CN201974981U - 一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器，其特征在于，包括并排设置的牛顿流体演示装置和非牛顿流体演示装置，牛顿流体演示装置包括上部水箱、演示水平管、示踪液存放管、若干个“L”形钢针管、下部水箱及水泵，上部水箱内设置稳定水流板、溢流板，演示水平管上安置若干“L”形钢针管，在演示水平管的末端设置阀门；非牛顿流体演示装置与牛顿流体演示装置相同。加深了学生对非牛顿流体和牛顿流体运动差异的认识，使学生对非牛顿流体的认识从感性上升到理性。学生通过观看和动手操作，可加强高校的教学实践环节，使学生对非牛顿流体的认识提高。

Description

一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器

技术领域

本实用新型涉及教学仪器领域，尤其是一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器。

背景技术

人们将剪切应力与剪切速率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体(Non-Newtonian Fluid)。在日常生活中，人们常常碰到的是牛顿流体，如水、空气和一些油类等。但自然界中存在着大量非牛顿流体，例如油脂、油漆、牛奶、牙膏、动物血液、泥浆、矿物油和圆珠笔油等。一般地，低分子化合物的流体象水和空气，大都是牛顿流体，而高分子化合物流体都属于非牛顿流体。非牛顿流体有许多异常的流动现象，比如爬杆现象、射流胀大、无管虹吸、湍流减阻和传热强化等，这些特性，尤其是湍流减阻效应对管道输送方面具有重要的意义，它对于我国实施增效减能战略计划具有更深远的战略意义。

目前，人们对非牛顿流体特性虽有一定的认识，但还远远不够，有关牛顿流体和非牛顿流体特性差异方面的教学演示仪器还处于空白。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器。

本实用新型采用如下技术方案：

一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器，包括并排设置的牛顿流体演示装置和非牛顿流体演示装置，牛顿流体演示装置包括上部水箱、演示水平管、示踪液存放管、若干个“L”形钢针管、下部水箱及水泵，上部水箱内设置稳定水流板、溢流板，演示水平管上安置若干“L”形钢针管，在演示水平管的末端设置阀门；非牛顿流体演示装置与牛顿流体演示装置结构相同。

所述的演示仪器，所述演示水平管截面为矩形，所述矩形截面的长为10cm，宽为5cm，所述演示水平管总长为120cm。

所述的演示仪器，所述溢流板设置在上部水箱内，溢流板下部与上部水箱底部密封连接。

所述的演示仪器，所述稳定水流板设置在上部水箱内部靠近演示水平管的一侧，其上均匀设置流水孔。

1)演示仪器设计、制作综合了水力学、非牛顿流体力学及相关领域的知识与技术，加深了学生对非牛顿流体和牛顿流体运动差异的认识，使学生对非牛顿流体的认识从感性上升到理性。

2)提高了学生的动手动脑能力。

3)非牛顿流体教学演示仪器，学生通过观看和动手操作，可加强高校的教学实践环节，使学生对非牛顿流体的认识。

附图说明

图1为本实用新型演示仪器的俯视图；

图2本实用新型演示仪器的正面视图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

根据牛顿流体和非牛顿流体层流流速分布的差异，设计了一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器，参考图1-图4。本实用新型的演示仪器包括并排设置的牛顿流体演示装置A(虚线框内)和非牛顿流体演示装置B(虚线框内)，牛顿流体演示装置A包括上部水箱8、演示水平管3、示踪液存放管(图中未示出)、若干个“L”形钢针管5、下部水箱及水泵(下部水箱及水泵图中未示出)；非牛顿流体演示装置B与牛顿流体演示装置A相同。

上部水箱8内设置稳定水流板7、溢流板6。上部水箱8的主要作用是为演示水平管3提供一定的水头差，使流体在演示水平管3中产生平稳流动；演示水平管3一端与水箱底部连通，演示水平管3上安置若干“L”形钢针管5(5-10个即可)，在演示水平管3的末端设置阀门4；下部水箱主要功能是满足流体循环和储蓄；实验水泵采用3500ml/s的水泵，下部水箱内的水泵通过管道与上部水箱8底部的流体入口2连接，下部水箱内流体由流体入口2进入上部水箱8中；溢流板6设置在上部水箱内，溢流板6下部与上部水箱底部密封连接，当上部水箱8内的流体液面高于溢流板顶端时，流体即可溢出流入到上部水箱另一侧，由溢流出口1流回相应的下部水箱中，这样就可以保持上部水箱8内部一定的水位及水头差。

