实验溶液泄露对实验造成的影响；

4、通过轴承套与第一转轴和第二转轴的配合，保证转轴不会发生倾斜，减少弯曲变形，保证装置的同轴度；顶部的端盖可以减少外筒的变形，保证两筒之间筒面水平，有利于保证实验结果的可靠性。

附图说明

图1为一种泰勒库特流流态实验装置的结构示意图；

图2为图1中A部的放大图；

图3为图1中B部的放大图；

图4为上端盖的结构示意图；

图中：1.支撑架 2.第二固定板 3.第一固定板 4.下底座 5.外筒 6.环隙 7.内筒 8.上端盖 9.第三固定板 10.第二伺服电机 11.第二联轴器 12.第二轴承套 13.深沟球轴承14.螺栓 15.蝶形螺栓 16.排液通道 17.制动钳 18.轴承座 19.第一联轴器 20.第一伺服电机 21.调节脚 22.制动盘 23.第一锁紧环 24.第一转轴 25.第二转轴 26.第一轴承套27.圆锥滚子轴承 28.滚珠 29.法兰盘 30.第二锁紧环 31.键 32.进液口 33.内六角螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

如图1所示，一种泰勒库特流流态实验装置，包括外筒5、上端盖8、下底座4，上端盖8、下底座4分别设在外筒5上、下端构成流体流动腔体，如图2所示，下底座4的下表面通过法兰盘29与第一转轴24的一端固定连接，第一转轴24的另一端依次穿过第一固定板3、第二固定板2后通过第一联轴器19与第一伺服电机20连接；流体流动腔体内设有内筒7，内筒7与外筒5之间形成流体流动的环隙6，内筒7中设有第二转轴25，第二转轴25的下端与下底座4转动连接，第二转轴25的上端穿出上端盖8后再穿过第三固定板9后通过第二联轴器11与第二伺服电机10的连接；

如图4所示，所述上端盖8上设有将流体导入外筒5与内筒7之间环隙6的进液口32，上端盖8的边缘通过内六角螺钉33与外筒固定连接，所述下底座4上设有将流体排出的排液通道16，排液通道16外部端口处设有将流体堵住的可拆卸蝶形螺栓15。

所述的第一转轴24与第一固定板3、第二固定板2转动连接；如图2所示，第一转轴24与第一固定板3之间设有第一轴承套26，第一轴承套26上下两端镶嵌圆锥滚子轴承27，通过圆锥滚子轴承27实现第一转轴24与第一固定板3转动连接；第一转轴24与第二固定板2之间设有轴承座18，轴承座内镶嵌滚珠轴承，通过滚珠轴承实现第一转轴24与第二固定板2转动连接。

所述的第一转轴24，与第二固定板2连接部位上方的第一转轴24上设有锁紧机构，用于内筒单独旋转时，保持外筒的静止状态，保证其不发生旋转偏移。锁紧机构可以采用现有技术中的具有锁紧功能的产品，本实施例中采用的锁紧机构包括制动盘22、第一锁紧环23和制动钳17，制动盘22通过第一锁紧环23固定在第一转轴24上的，制动钳17固定在第二固定板2上用于将制动盘22锁紧。

如图2所示，所述的第二转轴25的下端设成阶梯状，下底座4设有与第二转轴25匹配的阶梯状凹槽，凹槽的阶梯内镶嵌深沟球轴承13，凹槽最底部平面为半圆弧面，半圆弧平面上设置滚珠28，第二转轴25通过深沟球轴承13和滚珠28与下底座4转动连接。

所述的第二转轴25与第三固定板9转动连接，第二转轴25与第三固定板9之间设有第二轴承套12，第二轴承套12上下两端镶嵌深沟球轴承13，通过深沟球轴承13实现第二转轴25与第三固定板9转动连接。

如图3所示，所述的内筒7顶部通过键31与第二转轴25形成键连接，第二转轴25安装键部位的上方设有第二锁紧环30，用于减少晃动，保持内筒7与第二转轴25不发生相对移动。

所述的第一固定板3、第二固定板2和第三固定板9相互平行，分别固定在支撑架1上；第一伺服电机20、第二伺服电机10分别通过电机座设在支撑架1的底部支撑板和顶部支撑板上，支撑架1的底部设有调节脚21。

