肥皂膜水洞试验装置的制作方法

[0001]
本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种肥皂膜水洞试验装置。


背景技术：

[0002]
肥皂膜中存在大量表面活性剂分子，因此其表面张力只有水的三分之一左右，使得肥皂液更容易被拉开成膜。1981年，couder首先使用肥皂膜作为试验手段，模拟了二维拖曳水池的流动结构，之后又有一系列的试验研究使用肥皂膜模拟二维流场。肥皂膜二维流场流动结构的显示是通过肥皂膜上的彩色条纹实现的，照射到肥皂膜表面的光线在肥皂膜与空气的气液界面上发生反射，由于肥皂膜的厚度极薄，与可见光波长量级相当，膜上发射的光线相互干涉而形成条纹，这些条纹直接反映了肥皂膜厚度的变化，即流场的变化情况。
[0003]
肥皂膜水洞装置的设计经历了上世纪90年代的快速发展演化后，出现了流场稳定可靠、流速可控、可重复性高的设计形式。rutgers和georgiev先后在《科学仪器评论》(review of scientific instruments)上介绍了重力驱动型竖直肥皂膜水洞和水平肥皂膜水洞装置，如图1所示。这两种装置可以实现不同流速范围的肥皂膜流动：竖直肥皂膜水洞的流速可达到0.5～4m/s，水平肥皂膜水洞装置的流速范围一般为0.03～0.5m/s。
[0004]
但传统肥皂膜水洞装置试验参数不可变，且对流动速度缺乏有效控制。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明提供了一种肥皂膜水洞试验装置，能够实现对肥皂膜流动的有效控制，且能够依据试验需求调节试验相关参数。
[0006]
所述的肥皂膜水洞试验装置包括：外部框架、内部框架和位置锁定机构；
[0007]
所述内部框架左右两端通过轴承支撑在外部框架上，能够绕轴承轴线旋转，以改变所述内部框架的转动角度；
[0008]
所述位置锁定机构用于在所述内部框架转动到设定角度后对所述内部框架进行位置锁定；
[0009]
所述内部框架包括：支架、支架导轨、丝线、上水槽、下水槽和模具台；所述支架左右两侧板的内侧面相对设置有支架导轨，每侧支架导轨上滑动连接有两个光轴座，每个所述光轴座上沿其轴向设置两个以上固定挂钩，用于挂放收线器；所述收线器上绕有侧面拉线，所述侧面拉线用于拉开两股丝线形成矩形导流框；通过滑动所述光轴座改变其在所述支架导轨上的位置能够改变所述导流框的形状；
[0010]
在所述支架内部，所述导流框的上方设置有与提供肥皂液的供液单元相连的上水槽，所述上水槽的两端分别与左右两侧的支架导轨滑动配合；上水槽中间位置设置有供液口；
[0011]
所述导流框的上端，两股丝线并拢至供液口处；所述导流框的下端，两根丝线并拢至所述支架底部中间位置的下水槽处；
[0012]
所述模具台用于固定试验需要的模具；所述模具台通过连接杆与所述支架左右两
侧板上位于上方的两个光轴座相连；且所述模具台位于导流框后方设定距离。
[0013]
作为本发明的一种优选方式，还包括丝线牵引机构；所述丝线牵引机构牵动用于形成导流框的两股丝线同步向下运动。
[0014]
作为本发明的一种优选方式，所述丝线牵引机构包括：牵引滚轮、导向挂钩、丝线收敛斗、牵引电机、阻尼器和绕线盘；
[0015]
通过两根平行的直线滑轨连接所述内部框架上左右两侧板对应位置处的光轴座，每根所述直线滑轨上均设置有两个与其滑动配合的导向挂钩，两个所述导向挂钩上下间隔设置，用于挂接对应侧的丝线，所述丝线能够在所述导向挂钩内上下移动；
[0016]
通过所述导向挂钩拉开两股丝线形成矩形导流框后将所述导向挂钩固定在左右两侧的对应位置处的固定挂钩上；
[0017]
