层流流速分布曲线示踪液体配制

1、流体层流流速分布曲线示踪液体配制葛雄 张根广 王华伟 颜婷（ 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 杨凌 712100）【摘要】：牛顿流体与非牛顿流体层流流速分布存在一定的差异，为了直观演示牛顿流体和非牛顿流体流动的差异，自行研制了一种示踪液体，经自制的演示仪器演示表明，示踪液体具有良好的演示效果。【关键词】：示踪液 牛顿流体 非牛顿流体 流速差异Fluid layer of liquid flow rate distribution curve tracerpreparationGe Xiong ， Zhang genguang ，Wang huawei， Yan Ting(Northwest

2、 A & F University, Yangling, 712100)【Abstract】：At laminar flow for Newtonian fluid and non-Newtonian fluid there are some differences in velocity distribution. In order to display the differences, a tracing liquid and a demon apparatus was developed by authors, and the tests shown that the traci

3、ng liquid has a good demonstration effect, and the velocity distribution differences between the Newtonian fluid and the non-Newtonian fluid can be found easily and directly in the demon apparatus.【Keywords】: a tracing liquid; Newtonian fluid; non-Newtonian fluid; velocity distribution1.引言示踪液体（物）是水力

4、学、流体力学教学及其研究中常用的辅助液体（物），1983年英国科学家雷诺通过有色液体成功的揭示了流体在流动中存在着两种内部结构完全不同的流态层流和紊流1；上个世纪60年代美国斯担福大学的克兰教授通过氢气泡示踪成功的揭示了湍流的猝发现象2。因此，示踪液体（物）对于流体力学、水力学及相关学科的研究具有重要的意义。在流体力学、水力学层流和紊流流态演示时，一般采用酚酞溶液（固体酚酞葛雄，男，1986- 西北农林科技大学四年级学生。本研究为西北农林科技大学国家级大学生创新性实验计划资助项目。经酒精溶液溶解）与NaOH的混合溶液作为示踪液，它利用了酚酞溶液遇碱变红的特性。在流体层流流速分布演示中，因流体流

5、速较慢，酚酞溶液与NaOH混合溶液的扩散、漂移现象比较严重，不能很好的演示层流流速分布的状态，因此，为演示牛顿流体（水）和非牛顿流体（黄原胶溶液）的层流流速分布差异，作者自行研制了一种示踪液体，经自制的演示仪器演示表明，示踪效果良好。2.示踪液的配制及演示效果为了演示牛顿流体和非牛顿流体层流流速分布的差异，课题组自行设计加工了一个演示仪器3，见照片1。演示仪器主要是由上部水箱、两个平行的演示管、示踪液加入装置、下部水箱及水泵组成。上部水箱的主要作用是为演示管提供一定的水头差，使流体在演示管中产生平稳流动；演示水平管由进口段、示踪液入口、观测段及出口段等组成；示踪液加入装置是由一个两端封闭的小圆

6、管、多条橡胶软管及插入演示管的钢针管组成；下部水箱主要功能是满足流体循环和储蓄。照片1 牛顿流体和非牛顿流体层流流速分布演示仪器在演示仪器制作完成后，首先利用传统的示踪液对牛顿流体水的流速分布进行了示踪演示实验，实验发现，在管中流动处于层流状态时，因演示管中流速较低及酚酞与NaOH混合溶液密度小于水的密度，因此在示踪液体进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，示踪液体在演示平管中扩散较快，也不利于形成完整的速度剖面。通过用红墨水作为示踪液进行实验发现，红墨水在演示平管中扩散的也较快，在较短时间内管中流体即均被染成红色；此外，红墨水的密度大于水的密度，进入演示平管后向下沉，下沉

7、到管底后附着在管壁上，较长时间不能退去，不仅不能达到较好的示踪效果，还影响下一组实验。经过上述两个示踪液体的多次演示实验发现，要使示踪液具有较好的示踪效果，示踪液体容重必须和水容重一致或接近，以防止示踪液进入演示管后下沉和向上漂移；此外，示踪液的扩散系数应尽可能小，有利于形成速度分布曲线。经实验分析研究，若采用红墨水和酒精溶液按一定比例混合，可解决混合溶液容重和水一致的问题，但要使示踪液的扩散系数较小，还必须加入不易扩散的溶液，后经查阅有关文献发现4 5 6，非牛顿流体的粘性一般远大于牛顿流体，具有不易扩散性，且作为非牛顿流体的黄原胶溶液具有无毒、透明及兼容性好等特性，加入黄原胶水溶液后，即可

8、改善上述示踪液上漂、下沉及扩散的不足，后经多次演示实验证明，红墨水、酒精、黄原胶粉剂和水混合溶液按质量比例8：3：24：765混合可以到达较好的示踪演示效果。利用非牛顿流体黄原胶水溶液作为实验工质进行演示实验发现，采用上述配制的示踪液或直接用红墨水与酒精混溶液做示踪液体均能较好的演示非牛顿流体层流流速分布规律，见照片2。照片2 牛顿流体和非牛顿流体层流流速分布演示效果3.结论为直观观察牛顿流体和非牛顿流体流动的差异，配制了一种可以示踪其层流流速分布的示踪液，该示踪液在演示管中不上漂下沉，不扩散，保证了示踪液在同平面运动过程中的点、线状态，形成一个完整的层流流速分布曲线，具有良好的演示效果。参考文献123456胡敏良，吴雪茹.流体力学M.武汉理工大学出版社，2000: 79 章梓雄，董曾南.粘性流体力学M.北京：清华大学出版社，1998：490. 葛雄，张根广，颜婷，王华伟. 牛顿流体和非牛顿流体教学演示仪器的开发研究J.已接受. 沈仲棠,刘鹤年编.非牛顿流体力学