流體層流流速分布曲線(xiàn)示蹤液體配制

摘 要：牛頓流體與非牛頓流體層流流速分布存在一定的差異，為了直觀(guān)演示牛頓流體和非牛頓流體流動(dòng)的差異，自行研制了一種示蹤液體，經(jīng)自制的演示儀器演示表明，示蹤液體具有良好的演示效果。

關(guān)鍵詞：示蹤液牛頓流體非牛頓流體流速差異

中圖分類(lèi)號(hào)：P641.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X(2011)05(b)-0085-01

示蹤液體(物)是水力學(xué)、流體力學(xué)教學(xué)及其研究中常用的輔助液體(物)，1983年英國(guó)科學(xué)家雷諾通過(guò)有色液體成功的揭示了流體在流動(dòng)中存在著兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)—— 層流和紊流[1];20世紀(jì)60年代美國(guó)斯擔(dān)福大學(xué)的克蘭教授通過(guò)氫氣泡示蹤成功的揭示了湍流的猝發(fā)現(xiàn)象[2]。因此，示蹤液體(物)對(duì)于流體力學(xué)、水力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的研究具有重要的意義。

在流體力學(xué)、水力學(xué)層流和紊流流態(tài)演示時(shí)，一般采用酚酞溶液(固體酚酞經(jīng)酒精溶液溶解)與NaOH的混合溶液作為示蹤液，它利用了酚酞溶液遇堿變紅的特性。在流體層流流速分布演示中，因流體流速較慢，酚酞溶液與NaOH混合溶液的擴(kuò)散、漂移現(xiàn)象比較嚴(yán)重，不能很好的演示層流流速分布的狀態(tài)，因此，為演示牛頓流體(水)和非牛頓流體(黃原膠溶液)的層流流速分布差異，作者自行研制了一種示蹤液體，經(jīng)自制的演示儀器演示表明，示蹤效果良好。

1 示蹤液的配制及演示效果

為了演示牛頓流體和非牛頓流體層流流速分布的差異，課題組自行設(shè)計(jì)加工了一個(gè)演示儀器[3]，見(jiàn)圖1。演示儀器主要是由上部水箱、兩個(gè)平行的演示管、示蹤液加入裝置、下部水箱及水泵組成。上部水箱的主要作用是為演示管提供一定的水頭差，使流體在演示管中產(chǎn)生平穩(wěn)流動(dòng);演示水平管由進(jìn)口段、示蹤液入口、觀(guān)測(cè)段及出口段等組成;示蹤液加入裝置是由一個(gè)兩端封閉的小圓管、多條橡膠軟管及插入演示管的鋼針管組成;下部水箱主要功能是滿(mǎn)足流體循環(huán)和儲(chǔ)蓄。

在演示儀器制作完成后，首先利用傳統(tǒng)的示蹤液對(duì)牛頓流體水的流速分布進(jìn)行了示蹤演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在管中流動(dòng)處于層流狀態(tài)時(shí)，因演示管中流速較低及酚酞與NaOH混合溶液密度小于水的密度，因此在示蹤液體進(jìn)入演示水平管后即向上漂移，不能形成完整的速度剖面;此外，示蹤液體在演示平管中擴(kuò)散較快，也不利于形成完整的速度剖面。通過(guò)用紅墨水作為示蹤液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紅墨水在演示平管中擴(kuò)散的也較快，在較短時(shí)間內(nèi)管中流體即均被染成紅色;此外，紅墨水的密度大于水的密度，進(jìn)入演示平管后向下沉，下沉到管底后附著在管壁上，較長(zhǎng)時(shí)間不能退去，不僅不能達(dá)到較好的示蹤效果，還影響下一組實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)示蹤液體的多次演示實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要使示蹤液具有較好的示蹤效果，示蹤液體容重必須和水容重一致或接近，以防止示蹤液進(jìn)入演示管后下沉和向上漂移;此外，示蹤液的擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)盡可能小，有利于形成速度分布曲線(xiàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析研究，若采用紅墨水和酒精溶液按一定比例混合，可解決混合溶液容重和水一致的問(wèn)題，但要使示蹤液的擴(kuò)散系數(shù)較小，還必須加入不易擴(kuò)散的溶液，后經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[4～6]，非牛頓流體的粘性一般遠(yuǎn)大于牛頓流體，具有不易擴(kuò)散性，且作為非牛頓流體的黃原膠溶液具有無(wú)毒、透明及兼容性好等特性，加入黃原膠水溶液后，即可改善上述示蹤液上漂、下沉及擴(kuò)散的不足，后經(jīng)多次演示實(shí)驗(yàn)證明，紅墨水、酒精、黃原膠粉劑和水混合溶液按質(zhì)量比例8∶3∶24∶765混合可以到達(dá)較好的示蹤演示效果。

利用非牛頓流體黃原膠水溶液作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用上述配制的示蹤液或直接用紅墨水與酒精混溶液做示蹤液體均能較好的演示非牛頓流體層流流速分布規(guī)律，見(jiàn)圖2。

2 結(jié)語(yǔ)

為直觀(guān)觀(guān)察牛頓流體和非牛頓流體流動(dòng)的差異，配制了一種可以示蹤其層流流速分布的示蹤液，該示蹤液在演示管中不上漂下沉，不擴(kuò)散，保證了示蹤液在同平面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的點(diǎn)、線(xiàn)狀態(tài)，形成一個(gè)完整的層流流速分布曲線(xiàn)，具有良好的演示效果。

參考文獻(xiàn)

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