所述上水槽供液口位置以及所述下水槽位置均设置有丝线收敛斗，两股丝线的一端缠绕在装有旋转阻尼器的绕线盘上，另一端从顶部有丝线收敛斗穿出后，分别穿过左侧和右侧的两个导向挂钩，然后经底部的丝线收敛斗后形成并拢的丝线，然后绕过牵引滚轮并最终连接至由牵引电机驱动的绕线盘上。
[0018]
作为本发明的一种优选方式，所述外部框架能够带动所述内部框架前后滑动。
[0019]
作为本发明的一种优选方式，所述外部框架包括：基座、底部导轨和底部滑块；所述底部导轨为固定在基座底部左右两侧的两条导轨，所述基座通过底部滑块与底部导轨滑动配合，能够沿底部导轨移动；
[0020]
所述基座上竖直支撑杆的顶部设置有用于连接内部框架的u型槽，所述内部框架中支架左右两侧板的外部通过轴承支撑在底部滑块104顶部的u型槽内；
[0021]
所述外部框架的基座上设置有底部水箱。
[0022]
作为本发明的一种优选方式，在两个竖直支撑杆的顶部均设置有分度盘，所述分度盘与对应位置处的轴承同圆心，以指示所述内部框架的转动角度。
[0023]
作为本发明的一种优选方式，所述位置锁定机构采用弹簧锁，在所述支架左右两侧板的外部均设置有弹簧锁，所述弹簧锁通过角码固定在支架上；所述弹簧锁的位置和对应侧外部框架上分度盘的位置对应，所述分度盘上设置有用于和弹簧锁的芯轴配合的锁定孔。
[0024]
作为本发明的一种优选方式，所述光轴座通过支架滑块与所述支架导轨滑动连接，与下方的两个光轴座相连的两个支架滑块通过水平固定杆连接。
[0025]
作为本发明的一种优选方式，在所述供液单元与所述上水槽之间增设流量控制单元；
[0026]
所述流量控制单元包括：n台蠕动泵、与所述蠕动泵一一对应的单向止回阀、多通管件；n为大于等于2的整数；n台蠕动泵并联泵送液体；
[0027]
所述多通管件具有n个进口和一个出口，
[0028]
n台蠕动泵的进口与所述供液单元相连，出口各通过一个设置有单向止回阀的管路连接所述多通管件的一个进口；
[0029]
所述多通管件的出口通过供液管路与所述上水槽相连；
[0030]
使用时，n台蠕动泵相互之间的相位差为360
°
/n。
[0031]
作为本发明的一种优选方式，在所述多通管件的出口连接空气阻尼容器；
[0032]
所述空气阻尼容器包括：容器主体、输入管、输出管和封盖；
[0033]
所述容器主体的容器壁为刚性，其顶部设置有开口；侧面分别设置有进水口和出水口；所述输入管一端通过进水口插入容器主体内部，另一端伸出容器主体与所述多通管件的出口相连；所述输出管一端通过出水口插入容器主体内部，另一端伸出容器主体通过供液管路与所述上水槽相连；
[0034]
所述封盖用于密封所述容器主体顶部开口。
[0035]
有益效果：
[0036]
(1)采用该试验装置能够依据试验需要调节试验区的长度和位置、改变试验区宽度(即肥皂膜宽度)、改变试验角度；从而构建不同参数的二维水洞，适应不同的模型；且能够改变流场流速。
[0037]
(2)传统肥皂膜水洞试验装置中肥皂膜仅依靠重力作用向下移动，本发明通过丝线牵引机构牵引肥皂膜移动，能够进一步提高肥皂膜的移动速度。
[0038]
(3)采用蠕动泵泵送液体，由于蠕动泵是通过步进电机挤压管体形成高精度流动液，由此通过对蠕动泵的控制能够精确调节液体的输运速度；且采用多台蠕动泵并联的方式，通过调整各蠕动泵的相位差，能够消除脉动。
[0039]
(4)增设作为脉动抑制装置的空气阻尼容器，能够进一步消除液体输运过程中的脉冲波动，保证所输出的液体的稳定。
附图说明
[0040]
图1为现有技术中两种典型的肥皂膜水洞试验装置；
[0041]
图2为本发明的高流速肥皂膜水洞试验装置的结构示意图；
[0042]
图3和图4为内部框架的结构示意图；
[0043]
图5为外部框架结构示意图；
[0044]
图6为该装置中内部框架不同转动角度下的示意图；
[0045]
