专利名称：一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使用方法
技术领域：
本发明专利涉及流体力学实验的微米级涡旋的微观流动显示技术领域， 尤其是一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使用方法。 背肇技术
现有技术中，微米级涡旋的显示和观测是研究湍流成因的关键技术。但 是，微米级涡旋的流动显示技术要求采用纳米级的示综剂。而目前，最好的 微观流动显示技术是粒子成像测速(PIV)技术，但是PIV要求采用的示踪剂 的粒径D^0 300微米左右，即属于微米级的示踪剂，与微微米级旋涡直径 属于同一个数量级。所以，PIV技术无法显示直径150 200微米，即肉眼可辨 别或更小直径的微观涡旋现象和涡旋的结构。要显示微观涡旋运动图像及其 结构变化过程，则其采用的示踪剂的粒径应当小于微米而大于水分子，水分 子的直径为280皮米即0. 28纳米，即示踪剂须具备纳米级的粒径。
中国专利申请中相关技术方案较少，未能解决同类问题，如 200510122716. X基于荧光能量转移原理发光的稀土纳米粒子及制备方法，涉 及一种用于生物分子标记检测和示踪用的新型稀土纳米粒子的制备及其表面 修饰。这种稀土纳米粒子由一种基于荧光能量转移原理发光的稀土配合物作 为核心，经Si02包裹而成。稀土配合物由水溶性的、具有高稳定常数的有机 配体结合一种作为能量供体的敏化分子和稀土离子构成，通过荧光共振能量 转移产生强的荧光。这种稀土纳米粒子标记物具有良好的水溶性和长的荧光 寿命，用它可直接进行固相和液相时间分辨荧光测定。稀土纳米粒子的表面可共价连接多种探针分子，用于各种生物分子的检测和示踪。又如
200510031229.2流体内部全流场三维可视流向、流速测量装置。包括流体内 的测量系统，流体外的监视系统以及内外结合的操纵系统；所述测量系统包 括盛有示踪剂的密封容器及其电动阀门，流体内专用测量镜头和与之固定安 装为一体的密封摄像头；所述流体外的监视系统包括PC计算机及与之电连接 的显示器，录像机；所述操纵系统包括控制器和与之电连接的操纵潜水电机 及推动机构。
发明内容
本发明发明目的在于提出一种具备较好跟踪性能、颜色和流体反差大、 示踪性能稳定的纳米级示踪剂，以及应用这种示踪剂对微观涡旋的流动显示 技术进行观测研究的方法，即一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其 使用方法。
实现本发明发明目的的措施在于示踪剂粒子的粒径为纳米级并稍大于 流体分子，密度与流体密度比值为0.95-1.10，并与流体色差大于1.5，对比 度明显，且不溶于流体。
在流体表面投放示踪剂，然后进行旋转等流体运动实验，观测流体内的 涡旋流动图像变化，并进行跟踪微距摄影。
本发明的优点在于由于示踪剂密度与流体接近，颜色和流体不同，反 差大，粒径稍大于流体分子而不会快速扩散，可以清晰显示流体运动动态， 跟踪性能好，示踪性能稳定。
具体实施例方式
实施例h示踪粒子的粒径为纳米级并稍大于流体分子，密度与流体密度比值为0. 95-1. 10，并与流体色差大于1. 5，对比度明显，且不溶于流体。 选择纳米碳做为微观涡旋流动的示踪剂，纳米碳颗粒平均粒径为1 10纳 米，以纳米碳为示踪剂显示微米级旋涡的流动，经过实验可以清晰显示出涡 旋的产生、发展、运动、演变和消亡的规律，这种显示微米级涡旋流动的方 法简单、结果可靠，可以为研究湍流的运动机理提供一个有效途径。
跟踪性能好取决于示踪粒子的粒径要细，但是，粒径要稍大于水分子粒 径，最好选择纳米级的示踪剂，而不是去选择皮米级(分子级)的示踪剂，
示踪粒子粒径越小扩散作用越强，因而跟踪性能越差；同时选择的示踪剂的 密度要和流体一致，才能跟随流体质点同步运动。
颜色和流体要不一致颜色反差大，才可能起到示踪作用，从而显示出涡 的运动和细微结构图像。
示踪性能稳定取决于所选择的流动示踪剂粒子的粒径稳定性，具有实验 可重复性。
