专利名称：一种实现泰勒－库埃特流场模拟的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及流体动力学研究与模拟装置，特别涉及一种实现泰勒—库埃特流场模拟的装置。
背景技术：
Taylor-Couette流场是目前流体力学领域最为人们所了解和掌握的流场之一，两同轴圆筒构成的Taylor-Couette设备环隙之间的流场随两圆筒转动方式和转速的不同，呈现多种不同的形态，通常流场会呈现Couette流动，泰勒涡漩流动，波状涡漩流动，调节波状流和紊流泰勒涡漩流等多种不同流态，在实际工业应用及科学基础研究中具有重要的实际应用价值，如石油、化工行业中的液液体系的混和、萃取工艺和沉积现象研究；生物制药行业中胶体及聚合物的分散和聚合研究等。通常两圆筒有四种转动方式仅旋转内圆筒，仅旋转外圆筒，内外圆筒同向旋转，内外圆筒逆向旋转。实现客观精确的Taylor-Couette流场的模拟、控制，对于从理论与实验两方面科学地认识和掌握许多复杂的自然现象及工业过程的动力学和运动学本质，揭示各种因素及过程相互作用和耦合的机理，具有十分重要的学术价值，在工业技术领域及自然科学的基础理论探索研究中均具有重要的实际应用价值。
现有的采用内外两圆筒同步逆向旋转的Taylor-Couette设备大都采用两个电机各自独立驱动内外圆筒(K.H.de Haas et al.，A counter-rotating Couetteapparatus to study deformation of a sub-millimeter sized particle in shear flow，Review of Scientific Instruments，69(3)，1391-1397，1998)，内外圆筒同轴布置，两台驱动电机处于圆筒体的上下两侧并通过联轴器分别与内外圆筒连接；US6959588(2005)公布了一种磁力耦合驱动的圆筒形Couette设备，其内外圆筒端采用磁性材料制作，两台驱动电机处于圆筒体的上下两侧并通过磁力耦合器驱动内外圆筒。这些设备的速度控制均采用在内外圆筒上设置计数器来控制电机转速并进而控制圆筒的转速，其缺点是控制系统及结构复杂，难以实现精准速度调节，而且费用较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现泰勒—库埃特流场模拟的装置，结构简单、成本低，单电机驱动、能够实现宽广范围内精准速度调节。
本发明的技术方案是这样实现的本发明包括一外圆筒，外圆筒内装有内圆筒，内圆筒与内驱动轴同轴连接，内驱动轴固定在机壳内，内驱动轴外设置外驱动轴套，内圆筒与内驱动轴同步转动，外圆筒和外驱动轴套同轴并与外驱动轴套的上端部紧固连接，外圆筒和外驱动轴套同步转动，内圆筒和外圆筒之间留有环缝，内驱动轴和外驱动轴套的轴隙上端部采用动密封装置，机壳底部设置主传动轴，主传动轴上设置驱动齿轮，驱动齿轮的一侧设置内同步齿轮，另一侧设置过渡齿轮，内同步齿轮、驱动齿轮和过渡齿轮顺序啮合，内同步齿轮镶嵌在内驱动轴上，过渡齿轮镶嵌在从动轴的一端，从动轴的另一端镶嵌传动齿轮，传动齿轮与外同步齿轮啮合，外同步齿轮镶嵌在外驱动轴套上。
所述的主传动轴、从动轴、内驱动轴及外驱动轴套轴线相互平行布置并固定在机壳内。
本发明采用同轴逆向驱动机构实现单电机驱动的内外圆筒逆向旋转的泰勒—库埃特流场模拟装置。装置机构简单、动作灵敏、运行稳定可靠，速度控制精确，可实现无级调速；内外驱动轴间的动密封体系，确保密封性可适用于各种工作介质；内筒/外筒组合可更换；可实现宽范围的剪切速率和剪切应力。
图1是本发明的装置结构示意2是本发明动密封装置示意图。
图3是本发明五齿轮同步同轴逆向驱动装置示意图。
图4是本发明的控制系统简图。
图5实验测量与理论计算的环隙内简单剪切速度场的比较图。
图6实验测量的离散液滴断裂的临界毛细数与粘度比的关系图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施例方式
本发明的工作过程计算机17向频率发生器18发出频率信号指令，频率发生器18发给控制器19频率信号，控制器19接收频率信号产生电脉冲信号，步进电机20接收电脉冲信号转变电机转轴的角位移，步进电机20的转动通过柔性链条驱动主传动轴11，主传动轴11带动驱动齿轮10转动，驱动齿轮10带动过渡齿轮9和内同步齿轮12沿相反的方向转动、过渡齿轮9带动从动轴7转动，从动轴7带动传动齿轮8转动，传动齿轮8带动外同步齿轮13转动。根据齿轮啮合传动原理，此时内同步齿轮12和外同步齿轮13的转动方向相反，这两个齿轮分别带动内驱动轴14、外驱动轴套15并驱动两根轴沿相反的方向转动。外驱动轴套15带动外圆筒3同向转动，内驱动轴14带动内圆筒2同向转动，由此，由步进电机产生的转动转化为内外圆筒的同步逆向转动，内外圆筒的转动驱动内外圆筒间的环隙16内的工作介质产生泰勒—库埃特流场。