图7为丝线牵引机构在内部框架上的布置示意图；
[0046]
图8为流量控制单元的组成及连接示意图。
[0047]
其中：1-外部框架、2-内部框架；101-基座、102-底部水箱、103-底部导轨、104-底部滑块、105-分度盘；201-支架、202-支架导轨、203-模具台、204-丝线、205-上水槽、206-下水槽、207-支架滑块、208-水平固定杆、209-固定挂钩、210-侧面拉线、301-导向挂钩、302-丝线收敛斗、303-直线导轨
具体实施方式
[0048]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0049]
实施例1：
[0050]
本实施例提供一种肥皂膜水洞试验装置，能够使肥皂膜水洞试验装置的流速满足高流速的试验要求，其能够实现对流速的有效控制。
[0051]
如图2所示，该肥皂膜水洞试验装置包括：外部框架1、内部框架2和位置锁定机构；
[0052]
其中内部框架2是固定在外部框架1内的试验主体装置，内部框架2两相对端(如图2所示的左右两端)通过轴承支撑在外部框架1上，能够绕轴承轴线(水平方向)旋转，旋转到
设定角度后由位置锁定机构进行位置锁定。
[0053]
如图3和图4所示，内部框架2包括：支架201、光轴座、挂钩、丝线204、上水槽205、下水槽206、支架滑块207、支架导轨202和模具台203；支架201为中空框架结构，用作内部框架2中其它部件的支撑；本例中，支架201由顶板、底板以及连接顶板和底板的左右两侧板组成。在支架201左右两侧板的内侧面相对设置有支架导轨202，每个支架导轨202上设置有三个与支架导轨202滑动配合的支架滑块207，每个支架导轨202上的三个支架滑块207上下间隔设置；其中每侧位于下方的两个支架滑块207上各安装一个光轴座，光轴座的轴向沿水平方向，光轴座上沿其轴向设置一组(两个以上)等间距的固定挂钩209(采用倒置的l形钩)，用于挂放收线器，收线器上绕有0.17mm的透明鱼线作为侧面拉线210用于拉开两根丝线204形成导流框，丝线204采用1mm鱼线；通过收线器上的侧面拉线210拉开两根丝线204，能够使丝线204以设定的方式张开形成设定形状的导流框；如图2所示，四个支架滑块207两两一组位于同一水平高度，由此通过四个收线器拉成矩形导流框。由于支架滑块207与支架导轨202滑动配合，通过调节支架滑块207在支架导轨202上的位置可以改变光轴座的高度从而调节丝线204张开的形状，即改变导流框的形状(支架滑块207滑动到设定位置后通过固定件进行位置固定)。在支架201内部，导流框的上方设置有上水槽205，上水槽205的两端分别通过位于两侧最上方的两个滑块与左右两侧的支架导轨202滑动配合；上水槽205通过软管与用于提供肥皂液的供液单元相连，上水槽205中间位置设置有供液口，用于向导流框提供肥皂液，供液口处设置有阀门作为供液口的开关。
[0054]
如图4所示，矩形导流框的上端，两根丝线204逐渐并拢至上水槽205上的供液口处(该段为扩张段)；下水槽206位于支架201的底板上，且位于导流框的正下方，用于在内部框架处于竖直状态时收集沿导流框留下的肥皂液，具体为：矩形导流框的下端，两根丝线204逐渐并拢至下水槽206(该段为收缩段)。
[0055]
模具台203位于支架201中间，用于固定试验需要的模具；模具台203通过两根竖直连接杆与支架201左右两侧板上位于中间位置的两个支架滑块207相连，保证模具台203水平。使用时，模具台203位于导流框后方设定距离。
[0056]
为保证位于最下方的两个支架滑块207始终处于同一高度，通过水平固定杆208连接位于下方的两个支架滑块207。
[0057]
