一种用于研究流体流动状态的流道模块以及研究装置

摘要

本发明涉及一种用于研究流体流动状态的流道模块以及研究装置，一种用于研究流体流动状态的流道模块，包括第一流道板、第二流道板、观察板，第一流道板的入口与挤出机机头连接，第二流道板的入口与第一流道板的出口配合，第二流道板的出口延伸出流道模块，观察板分别设置在第二流道板的前、后和上部。本发明所提及的用于研究流体流动状态的流道模块将流道设置在第一流道板和第二流道板中，第二流道板中可设置多种几何结构的流道，研究复杂流体时，只需要更换相应的第二流道板即可，便于快速更换组装，降低了制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于研究流体流动状态的流道模块以及研究装置，适于可视化研究复杂 流体的流动状态。

背景技术

目前，可视化手段虽然广泛用于研究流体在模具和流道中流动状态，但大多关注流体流动 的自由面，流动状态，如涡流等，也有重点考察高分子材料注射流动性或注塑成型制品缺陷 等方面的可视化研究。另外，对流场测速和应力等色条纹测量方面的应用也有报道，但这些 研究仅局限于某个特定流道或模具。

对于复杂流体的流动状态，需要配合多台研究装置进行研究，操作复杂，成本高。

发明内容

为了解决现有技术中对于复杂流体流动状态研究操作复杂和成本高的技术问题，本发明 提出了一种用于研究流体流动状态的流道模块，该流道模块便于快速更换多种特定流道板， 实现了在同一装置上研究复杂流体在拉伸和剪切组合流场中的流变行为，降低了制造成本， 提高了可视化装置的利用率，并且在此平台上可以搭建其它特殊的流道板，以满足研究者的 特殊需求，拓展了该装置的使用范围。

本发明的技术方案为：

一种用于研究流体流动状态的流道模块，包括第一流道板、第二流道板、观察板，第一 流道板的入口与挤出机机头连接，第二流道板的入口与第一流道板的出口配合，第二流道板 的出口延伸出流道模块，观察板分别设置在第二流道板的前、后和上部。

与现有技术相比，本发明所提及的用于研究流体流动状态的流道模块将流道设置在第一 流道板和第二流道板中，第二流道板中可设置多种几何结构的流道，研究复杂流体时，只需 要更换相应的第二流道板即可，便于快速更换组装，降低了制造成本。

为了实现本发明，在第一流道板上设置与多种第二流道板均可配合的流道和出口，第一 流道板的入口设置在其竖直中心位置，入口沿水平方向，并向上下延伸形成“T”型流道。

第一流道板的出口设置在“T”型流道最上端，与第二流道板的入口水平相通，第二流道板 入口延伸至其水平中心位置，通过竖直向下的过渡流道连接主流道。

主流道为收缩流道，包括互相贯通的上流道和下流道，上流道与过渡流道连接，下流道 延伸至第二流道板的出口，上流道和下流道的横截面均为长方形结构，上流道截面宽度w1 与下流道截面宽度w2满足如下关系：w1≥4w2，上流道长度L1与第二流道板的厚度δ满足 如下关系：L1≥8δ，下流道长度L2与下流道截面宽度w2满足如下关系：L2≥10w2。

主流道为圆柱绕流流道，包括与过渡流道连接的绕柱流道，绕柱流道的横截面为长方形， 绕柱流道中设置一圆柱体，圆柱体支撑在观察板上，绕柱流道横截面宽度w5、圆柱体直径 d6、圆柱体中心线与主通道出口距离L5满足如下关系：w5≥2d6，L5≥10d6。

主流道为棱柱绕流流道，包括与过渡流道连接的绕柱流道，绕柱流道的横截面为长方形， 绕柱流道中设置一棱柱体，棱柱体支撑在观察板上，绕柱流道横截面宽度w6、棱柱边长b、 棱柱截面底边与主通道出口距离L6满足如下关系：w6≥2b，L6≥15b。棱柱为三棱柱或四棱 柱。

第一流道板的另一出口设置在“T”型流道最下端，与第二流道板的入口水平相通，第二流 道板入口延伸至其水平中心位置，通过竖直向上的过渡流道连接主流道。

主流道为十字交叉流道，包括竖直流道和水平流道，竖直流道和水平流道的横截面均为 长方形结构，竖直流道的上下两端均与过渡流道连接，竖直流道的中间位置设置向两侧延伸 的水平流道，竖直流道的截面宽度w3、水平流道的截面宽度w4、竖直流道的长度L3和水平 流道的长度L4满足如下关系：w3＝w4，L4＞L3≥8w3。

