[发明专利]一种用于固态介质的泰勒-库埃特实验装置

说明书

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。

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。