如图5所示，外部框架1包括：基座101、底部水箱102、底部导轨103、底部滑块104和分度盘105；其中底部水箱102放置在基座101上，用于承接试验过程中内部框架处于竖直状态时下水槽溢出的肥皂液；底部导轨103为固定在基座101底部左右两侧的两条导轨，基座101通过底部滑块104与底部导轨103滑动配合，能够沿底部导轨103移动(即基座101上与左右两侧的底部导轨103对应的位置分别固定连接有底部滑块104)，基座101上竖直支撑杆的顶部设置有用于连接内部框架2的u型槽，内部框架2中支架201左右两侧板的外部通过轴承支撑在底部滑块104顶部的u型槽内，使内部框架2能够绕轴承的轴线转动，以改变内部框架2的角度，如图6所示；当内部框架2调整到设定角度后，通过安装在竖直支撑杆顶部的位置锁定机构对内部框架2进行位置锁定。同时试验时基座101可以沿底部导轨103移动，从而带动内部框架2移动，以满足不同角度的空间需求(当改变内部框架2的角度后，其横向占用空间变大)。
[0058]
为精确获得内部框架2的转动角度，在两个竖直支撑杆的顶部均设置有分度盘
105，分度盘105与该位置处的轴承同圆心，以明确指示内部框架2的转动角度。
[0059]
该试验装置的工作原理为：
[0060]
初始时，用于形成导流框的两根丝线204处于并拢状态；通过蠕动泵将肥皂液输送到内框架2中导流框顶部的供液口，肥皂液由供液口流出，顺着丝线204下流。当肥皂液浸润丝线204后，通过收线器上的侧面拉线210将两根丝线204拉开形成导流框，此时肥皂液由于液体张力在导流框上形成肥皂膜。
[0061]
该试验装置能够通过以下方法调节试验相关参数：
[0062]
(1)上水槽205、模具台203、水平固定杆208均可沿支架201侧面的支架导轨202滑动并固定，可以实现试验区的长度和位置变化。
[0063]
(2)整个外部框架1可以顺延底部导轨103移动，调节试验区与钠灯距离以及装置位置。
[0064]
(3)收线器可以调节侧面拉线210的长短，以改变试验区宽度变化。
[0065]
(4)内部框架2通过轴承支撑在外部框架1上，使得内部框架2能够绕轴承轴线转动，改变试验角度。
[0066]
实施例2：
[0067]
在上述实施例1的基础上，为进一步提高肥皂膜的流动速度，增设丝线牵引机构；丝线牵引机构牵动用于形成导流框的两根丝线204同步向下运动，从而辅助控制流速。
[0068]
如图7所示，丝线牵引机构包括：牵引滚轮、导向挂钩301、丝线收敛斗302、牵引电机、阻尼器和绕线盘；其中牵引滚轮和丝线收敛斗固定在内部框架2上；其连接关系为：通过两根平行的直线滑轨303连接内部框架2上左右两侧板对应位置处的光轴座，每根直线滑轨303上均设置有两个与其滑动配合的导向挂钩301，两根丝线204左右并列设置后，竖直方向的两处分别挂在对应侧的两个导向挂钩上301，丝线204能够在导向挂钩301内上下移动；试验时，两股丝线204先并拢，再滑动导向挂钩301并将其固定在左右两侧的固定挂钩209上，此时两股丝线从顶部穿出后，分别穿过左侧和右侧的导向挂钩301，形成肥皂膜水洞的基本框架(矩形框架)；即本实施例中，丝线204不通过侧面拉线210与固定挂钩209相连，而是通过导向挂钩与固定挂钩209相连。通过导向挂钩301连接丝线204，由于丝线204能够在导向挂钩301内上下移动，能够保证实现对丝线204的牵引。
[0069]
上水槽205供液口位置以及支架201底板下水槽206位置均设置有丝线收敛斗302，两股丝线204从顶部有丝线收敛斗302穿出后，分别穿过左侧和右侧的两个导向挂钩301，然后经底部的丝线收敛斗302后形成并拢的丝线。
[0070]
顶部的丝线收敛斗302上开有观察窗，便于试验过程中观察丝线收敛之后的运动情况和及时添加肥皂液。
[0071]