所述的排液通道16呈L型，在下底座4上均匀设有3个排液通道16，外部端口处的内壁设有螺纹与可拆卸的蝶形螺栓15啮合。

所述的外筒5与内筒7之间的环隙6间距为2-15mm，外筒5与下底座4之间设有密封垫并通过螺栓14压紧，外筒5采用透明材料制成，便于实验时观察流体的流动情况。

实施例1：

首先确定本次实验内筒7和外筒5的转速与转向，调整控制器相应参数，使驱动器能够驱动支撑架1底部的第一伺服电机20和顶部的第二伺服电机10按指定转速转动，选择相应尺寸的外筒5，使环隙6宽度达到实验所需要求，调整底部支撑架1底部的调节脚21使装置整体保持水平，将实验溶液从进液口32注入环隙6，达到理想的观测高度，并将环隙6内的气泡排除，确保制动钳17释放制动盘22，然后启动第一伺服电机20，第一伺服电机20转动并由第一联轴器19带动第一转轴24旋转，第一转轴24分别与第一轴套26和轴承座18形成过盈连接，保证第一转轴24的同轴度，减少晃动。第一转轴24带动法兰盘29转动，进而使下底座4和外筒5绕轴心转动，同时第二伺服电机10转动，经第二联轴器11带动第二转轴25转动，第二转轴25与第二轴套12内部的深沟球轴承13形成过盈连接，并将第二转轴25下端固定在镶嵌于下底座4的深沟球轴承13内表面，保证其同轴度，滚珠28为第二转轴25提供支点，防止第二转轴25下坠，第二转轴25经键31带动内筒7旋转，并由第二转轴25和第二锁紧环30对内筒7实现固定，防止内筒7在旋转过程中发生移动；待转速达到指定要求，即可观察到确定雷诺数，双筒旋转条件下环隙内的流态情况，可进行数据采集，在实验结束后，等到内筒7和外筒5都静止时，打开蝶形螺栓15将实验溶液排出，并清理实验装置，等待下次实验。

实施例2：

首先确定本次实验内筒7的转速与转向，调整控制器相应参数，使驱动器能够驱动支撑架1顶部的第二伺服电机10按指定转速转动，选择相应尺寸的外筒5，松开螺栓14，将相关部件拆除安装新的外筒5，并将螺栓14拧紧，防止装置泄露，使环隙6宽度达到实验所需要求，调整支撑架1底部的调节脚21使装置整体保持水平，将实验溶液从进液口32注入环形间隙，达到理想的观测高度，并将环隙6内的气泡排除，确保制动钳17固定住制动盘22，以达到外筒5静止不动；启动第二伺服电机10，第二伺服电机10经第二联轴器11带动第二转轴25转动，第二转轴25与第二轴套12内部的深沟球轴承13形成过盈连接，并将第二转轴25下端固定在镶嵌于下底座4的深沟球轴承13内表面，保证其同轴度，滚珠28为第二转轴25提供支点，防止第二转轴25下坠，第二转轴25经键31带动内筒7旋转，并由第二转轴25和第二锁紧环30对内筒7实现固定，防止内筒7在旋转过程中发生移动；待转速达到指定要求，即可观察到确定雷诺数，外筒5固定，内筒7旋转条件下环隙内的流态情况，可进行数据采集，在实验结束后，等到内筒7静止时，打开蝶形螺栓15将实验溶液排出，并清理实验装置，等待下次实验。

Claims (9)

1.一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，包括外筒、上端盖、下底座，上端盖、下底座分别设在外筒上、下端构成流体流动腔体，下底座的下表面通过法兰盘与第一转轴的一端固定连接，第一转轴的另一端依次穿过第一固定板、第二固定板后通过第一联轴器与第一伺服电机连接；流体流动腔体内设有内筒，内筒与外筒之间形成流体流动的环隙，内筒中设有第二转轴，第二转轴的下端与下底座转动连接，第二转轴的上端穿出上端盖后再穿过第三固定板后通过第二联轴器与第二伺服电机的连接；

所述上端盖上设有将流体导入外筒与内筒之间环隙的进液口，所述下底座上设有将流体排出的排液通道，排液通道外部端口处设有将流体堵住的可拆卸螺栓。

2.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的第一转轴与第一固定板、第二固定板转动连接；第一转轴与第一固定板之间设有第一轴承套，第一轴承套上下两端镶嵌圆锥滚子轴承，通过圆锥滚子轴承实现第一转轴与第一固定板转动连接；第一转轴与第二固定板之间设有轴承座，轴承座内镶嵌滚珠轴承，通过滚珠轴承实现第一转轴与第二固定板转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的第一转轴，与第二固定板连接部位上方的第一转轴上设有锁紧机构，用于内筒单独旋转时，保持外筒的静止状态，保证其不发生旋转偏移。

4.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的第二转轴的下端设成阶梯状，下底座设有与第二转轴匹配的阶梯状凹槽，凹槽的阶梯内镶嵌深沟球轴承，凹槽最底部平面为半圆弧面，半圆弧平面上设置滚珠，第二转轴通过深沟球轴承和滚珠与下底座转动连接。

5.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的第二转轴与第三固定板转动连接，第二转轴与第三固定板之间设有第二轴承套，第二轴承套上下两端镶嵌深沟球轴承，通过深沟球轴承实现第二转轴与第三固定板转动连接。

6.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的内筒顶部通过键与第二转轴形成键连接，第二转轴安装键部位的上方设有锁紧环，用于减少晃动，保持内筒与第二转轴不发生相对移动。

7.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的第一固定板、第二固定板和第三固定板相互平行，分别固定在支撑架上；第一伺服电机、第二伺服电机分别通过电机座设在支撑架的底部支撑板和顶部支撑板上。

8.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的排液通道呈L型，在下底座上均匀设有3个排液通道，外部端口处的内壁设有螺纹与可拆卸的蝶形螺栓啮合。

9.根据权利要求1所述的一种泰勒库特流流态实验装置，其特征在于，所述的外筒与内筒之间的环隙间距为2-15mm，外筒与下底座之间设有密封垫并通过螺栓压紧，外筒采用透明材料制成，便于实验时观察流体的流动情况。

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