流体现象二维模拟演示方法及其专用染色装置

摘要

本发明公开了一种流体现象二维模拟演示方法及实现该方法的专用染色装置。方法包括以下步骤：在模拟演示装置上形成流动的液膜，将染色剂注入染色装置中，将染色装置的插入物插入液膜中对液膜进行染色，使用普通光源直接照射液膜并借助观察设备以观察流体现象。该方法简单易行，只需墨水和普通光源做为染色剂和照明，并且模拟演示的流体现象覆盖面广，效果清晰美观。染色装置包括容器、软管以及插入物，在插入物的一侧沿轴向设有细槽，在插入物的一端设有与细槽相通中心孔，中心孔通过软管与容器相连。染色装置取材方便且价格便宜，插入的障碍物只需普通木棍，容器和软管也可以使用廉价的输液瓶和输液管。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种教学和科研上所采用的模拟演示方法，具体的说是一种流体现象二维模拟演示方法，本发明还涉及实现该方法的一种专用染色装置。

二、背景技术

涡街、湍流等多种流体的非线性行为是大自然中极为常见的现象，也是自然科学研究的对象之一，在教学及科研中经常需要直观的演示其变化。现有的模拟演示过程是先在模拟演示装置上形成流动的液膜，再通过以下几种演示方法以观察流体现象：

(1)漫反射法

采用强白光照射下的漫反射屏为光源照射液膜，直接观察液膜上反射的干涉条纹。这种方法可以看见液膜表面上彩色的反射条纹及液体流过时的扰动状况，演示效果清晰、明显，但是液体流速较快时扰动剧烈，反射光线的色彩不强烈，且这种方法观察的液体流动状况限于液膜表面。

(2)反射式干涉法

这种方法以光源直接照射液膜并反射在白屏上，通过观察白屏上的干涉条纹以模拟流体现象，该方法可模拟流体从层流到湍流的各种连续变化状态以及在有阻碍物插入时产生的涡街，并可以达到到较好的效果。但是液膜流速加快时扰动很大，并且随着液膜厚度的增加干涉条纹变得细密不易分辨，效果不是十分理想。

(3)投影法

这种方法由激光器产生一束激光经扩束镜扩束后直接照射液膜，光束透过液膜将流体的条纹投射在液膜后的白屏上，该方法能够演示流体内部的真实状况，可以观察到从层流过渡到湍流的各种连续变化；如果在均匀流速场中插入阻碍物，液体的绕流状况明显，在一定速度范围下涡街现象也清晰可见，液膜的扰动及厚度对观察几乎没有影响。但是这种方法必须使用激光器及扩束镜，设备复杂，使用成本较高。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种简便易行，使用成本低的流体现象二维模拟演示方法，该方法只需利用普通光源照明就可模拟并观察到流体现象，且所演示的流体现象清晰美观。此外，本发明还提供了一种实现该方法的专用染色装置。

2、技术方案：本发明所述的流体现象二维模拟演示方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)在模拟演示装置上形成流动的液膜，模拟演示装置是现有设备，其通过重力的作用，使肥皂液在两根引导线张开的垂直平面上形成一张流动的肥皂液膜。

2)将染色剂注入染色装置中，所述染色剂可以是墨水，采用廉价的墨水做为染色剂在满足了使用要求的条件下最大限度的降低了使用成本。

3)将染色装置中的插入物插入液膜中对液膜进行染色。

4)使用普通光源直接照射液膜并借助观察设备以观察流体现象，由于流体的流动非常迅速，所以必须借助摄像机、照相机等观察设备才能捕捉到流体瞬间的运动变化。

模拟演示方法的工作原理：在流体现象的演示过程中，需要在液膜中插入物体，以了解在均匀流速场中的流体遇到阻碍后的绕流状况，并观察流体在边界层的分离、涡旋以及尾流中的涡街现象。当使用染色装置中具有染色功能的插入物插入液膜，染色剂会对插入物周围及尾流进行染色，由于染色剂与液膜颜色的显著差异，在普通光源的照射下，就能清楚地看见边界层中的细节及尾流产生的涡街。

本发明所述的实现流体现象二维模拟演示方法的染色装置，其特征是：它包括装载染色剂的容器、软管以及插入物，在插入物的一侧沿轴向设有细槽，在插入物的一端设有与细槽相通的中心孔，中心孔通过软管与容器相连。

在软管的出液端接有输液针头，输液针头插入中心孔中。软管可以使用廉价的输液软管，降低装置的生产成本，而使用输液针头可以方便的将软管与细槽连接和卸下。

所述插入物为木质插入物，即价格低廉、取材方便，同时可以很容易地在插入物上加工出合适的细槽。

染色装置工作原理：在演示用的插入物上表面开出一道细槽，细槽通过输液针头和软管与置于插入物上方的容器相连。容器内的染色剂在重力作用下注入细槽中。将插入物插入演示装置形成的液膜中，并使有细槽的一面向上以与液膜的流动方向相反，细槽中的染色剂与液膜混合后，对插入物周围的液膜进行染色。染色剂的流量可以通过调节染色剂容器的高度进行调整。

3、有益效果：本发明的模拟演示方法简单易行，染料只需普通墨水即可，而且对光线的要求很低，只需普通光源照明即可，并且能模拟演示的流体现象覆盖面广，从层流到湍流的连续变化过程、障碍物边界层的状况以及尾流的各种不同行为包括涡街等，并能产生非常清晰、美观的视觉效果。染色装置取材方便且价格便宜，插入的障碍物只需普通木棍，容器和软管也可以使用输液瓶和输液管。

四、附图说明

图1是染色装置的结构示意图。

图2是边界层中形成的涡旋的效果图。

图3是液体尾流形成的迹线的效果图。

五、具体实施方式

本发明所述的流体现象二维模拟演示方法，它包括以下步骤：

1)在模拟演示装置上形成流动的液膜；

2)以普通墨水做为染色剂注入染色装置中；

3)将染色装置的插入物插入液膜中对液膜进行染色；

4)使用普通光源直接照射液膜并借助摄像机、照相机等设备观察流体现象。

如图1所述是实现流体现象二维模拟演示方法的染色装置，它包括装载染色剂的容器1、软管2以及插入物3，容器1是输液瓶，软管2的进液口连接在容器1下部出口处，软管2的出液口接有输液针头6，在插入物3的一侧沿轴向设有细槽4，在插入物3的一端设有与细槽4相通中心孔5，输液针头6插入中心孔5中。使用时，只需将容器1悬挂在插入物3上方，并将插入物3插入液膜7中即可。

采用本发明可以模拟演示从层流到湍流的连续变化过程、障碍物边界层的状况以及尾流的各种不同行为包括涡街等，并能产生非常清晰、美观的视觉效果。如图2、图3所示，是使用本发明后在流体边界层中形成涡旋的效果图以及液体尾流形成迹线的效果图，从图中可以清晰的看见边界层中的细节以及尾流产生的美丽的涡街。