两股丝线通过底部的丝线收敛斗302后，绕过牵引滚轮进一步聚拢，并最终连接至由牵引电机驱动的绕线盘上，从而拉动两股丝线同步运动；两股丝线通过顶部的丝线收敛斗后缠绕在装有旋转阻尼器的绕线盘上，旋转阻尼器在拉动时会给出一个拉力，以此保证所形成的导流框始终保持绷紧状态。
[0072]
实施例3：
[0073]
在上述实施例1或实施例2或实施例3的基础上，具体的，位置锁定机构采用弹簧锁，在内部框架2支架201左右两侧板的外部均设置有弹簧锁，弹簧锁通过角码(角码为三角
形支架)固定在侧板上；弹簧锁的位置和对应侧外部框架上分度盘的位置对应，分度盘上设置有用于和弹簧锁的芯轴配合的锁定孔；需要转动内部框架2时，拔出弹簧锁的芯轴，当将内部框架2转动到设定角度位置后，将弹簧锁的芯轴插入分度盘上的锁定孔，从而固定内部框架2。
[0074]
实施例4：
[0075]
在上述实施例1或实施例2或实施例3的基础上，为实现对提供给供液口的肥皂液的流量进行控制，在供液单元和上水槽205之间设置流量控制单元；流量控制单元在精确控制输出设定流速的同时保证所输出的液体的稳定。
[0076]
如图8所示，该流量控制单元采用多台蠕动泵并联泵送液体的方式，以两台蠕动泵并联泵送液体为例；包括两个蠕动泵、两个单向止回阀和y型三通管件；两个蠕动泵并联泵送液体，具体的：
[0077]
令两个蠕动泵分别为蠕动泵a和蠕动泵b，两个单向止回阀分别为单向止回阀a和单向止回阀b；y型三通管件具有两个进口和一个出口；其中蠕动泵a的进口与供液单元相连，出口通过橡胶软管连接单向止回阀a，蠕动泵b的进口与供液单元相连，出口通过橡胶软管连接单向止回阀b；单向止回阀a和单向止回阀b分别通过橡胶软管连接y型三通管件的两个进口；y型三通管件的出口通过橡胶软管与上水槽205相连。
[0078]
蠕动泵出口用橡胶软管连接单向止回阀，能够避免因两个蠕动泵压差产生回水现象，同时提供一定反向压力抑制液体在输运过程中的脉动现象。
[0079]
蠕动泵是通过步进电机挤压管体形成高精度流动液，由此通过对蠕动泵的控制能够精确调节液体的输运速度。
[0080]
使用时，两台蠕动泵的相位差调整至180
°
；相位调整后，启动两个蠕动泵，两个蠕动泵开始工作。液体在蠕动泵输运过程中会由于蠕动泵的机械结构产生脉动，单台蠕动泵输运后的液体经过有一定压力才可通过的单向止回阀，液体流动的脉动的幅度被削弱，再经过y型三通管件，两台蠕动泵的峰谷相叠加，输出流动较为稳定的液体。
[0081]
实施例5：
[0082]
在上述实施例4的基础上，在y型三通管件的出口增设空气阻尼容器，用于进一步削弱液体的脉动，稳定输出的液体。
[0083]
空气阻尼容器包括：容器主体、输入管、输出管和封盖；其中容器主体容器壁为刚性，其顶部设置有开口；左右两侧分别设置有进水口和出水口；输入管一端通过进水口插入容器主体内部，另一端伸出容器主体与y型三通管件的出口相连；输出管一端通过出水口插入容器主体内部，另一端伸出容器主体通过橡胶软管与上水槽205相连；且插入输入管和输出管后在进水口和出水口处密封。
[0084]
在容器主体内输入一定液体后，容器主体顶部开口通过封盖密封。
[0085]
使用时先将封盖打开，从输入管将液体输入容器主体内部，待液体没过输出管插入部分的端口且上方空气层厚度合适后，关闭顶部封盖，保证该容器主体不会发生漏气等情况；此时有脉动的液体从输入管输入容器主体后，脉动产生的力将通过液体层传递给空气层，从而进一步削弱液体的脉动。
[0086]
通过该阻尼容器时，由于空气的可压缩性，液体在容器的脉动将会被进一步的削弱，最终输出稳定的液体。经过实验验证，该种设计能够将液体的脉动削弱50％以上，有较
好的效果。
[0087]
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。