專利名稱:電化學(xué)法狹縫便攜式流譜顯示儀的制作方法
本發(fā)明屬于流動(dòng)顯示裝置為了配合工程流體力學(xué)課的課程教學(xué)，流譜顯示儀(也稱流線儀)是必不可少的教學(xué)輔助裝置。因?yàn)椤傲骶€”是工程流體力學(xué)課動(dòng)力學(xué)部分十分重要的抽象概念，它是由抽象的定義引伸出來的，又廣泛的應(yīng)用于抽象的推理計(jì)算之中。如在基礎(chǔ)理論中，伯諾里方程的推導(dǎo)就必須引用流線的性質(zhì)，在深入計(jì)算中，流網(wǎng)法求解平面勢流問題也必須首先作出流線圖。目前國內(nèi)外已研制的流線儀，雖然種類不少，但它們都存在一個(gè)最大的共同缺陷，就是無論那種裝置，要想隨身攜帶到課堂上去在無外部供水情況下清晰地顯示出流線，全都不行。而這一點(diǎn)作為一個(gè)完臻的教學(xué)輔助裝置，正是必須盡力使之具備之處。為此，國內(nèi)外都已作了不少研究，但由于技術(shù)的困難，至今仍無滿意的成果。
目前國內(nèi)外可用于教學(xué)的流譜顯示裝置，有循環(huán)水槽式流動(dòng)顯示設(shè)備、油槽式流線儀和煙風(fēng)洞式流線儀等，其中，煙風(fēng)洞式用得較普遍。
煙風(fēng)洞式流線儀是在長矩形截面風(fēng)洞中放置固體繞流模型，利用燒香發(fā)煙模擬流線。該裝置由鼓風(fēng)機(jī)、鎮(zhèn)流裝置、顯示面、光源等部分組成。它的最大優(yōu)點(diǎn)是在光照下，由煙霧形成的流線可以看得較清楚。但整個(gè)裝置較笨重，無法攜帶，一般只能裝置于一固定的處所，而且風(fēng)洞內(nèi)流動(dòng)不大均勻，流線不太穩(wěn)定;外加介質(zhì)“煙”與空氣又有差異，對(duì)流場有干擾;流譜圖象容易失真;只能顯示繞流問題;操作麻煩，造價(jià)又高(3880元/臺(tái))。本發(fā)明就是針對(duì)上述缺點(diǎn)作了改進(jìn)，提出了電化學(xué)法狹縫便攜式流譜顯示儀。
本發(fā)明的要點(diǎn)在于它具有狹縫顯示面〔2〕、化學(xué)指示液〔8〕、多點(diǎn)插入式電極〔6〕、特微水泵〔14〕。其狹縫顯示面可采用有機(jī)玻璃制作，作為流道的狹縫〔4〕厚度可為1～10mm，最佳可以為3mm。化學(xué)指示液可為麝香草酚蘭(C27H50O5S)、奧代麝香草酚蘭(C27H23O5Br2S)的水溶液(以下簡稱酚蘭液)。以該水溶液作為本顯示儀流動(dòng)工作液。用于循環(huán)供水的特微水泵〔14〕是可以由特微電機(jī)〔16〕、止水填料環(huán)〔17〕、微型水泵〔20〕連軸整體組成，止水可以采用黃油棉紗〔19〕。
水流在水泵〔14〕驅(qū)動(dòng)下自小水箱〔7〕經(jīng)孔板〔9〕鎮(zhèn)流后均勻地流入顯示面的狹縫流道〔4〕內(nèi)，在狹縫顯示板〔2〕的上游處設(shè)有多點(diǎn)插入式電極〔6〕，經(jīng)電極電解發(fā)色，在每一陰極點(diǎn)處產(chǎn)生一條染色線，並隨液體的流動(dòng)在顯示面上形成流線，旋渦等流動(dòng)圖譜。流經(jīng)顯示面的液體經(jīng)水〔14〕、橡皮管〔12〕〔13〕送回小水箱內(nèi)。電極產(chǎn)生的色線在水泵內(nèi)攪拌后自然中和消失，使工作液體又恢復(fù)到發(fā)色前的原色。如此周而復(fù)始，形成閉路顯示循環(huán)系統(tǒng)。
電極的發(fā)色是在水電解和化學(xué)指示液共同作用下產(chǎn)生的。本發(fā)明所選用的酚蘭水溶液在pH值小于8時(shí)，呈淡黃色，pH值大于8時(shí)呈蘭色。先把酚蘭液的酸堿度配成變色的臨界狀態(tài)(pH≈8)，這時(shí)的酚蘭液對(duì)OH-離子十分敏感，有少量的剩余OH-離子存在，就可使該酚蘭液變蘭色。由于水電解時(shí)有在陰極 4H++4e＝2H2↑或4H2O+4e＝2H2↑+4OH-在陽極 4OH--4e＝2H2O+O2↑或2H2O-4e＝4H++O2↑總電解式為 2H2O＝2H2↑+O2↑
顯然水電解時(shí)，陰極附近會(huì)產(chǎn)生剩余OH-離子，使溶液呈堿性。因此，在該電極堿性作用下就會(huì)使臨界狀的酚蘭液呈現(xiàn)蘭色，從而產(chǎn)生出陰極染色線。根據(jù)總電解式，電解水並不會(huì)改變其酸堿度，即酚蘭液最終仍保持原色。