本发明中特殊流道设计可获得流体在复杂流场中的流动状态，尤其是高分子流体在拉伸 和剪切组合流场中的流动状态，并且可测量流体的速度，应力等值条纹，温度和压力，便于 研究流体的复杂流变行为，探究高分子材料的可加工性。

本发明还提供一种流体流动状态研究装置，包括温度传感器、压力传感器、计算机数据 分析系统、流体测速光学系统和流场应力测量光学系统，还包括上述流道模块，温度传感器、 压力传感器分别与流道模块中第二流道板的流道接触，流体测速光学系统和流场应力测量光 学系统分别与流道模块配合。

本发明的模块组合可视化研究复杂流体的装置，不仅可以借助于流体测速光学系统获得 流场的速度和流动状态，还可以通过流场应力测量系统获得流场的主应力等色条纹图案。

流体测速光学系统的激光器设置在第二流道板上部观察板上端，照相机设置在第二流道 板前观察板前端或后观察板后端；流场应力测量光学系统的激光器设置在第二流道板前观察 板前端，照相机设置在后观察板后端。

附图说明

图1为本发明流道模块的结构示意图；

图2为本发明的流场测速光学系统原理图；

图3为本发明的流场应力测量光学系统原理图；

图4-8为本发明的不同流道结构示意图。

其中10为用于研究流体流动状态的流道模块，20为单色激光发射器，30为高速CCD照 相机，40为计算机数据分析系统，50为-45°起偏镜，60为+45°检偏镜，70为1/4波片，80 为温度传感器，90为压力传感器，11为第一流道板，12为第二流道板，131为前观察板，132 为后观察板，133为上部观察板，14为侧板，111为T型流道，121为过渡流道，122为上流 道，123为下流道，124为竖直流道，125为水平流道，126为绕柱流道，127为圆柱体或棱 柱体。

具体实施方式

实施例1：

如图1-3所示，一种流体流动状态研究装置，包括温度传感器80、压力传感器90、计 算机数据分析系统40、流体测速光学系统、流场应力测量光学系统和用于研究流体流动状态 的流道模块10；流体测速光学系统包括单色激光发射器20，示踪粒子，高速CCD照相机30， 流场应力测量光学系统包括单色激光发射器20，-45°起偏镜50，1/4波片70(2个)，+45° 检偏镜60和高速CCD照相机30；用于研究流体流动状态的流道模块10包括第一流道板11、 第二流道板12、观察板，第一流道板11的入口与挤出机机头连接，第二流道板12的入口与 第一流道板11的出口配合，第二流道板12的出口延伸出流道模块，观察板分别设置在第二 流道板12的前、后和上部；温度传感器80、压力传感器90分别与流道模块中第二流道板12 中的流体接触，第二流道板12另一侧安装侧板14，压力传感器90安装在侧板14上；流体 测速光学系统的单色激光发射器20设置在第二流道板12上部观察板133上端，高速CCD照 相机30设置在第二流道板前观察板131前端或后观察板132后端；流场应力测量光学系统的 单色激光发射器20设置在第二流道板前观察板131前端，高速CCD照相机设置在后观察板 132后端。

在第一流道板11上设置与第二流道板12均可配合的流道和出口，第一流道板11的入口 设置在其竖直中心位置，入口沿水平方向，并向上下延伸形成“T”型流道111。第一流道板111 的出口设置在“T”型流道111最上端，与第二流道板12的入口水平相通，第二流道板121入 口延伸至其水平中心位置，通过竖直向下的过渡流道121连接主流道。

如图4所示，主流道为收缩流道，包括互相贯通的上流道122和下流道123，上流道122 与过渡流道121连接，下流道123延伸至第二流道板12的出口，上流道122和下流道123截 面均为长方形结构，上流道宽度w1与下流道宽度w2满足如下关系：w1≥4w2，上流道长度 L1与第二流道板的厚度δ满足如下关系：L1≥8δ，下流道长度L2与下流道截面宽度w2满 足如下关系：L2≥10w2。。