稳定水流板7设置在上部水箱8内部靠近演示水平管的一侧，其上均匀设置流水孔71，这样可以稳定上部水箱8内的流体。

为观测方便，演示水平管3制作成矩形截面，该矩形截面长为10cm，宽为5cm，演示水平管3总长为120cm。

“L”形钢针管5采用钢针管做成“L”形，使进入演示水平管3中的示踪液在垂直方向速度为零；将示踪液体灌入示踪液存放管，用多条同样长度的橡胶软管将示踪液存放管与“L”形钢针管5连接起来，橡胶软管上设置开关自由控制开通和闭合，将示踪液存放管固定在一定高度，略高于水箱8中的水位，使其产生的水头差能使示踪液存放管中的示踪液体从“L”形钢针管流出并进入演示水平管3中。

示踪液是来示踪演示水平管3中流体流动的液体。示踪液要具有良好的示踪性、不易扩散性、与流动流体同密度等特性。良好的示踪性反映了示踪液的很好跟随性，不易扩散性保证了示踪液以点或线的运动状态运动，第三个特性保证了示踪液体从钢针管流出进入演示管后，在同一水平面运动，不上漂下沉，使同平面若干个钢针管流出的示踪液点形成一个完整的速度分布曲线。

在用水作为牛顿流体进行演示实验时，采用黄原胶粉剂、酒精、红墨水、水按质量为8∶3∶24∶765的比例混合液作为示踪液，在黄原胶溶液作为非牛顿流体进行演示实验时，直接采用红墨水与黄原胶水溶液即可达到较好的示踪效果。

2.2.4、实验仪器的使用

1、准备工作

a、配制万分之五的黄原胶溶液：向演示仪器的下部水箱2中加入32.5kg的水，然后加入16.25g的黄原胶干粉，接通水泵电源，使水泵运行加快黄原胶溶液溶解；

b、水泵运行两小时左右后关闭电源，然后将溶液静置24小时让溶液充分溶解，并将溶液中的气泡析出；

c、向下部水箱1中加满水；

d、用2.2.3的方法配置示踪液体；

2、实验步骤

a、将示踪液体入口处即与“L”形钢针管5连接的所有橡胶管用开关关死；

b、将预先配置好的示踪液体注入示踪液体小水箱1、2中，然后逐一打开开关，待示踪液体刚进入水平管时关闭橡胶管上的开关；

e、接通电源1、2开关，两个下部水箱内的实验水泵开始工作，将演示水平管3的端部稍微降低，以排出水平管中气泡。

f、调节两个演示水平管3端部的阀门4，使水平管3内的流体流速接近0.120cm/s左右。

g、将与“L”形钢针管5连接的所有橡胶管的开关打开，调节示踪液体存放管中的液面，使“L”形钢针管5出口处的示踪液体处于流出的临界状态。

h、在两个演示水平管3中的水流稳定后，将示踪液体存放管慢慢抬高，示踪液就从钢针管出口流出，进入演示水平管3中，观察(或用相机记录)演示水平管3中牛顿流体和非牛顿流体流速分布特征。

i、重复h步骤，观察和记录不同流速状态下流动差异。

j、关闭电源开关，排放两个下部水箱中的流体，演示实验结束。

本实验仪器是利用牛顿流体与非牛顿流体流动特性的差异，设计、制作一个可以直观显示牛顿流体和非牛顿流体层流流速分布差异的教学演示仪器；并根据演示的需要，研制了一种可以显示两者差异的示踪液体，在该仪器上，直观的显示了牛顿流体和非牛顿流体层流流速分布差异。

演示仪器设计、制作综合了水力学、非牛顿流体力学及相关领域的知识与技术，加深了学生对非牛顿流体和牛顿流体运动差异的认识，提高了学生的动手动脑能力。

非牛顿流体教学演示仪器，通过学生观看和动手操作，可加强高校的教学实践环节，提高学生动手研制能力，增加学生对非牛顿流体的兴趣，使学生对非牛顿流体的认识从感性上升到理性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种牛顿流体和非牛顿流体流动特性差异的演示仪器，其特征在于，包括并排设置的牛顿流体演示装置和非牛顿流体演示装置，牛顿流体演示装置包括上部水箱、演示水平管、示踪液存放管、若干“L”形钢针管、下部水箱及水泵，上部水箱内设置稳定水流板、溢流板，演示水平管上安置若干“L”形钢针管，在演示水平管的末端设置阀门；非牛顿流体演示装置与牛顿流体演示装置结构相同。

2.根据权利要求1所述的演示仪器，其特征在于，所述演示水平管截面为矩形，所述矩形截面的长为10cm，宽为5cm，所述演示水平管总长为120cm。

3.根据权利要求1所述的演示仪器，其特征在于，所述溢流板设置在上部水箱内，溢流板下部与上部水箱底部密封连接。

4.根据权利要求1所述的演示仪器，其特征在于，所述稳定水流板设置在上部水箱内部靠近演示水平管的一侧，其上均匀设置流水孔。

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