電極采取多點(diǎn)插入式布設(shè)，以便控制流線的位置、間距和根數(shù)。在顯示面上游部的后壁上，將長度約2倍于流道寬度、直徑0.5～1mm的金屬絲在電烙鐵加熱下穿過有機(jī)玻璃板，插入流道內(nèi)。每插入一根陰極線，就可顯示一條流線。同電極相鄰二根間隔0.5～1cm，視流線的疏密要求而定。各排電極線要排列整齊、間距均勻。陰陽極二排線間隔1～2cm，陰陽極點(diǎn)不能布設(shè)在同一條流線上，應(yīng)錯(cuò)開布設(shè)。陽極除多點(diǎn)插入式布設(shè)外，也可用單線以平行于陰極排方向橫置于流道內(nèi)。
電解電壓為1～3V，若電壓太低，OH-離子濃度不夠，染色線不濃。若電壓太高，在陰極上會(huì)產(chǎn)生氫氣泡干擾流場。當(dāng)電壓在2V左右時(shí)，陰極上既無氫氣泡產(chǎn)生，染色線又較深蘭。
作為工作流動(dòng)液體的酚蘭液，配制時(shí)要掌握如下比例(酚蘭(重))/(蒸餾水(重)) ＝0.05～0.3‰其配制方法，由于酚蘭粉劑不溶解于水，要先將酚蘭粉劑溶解于適量酒精中，然后與水混和，才能制成酚蘭水溶液。接著可調(diào)配酚蘭液的酸堿度，先慢慢滴入濃度為1N的NaOH水溶液，使酚蘭液變蘭色(pH＞8)。再慢慢滴入濃度為1N的HCl水溶液，當(dāng)酚蘭液的蘭色剛剛消退時(shí)，就立即停止。這時(shí)酚蘭液正處于變色的臨界狀態(tài)(pH≈8)。把這樣配制好的酚蘭液作為本裝置的流動(dòng)工作液。
狹縫顯示面是由前面板〔5〕、后面板〔3〕、中層夾板〔4〕三板貼面粘結(jié)而成。板料均為透明有機(jī)玻璃，若后面板用乳白有機(jī)玻璃，效果更佳。中夾板需要根據(jù)要求加工成一定的流道形狀(如管流的縱截面)、繞流模型等，以形成狹縫式顯示流道。中夾板厚度(即狹縫厚度)為1～10mm，過薄流線濃度太淡，且過流道受前后面板變形影響，厚度變化比例較大，過厚酚蘭液透光性變差，流線的反差減小，且重量增加。最佳為3mm。前后面板要求厚度3mm以上，以防水壓作用下變形。
特微水泵〔14〕是本裝置循環(huán)供水的動(dòng)力，它是一臺(tái)微型電動(dòng)水泵機(jī)組，整機(jī)尺寸長×寬×高為6×3×3cm3，直流電壓小于3V，電流小于0.8A。水泵供水量3-10ml/s，揚(yáng)程5～100mm?？稍谥顾h(huán)內(nèi)填塞黃油棉紗線止水，並采用上下螺絲調(diào)節(jié)止水松緊度。
為提高顯示效果，增加清晰度，可在顯示板后(或二側(cè))加日光燈〔11〕照明。
圖1是電化學(xué)法狹縫便攜式流譜顯示儀結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是多點(diǎn)插入式電極布置示意圖;
圖3是特微水泵結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中〔1〕是前罩殼，〔2〕是狹縫顯示面，〔3〕是顯示面后面板，〔4〕是狹縫過流道，〔5〕是顯示面前面板，〔6〕是多點(diǎn)插入式電極，〔7〕是水箱，〔8〕是化學(xué)指示液(酚蘭水溶液)，〔9〕是孔板，〔10〕是后罩殼，〔11〕是日光燈，〔12〕是水泵吸水橡皮管，〔13〕是水泵出水橡皮管，〔14〕是特微水泵，〔15〕是電器整流元件，〔16〕是特微電機(jī)，〔17〕是止水填料環(huán)，〔18〕是止水松緊度調(diào)節(jié)螺絲，〔19〕是黃油棉紗止水填料，〔20〕是微型泵。
按不同的教學(xué)要求，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已制成該流譜顯示儀五種類型。以機(jī)翼繞流的流譜顯示儀為例，其外型尺寸高×寬×厚＝615×200×115cm3，裝水總重3.1kg，顯示面尺寸為500×200mm2，陰極電極插點(diǎn)22根，顯示流線22條。另在機(jī)翼上布設(shè)陰極線三根，用以表示機(jī)翼所受的升力方向。狹縫顯示板的前面板用透明的有機(jī)玻璃，后面板用乳白的有機(jī)玻璃，前后面板厚度均為3mm，中間夾層板厚3mm，用透明的有機(jī)玻璃。流動(dòng)工作液為0.2‰的麝香草酚蘭水溶液。特微水泵供電電壓2V，工作電流0.8A，發(fā)色電極電壓3V，電流約10mA，由橋式整流供電。照明用12W日光燈，整機(jī)耗電15W。