通过流体测速光学系统，借助高速CCD照相机对流场中的示踪粒子在不同时刻的运动轨 迹进行拍照，然后将图片信息传输给计算机数据分析系统，通过软件中的数据处理和算法可 以获得流场中流体的速度；借助流场应力测量光学系统，将激光器发射的单色激光束透过前 可视化视窗模板，到达特定流动单元中的流体，然后再透过后可视化视窗模板，就可以观测 到流体流动诱导的双折射现象，从而得到流场中复杂流体的应力等值条纹图案，利用高速 CCD照相机拍摄图案并传输给计算机系统。

实施例2：

如图1-3所示，一种流体流动状态研究装置，包括温度传感器80、压力传感器90、计 算机数据分析系统40、流体测速光学系统、流场应力测量光学系统和用于研究流体流动状态 的流道模块10；流体测速光学系统包括单色激光发射器20，示踪粒子，高速CCD照相机30， 流场应力测量光学系统包括单色激光发射器20，-45°起偏镜50，1/4波片70(2个)，+45° 检偏镜60和高速CCD照相机30；用于研究流体流动状态的流道模块10包括第一流道板11、 第二流道板12、观察板，第一流道板11的入口与挤出机机头连接，第二流道板12的入口与 第一流道板11的出口配合，第二流道板12的出口延伸出流道模块，观察板分别设置在第二 流道板12的前、后和上部；温度传感器80、压力传感器90分别与流道模块中第二流道板12 中的流体接触，第二流道板12另一侧安装侧板14，压力传感器90安装在侧板14上；流体 测速光学系统的单色激光发射器20设置在第二流道板12上部观察板133上端，高速CCD照 相机30设置在第二流道板前观察板131前端或后观察板132后端；流场应力测量光学系统的 单色激光发射器20设置在第二流道板前观察板131前端，高速CCD照相机设置在后观察板 132后端。

在第一流道板11上设置与第二流道板12均可配合的流道和出口，第一流道板11的入口 设置在其竖直中心位置，入口沿水平方向，并向上下延伸形成“T”型流道111。第一流道板111 的出口设置在“T”型流道111最上端，与第二流道板12的入口水平相通，第二流道板121入 口延伸至其水平中心位置，通过竖直向下的过渡流道121连接主流道。第一流道板11的另一 出口设置在“T”型流道111最下端，与第二流道板12的入口水平相通，第二流道板12入口延 伸至其水平中心位置，通过竖直向上的过渡流道121连接主流道。

如图5所示，主流道为十字交叉流道，包括竖直流道124和水平流道125，竖直流道124 和水平流道125的横截面均为长方形结构，竖直流道124的上下两端均与过渡流道121连接， 竖直流道124的中间位置设置向两侧延伸的水平流道125，竖直流道的宽度w3、水平流道的 宽度w4、竖直流道的长度L3和水平流道的长度L4满足如下关系：w3＝w4，L4＞L3≥8w3。

通过流体测速光学系统，借助高速CCD照相机对流场中的示踪粒子在不同时刻的运动 轨迹进行拍照，然后将图片信息传输给计算机数据分析系统，通过软件中的数据处理和算法 可以获得流场中流体的速度；借助流场应力测量光学系统，将激光器发射的单色激光束透过 前可视化视窗模板，到达特定流动单元中的流体，然后再透过后可视化视窗模板，就可以观 测到流体流动诱导的双折射现象，从而得到流场中复杂流体的应力等值条纹图案，利用高速 CCD照相机拍摄图案并传输给计算机系统。

实施例3：

如图1-3所示，一种流体流动状态研究装置，包括温度传感器80、压力传感器90、计 算机数据分析系统40、流体测速光学系统、流场应力测量光学系统和用于研究流体流动状态 的流道模块10；流体测速光学系统包括单色激光发射器20，示踪粒子，高速CCD照相机30， 流场应力测量光学系统包括单色激光发射器20，-45°起偏镜50，1/4波片70(2个)，+45° 检偏镜60和高速CCD照相机30；用于研究流体流动状态的流道模块10包括第一流道板11、 第二流道板12、观察板，第一流道板11的入口与挤出机机头连接，第二流道板12的入口与 第一流道板11的出口配合，第二流道板12的出口延伸出流道模块，观察板分别设置在第二 流道板12的前、后和上部；温度传感器80、压力传感器90分别与流道模块中第二流道板12 中的流体接触，第二流道板12另一侧安装侧板14，压力传感器90安装在侧板14上；流体 测速光学系统的单色激光发射器20设置在第二流道板12上部观察板133上端，高速CCD照 相机30设置在第二流道板前观察板131前端或后观察板132后端；流场应力测量光学系统的 单色激光发射器20设置在第二流道板前观察板131前端，高速CCD照相机设置在后观察板 132后端。

在第一流道板11上设置与第二流道板12均可配合的流道和出口，第一流道板11的入口 设置在其竖直中心位置，入口沿水平方向，并向上下延伸形成“T”型流道111。第一流道板111 的出口设置在“T”型流道111最上端，与第二流道板12的入口水平相通，第二流道板121入 口延伸至其水平中心位置，通过竖直向下的过渡流道121连接主流道。

如图6所示，主流道为圆柱绕流流道，包括与过渡流道121连接的绕柱流道126，绕柱 流道126横截面为长方形，绕柱流道126中设置一圆柱体217，圆柱体217支撑在观察板上， 绕柱流道宽度w5、圆柱体直径d6、圆柱体中心线与主通道出口距离L5满足如下关系： w5≥2d6，L5≥10d6。

通过流体测速光学系统，借助高速CCD照相机对流场中的示踪粒子在不同时刻的运动轨 迹进行拍照，然后将图片信息传输给计算机数据分析系统，通过软件中的数据处理和算法可 以获得流场中流体的速度；借助流场应力测量光学系统，将激光器发射的单色激光束透过前 可视化视窗模板，到达特定流动单元中的流体，然后再透过后可视化视窗模板，就可以观测 到流体流动诱导的双折射现象，从而得到流场中复杂流体的应力等值条纹图案，利用高速 CCD照相机拍摄图案并传输给计算机系统。

实施例4：

如图1-3所示，一种流体流动状态研究装置，包括温度传感器80、压力传感器90、计 算机数据分析系统40、流体测速光学系统、流场应力测量光学系统和用于研究流体流动状态 的流道模块10；流体测速光学系统包括单色激光发射器20，示踪粒子，高速CCD照相机30， 流场应力测量光学系统包括单色激光发射器20，-45°起偏镜50，1/4波片70(2个)，+45° 检偏镜60和高速CCD照相机30；用于研究流体流动状态的流道模块10包括第一流道板11、 第二流道板12、观察板，第一流道板11的入口与挤出机机头连接，第二流道板12的入口与 第一流道板11的出口配合，第二流道板12的出口延伸出流道模块，观察板分别设置在第二 流道板12的前、后和上部；温度传感器80、压力传感器90分别与流道模块中第二流道板12 中的流体接触，第二流道板12另一侧安装侧板14，压力传感器90安装在侧板14上；流体 测速光学系统的单色激光发射器20设置在第二流道板12上部观察板133上端，高速CCD照 相机30设置在第二流道板前观察板131前端或后观察板132后端；流场应力测量光学系统的 单色激光发射器20设置在第二流道板前观察板131前端，高速CCD照相机设置在后观察板 132后端。

在第一流道板11上设置与第二流道板12均可配合的流道和出口，第一流道板11的入口 设置在其竖直中心位置，入口沿水平方向，并向上下延伸形成“T”型流道111。第一流道板111 的出口设置在“T”型流道111最上端，与第二流道板12的入口水平相通，第二流道板121入 口延伸至其水平中心位置，通过竖直向下的过渡流道121连接主流道。

如图7和8所示，主流道为棱柱绕流流道，包括与过渡流道121连接的绕柱流道126， 绕柱流道126横截面为长方形，绕柱流道126中设置一棱柱体217，棱柱体217支撑在观察 板上，绕柱流道宽度w6、棱柱边长b、棱柱截面底边与主通道出口距离L6满足如下关系： w6≥2b，L6≥15b。棱柱为三棱柱或四棱柱。

通过流体测速光学系统，借助高速CCD照相机对流场中的示踪粒子在不同时刻的运动轨 迹进行拍照，然后将图片信息传输给计算机数据分析系统，通过软件中的数据处理和算法可 以获得流场中流体的速度；借助流场应力测量光学系统，将激光器发射的单色激光束透过前 可视化视窗模板，到达特定流动单元中的流体，然后再透过后可视化视窗模板，就可以观测 到流体流动诱导的双折射现象，从而得到流场中复杂流体的应力等值条纹图案，利用高速 CCD照相机拍摄图案并传输给计算机系统。