根据上述三个原则的示踪剂实施例为含有平均粒径为5 7纳米碳颗粒 的碳素墨水。
微观涡旋的流动显示中，最小的是涡丝，为了证实上述碳素墨水示踪剂的 示踪性能，选择一个直径lOOmm、高度90mm的透明塑料筒，杯底衬有白色塑 料膜衬底，以给涡旋和涡管的摄影增加反差，杯内装满自来水，并在水表层 随机地大致均匀地布上稀释了的少量碳素墨水，然后进行旋转实验，观测流 体内的涡旋流动图像变化、涡丝的孕育、产生、伸长发展、合并和衰退消失， 并进行跟踪微距摄影。观测结果清晰地显示出直径0. 15 0. 2mm的极细涡丝 运动图像。涡丝完全消失后，碳粒己均匀分布在水中，不加新的示踪剂，再重复旋转实验，还可显示涡丝的生灭过程图像，只是图像的反差变小。
在雷诺试验中采用直径为0. l皿的微管注入碳素墨水作为示踪剂，能够
清晰地显示出层流和湍流的流态转变过程。
本实施例中，由于示踪剂密度与流体接近，颜色和流体不同，反差大， 粒径稍大于流体分子而不会快速扩散，可以清晰显示流体运动动态，跟踪性 能好，示踪性能稳定。
权利要求
1.一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使用方法，其特征在于，示踪剂粒子的粒径为纳米级并稍大于流体分子，密度与流体密度比值为0.95-1.10，并与流体色差大于1.5，对比度明显，且不溶于流体。
2. 如权利要求1所述的一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使用方法，其特征在于，在流体表面投放示踪剂，然后进行旋转等流体运动实 验，观测流体内的涡旋流动图像变化，并进行跟踪微距摄影。
3. 如权利要求1所述的一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使 用方法，其特征在于，选择纳米碳做为微观涡旋流动的示踪剂，纳米碳颗粒 平均粒径为1 10纳米，以纳米碳为示踪剂显示微米级旋涡的流动。
4. 如权利要求1、 3所述的一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其 使用方法，其特征在于示踪剂为含有平均粒径为5 7纳米碳颗粒的碳素墨水。
5. 如权利要求4所述的一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使 用方法，其特征在于，选择一个直径100mm、高度90mm的透明塑料筒，杯底 衬有白色塑料膜衬底，以给涡旋和涡管的摄影增加反差，杯内装满自来水， 并在水表层随机地大致均匀地布上稀释了的少量碳素墨水，然后进行旋转实 验，观测流体内的涡旋流动图像变化、涡丝的孕育、产生、伸长发展、合并 和衰退消失，并进行跟踪微距摄影。
6. 如权利要求4所述的一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使用 方法，其特征在于，在雷诺试验中采用直径为0. lmm的微管注入碳素墨水作为 示踪剂，显示层流和湍流的流态转变过程。
全文摘要
一种显示微米级旋涡流动的纳米级示踪剂及其使用方法，涉及流体力学实验的微米级涡旋的微观流动显示技术领域，示踪剂粒子的粒径为纳米级并稍大于流体分子，密度与流体密度比值为0.95-1.10，并与流体色差大于1.5，对比度明显，且不溶于流体。在流体表面投放示踪剂，然后进行旋转等流体运动实验，观测流体内的涡旋流动图像变化，并进行跟踪微距摄影。由于示踪剂密度与流体接近，颜色和流体不同，反差大，粒径稍大于流体分子而不会快速扩散，可以清晰显示流体运动动态，跟踪性能好，示踪性能要稳定。
文档编号G01P5/18GK101620235SQ200810072909
公开日2010年1月6日 申请日期2008年7月3日 优先权日2008年7月3日
发明者琳 李, 杨力行, 牧振伟, 枋 苏, 涛 赵, 邱秀云 申请人:新疆农业大学水利与土木工程学院