經(jīng)一年多來內(nèi)部使用表明，流動(dòng)穩(wěn)定，流線比煙風(fēng)洞式流線儀還要清晰得多。它不但能顯示機(jī)翼繞流的流線分布圖象，還可指示升力的作用方向。且攜帶輕便、操作簡單，水泵啟動(dòng)、發(fā)色、消色、燈光等均由一次性電開關(guān)控制，很適合課堂教學(xué)使用。制造成本低于每臺(tái)70元。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是便攜、使用簡單、流動(dòng)穩(wěn)定、流線清晰、對(duì)流場無干擾，可顯示流動(dòng)的整體流譜、可模擬各種邊界條件、應(yīng)用廣、造價(jià)低、節(jié)能。這體現(xiàn)于以下幾方面由于本發(fā)明引用流動(dòng)顯示最新技術(shù)-電化學(xué)示蹤法，采用了最佳流道形式的狹縫顯示面，並研制成了特微水泵解決了循環(huán)供水問題，因而從根本上攻克了老顯示裝置不能隨身攜帶的技術(shù)難題。使整機(jī)重量可以減小到3.5kg以下，實(shí)現(xiàn)了無需外部供水的閉路自循環(huán)，所有顯示程序均由一次性電開關(guān)控制，因而十分適宜于課堂教學(xué)用。
在顯示效果上，比現(xiàn)有的任何裝置更優(yōu)異，其流線清晰度比煙風(fēng)洞式流線儀還要好。流線由電極染色產(chǎn)生，無須加入第二種物質(zhì)，故對(duì)流場無任何干擾。除能顯示流線外，還能顯示邊界層分離、旋渦區(qū)等整體圖譜。尤為突出的是還可顯示流線疏密與壓強(qiáng)大小的關(guān)系，這是現(xiàn)有任何流線儀都無法實(shí)現(xiàn)的。在顯示范圍上，由于本裝置可做成各種邊界形狀，故可顯示模擬管流、明渠流、滲流、固體繞流等各類型的流動(dòng)圖譜。因此本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于大、中專院校有關(guān)航空、河道、機(jī)械、建筑、化工、冶金、交通、環(huán)保、生物工程、傳熱、氣象以及醫(yī)學(xué)等專業(yè)的工程流體力學(xué)和傳輸理論等課程教學(xué)中。
另外本發(fā)明可比現(xiàn)有的各種顯示裝置節(jié)能80%以上，制造成本降低80%以上。
權(quán)利要求
1.一種流動(dòng)顯示儀，其特征在于它具有狹縫顯示面[2]、化學(xué)指示液[8]、多點(diǎn)插入式電極[6]、特微水泵[14]。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種流動(dòng)顯示儀其特征在于所說的狹縫顯示面采用有機(jī)玻璃制作，作為流道的狹縫〔4〕厚度為1～10mm，最佳為3mm;
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種流動(dòng)顯示儀其特征在于所說的化學(xué)指示液為麝香草酚蘭(C27H30O5S)、奧代麝香草酚蘭(C27H23O5Br2S)的水溶液;
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種流動(dòng)顯示儀其特征在于所說的特微水泵是由特微電機(jī)〔16〕、止水填料環(huán)〔17〕、微型水泵〔20〕連軸整體組成，止水采用黃油棉紗〔19〕。
專利摘要
電化學(xué)法狹縫便攜式流譜顯示儀特征是以狹縫過流道為顯示面，化學(xué)指示液為流動(dòng)液，多點(diǎn)插入式電極電解發(fā)色，并以特微水泵為動(dòng)力的閉路循環(huán)顯示裝置。狹縫最佳厚度為3mm，化學(xué)指示液是麝香草酚蘭、奧代麝香草酚蘭0.05～0.3％的水溶液，特微水泵是由特微電機(jī)、止水環(huán)和微型水泵連軸整體組合制成的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是攜帶輕便，操作簡單，流動(dòng)穩(wěn)定，顯示內(nèi)容豐富，效果優(yōu)異，圖象清晰，應(yīng)用廣泛，節(jié)能，造價(jià)低。
文檔編號(hào)G09B23/12GK86102366SQ86102366
公開日1987年1月24日 申請日期1986年4月8日
發(fā)明者毛根海 申請人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan