流體層流流速分布曲線示蹤液體配制

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，為了直觀演示牛頓流體和非牛頓流體流動的差異，自行研制了一種示蹤液體，經自制的演示儀器演示表明，示蹤液體具有良好的演示效果。

關鍵詞：示蹤液牛頓流體非牛頓流體流速差異

中圖分類號：P641.7文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)05(b)-0085-01

示蹤液體(物)是水力學、流體力學教學及其研究中常用的輔助液體(物)，1983年英國科學家雷諾通過有色液體成功的揭示了流體在流動中存在著兩種內部結構完全不同的流態—— 層流和紊流[1];20世紀60年代美國斯擔福大學的克蘭教授通過氫氣泡示蹤成功的揭示了湍流的猝發現象[2]。因此，示蹤液體(物)對于流體力學、水力學及相關學科的研究具有重要的意義。

在流體力學、水力學層流和紊流流態演示時，一般采用酚酞溶液(固體酚酞經酒精溶液溶解)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混合溶液的擴散、漂移現象比較嚴重，不能很好的演示層流流速分布的狀態，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，課題組自行設計加工了一個演示儀器[3]，見圖1。演示儀器主要是由上部水箱、兩個平行的演示管、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生平穩流動;演示水平管由進口段、示蹤液入口、觀測段及出口段等組成;示蹤液加入裝置是由一個兩端封閉的小圓管、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足流體循環和儲蓄。

在演示儀器制作完成后，首先利用傳統的示蹤液對牛頓流體水的流速分布進行了示蹤演示實驗，實驗發現，在管中流動處于層流狀態時，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散較快，也不利于形成完整的速度剖面。通過用紅墨水作為示蹤液進行實驗發現，紅墨水在演示平管中擴散的也較快，在較短時間內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，進入演示平管后向下沉，下沉到管底后附著在管壁上，較長時間不能退去，不僅不能達到較好的示蹤效果，還影響下一組實驗。經過上述兩個示蹤液體的多次演示實驗發現，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，以防止示蹤液進入演示管后下沉和向上漂移;此外，示蹤液的擴散系數應盡可能小，有利于形成速度分布曲線。經實驗分析研究，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題，但要使示蹤液的擴散系數較小，還必須加入不易擴散的溶液，后經查閱有關文獻發現[4～6]，非牛頓流體的粘性一般遠大于牛頓流體，具有不易擴散性，且作為非牛頓流體的黃原膠溶液具有無毒、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、下沉及擴散的不足，后經多次演示實驗證明，紅墨水、酒精、黃原膠粉劑和水混合溶液按質量比例8∶3∶24∶765混合可以到達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驗工質進行演示實驗發現，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律，見圖2。

2 結語

為直觀觀察牛頓流體和非牛頓流體流動的差異，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，不擴散，保證了示蹤液在同平面運動過程中的點、線狀態，形成一個完整的層流流速分布曲線，具有良好的演示效果。

參考文獻

[1]胡敏良，吳雪茹.流體力學[M].武漢理工大學出版社.2000:79.

[2]章梓雄，董曾南.粘性流體力學[M].北京:清華大學出版社.1998:490.

[3]葛雄，張根廣，顏婷，王華偉.牛頓流體和非牛頓流體教學演示儀器的開發研究[J].

[4]沈仲棠，劉鶴年.非牛頓流體力學及其應用[M].高等教育出版社.1989.3.

[5]夏凌鴻，周如金，寧正祥.黃原膠的特性、發展現狀、生產及其應用[J].中國食品添加劑.2003，3:82～85.

[6]雷鳴，盧曉黎，陳正綱.黃原膠在低濃度時的流變特性及影響因素研究[J].食品科學，2000，21(12):16～18.