参照图1所示，本发明包括一外圆筒3，外圆筒3内装有内圆筒2，内圆筒2与内驱动轴14同轴连接，内驱动轴14固定在机壳21内，内驱动轴14外设置外驱动轴套15，内圆筒2与内驱动轴14同步转动，外圆筒3和外驱动轴套15同轴并与外驱动轴套15的上端部紧固连接，外圆筒3和外驱动轴套15同步转动，内圆筒2和外圆筒3之间留有环缝16，内驱动轴14和外驱动轴套15的轴隙上端部采用动密封装置密封5，机壳21底部设置主传动轴11，主传动轴11上设置驱动齿轮10，驱动齿轮10的一侧设置内同步齿轮12，另一侧设置过渡齿轮9，内同步齿轮12、驱动齿轮10和过渡齿轮9顺序啮合，内同步齿轮12镶嵌在内驱动轴14上，过渡齿轮9镶嵌在从动轴7的一端，从动轴7的另一端镶嵌传动齿轮8，传动齿轮8与外同步齿轮13啮合，外同步齿轮13镶嵌在外驱动轴套15上。
参照图2所示，动密封系统外圆筒3内装有内圆筒2，内圆筒2与内驱动轴14同轴连接，内驱动轴14固定在机壳21内，内驱动轴14外设置外驱动轴套15，内圆筒2与内驱动轴14同步转动，外圆筒3和外驱动轴套15同轴并与外驱动轴套15的上端部紧固连接，外圆筒3和外驱动轴套15同步转动，内圆筒2和外圆筒3之间留有环缝16，内圆筒2和外圆筒3之间的环缝16内盛放工作介质，为防止工作介质从与内圆筒2连接的内驱动轴14和与外圆筒3连接的外驱动轴15之间的轴隙泄漏，在两驱动轴轴隙上端部设有动密封装置5，保证系统的密封，避免介质泄漏，从而使设备适用于各种腐蚀或非腐蚀工作介质。
参照图3所示，单电机驱动的五齿轮同步同轴逆向驱动装置主要由驱动齿轮10、过渡齿轮9、传动齿轮8、外同步齿轮13、内同步齿轮12、主传动轴11、从动轴7、内驱动轴14、外驱动轴套15组成。机壳21底部设置主传动轴11，主传动轴11上设置驱动齿轮10，驱动齿轮10的一侧设置内同步齿轮12，另一侧设置过渡齿轮9，内同步齿轮12、驱动齿轮10和过渡齿轮9顺序啮合，内同步齿轮12镶嵌在内驱动轴14上，过渡齿轮9镶嵌在从动轴7的一端，从动轴7的另一端镶嵌传动齿轮8，传动齿轮8与外同步齿轮13啮合，外同步齿轮13镶嵌在外驱动轴套15上。
参照图4所示，控制系统计算机17通过信号线与频率发生器18连接，频率发生器18通过信号线与控制器19连接，控制器19通过信号线与步进电机20连接，步进电机20通过柔性链条与同步同轴逆向驱动装置连接，频率发生器18的频率信号可以连续精确调节，从而可以实现宽范围的速度无级调节。
图5所示，横坐标表示环隙内的径向位置，纵坐标表示剪切速度，点划线线为采用LDV测量的简单剪切流场的速度数据，虚线为试验数据拟合曲线，实线为理论计算的速度数据，由图可知，本发明可以较为精确的实现剪切流动速度场，试验剪切率与理论计算剪切率基本相同。
图6所示，横坐标表示粘度比，纵坐标表示临界毛细数，为在模拟的简单剪切流场条件下，液液两相体系中离散的液滴产生断裂的临界毛细数与粘度比的关系，图中各曲线的数值趋势和大小基本符合，表明本发明可以有效地实现流场及离散颗粒互作用过程的模拟和控制，并能够很好的满足研究实验测量的要求，取得满意的结果。
权利要求
1.一种实现泰勒—库埃特流场模拟的装置，包括一外圆筒(3)，外圆筒(3)内装有内圆筒(2)，内圆筒(2)与内驱动轴(14)同轴连接，内驱动轴(14)固定在机壳(21)内，内驱动轴(14)外设置外驱动轴套(15)，内圆筒(2)与内驱动轴(14)同步转动，外圆筒(3)和外驱动轴套(15)同轴并与外驱动轴套(15)的上端部紧固连接，外圆筒(3)和外驱动轴套(15)同步转动，内圆筒(2)和外圆筒(3)之间留有环缝(16)，其特征在于，内驱动轴(14)和外驱动轴套(15)的轴隙上端部设有动密封装置(5)，机壳(21)底部设置主传动轴(11)，主传动轴(11)上设置驱动齿轮(10)，驱动齿轮(10)的一侧设置内同步齿轮(12)，另一侧设置过渡齿轮(9)，内同步齿轮(12)、驱动齿轮(10)和过渡齿轮(9)顺序啮合，内同步齿轮(12)镶嵌在内驱动轴(14)上，过渡齿轮(9)镶嵌在从动轴(7)的一端，从动轴(7)的另一端镶嵌传动齿轮(8)，传动齿轮(8)与外同步齿轮(13)啮合，外同步齿轮(13)镶嵌在外驱动轴套(15)上。
2.根据权利要求1所述的实现泰勒—库埃特流场模拟的装置，其特征在于，主传动轴(11)、从动轴(7)、内驱动轴(14)及外驱动轴套(15)轴线相互平行布置并固定在机壳(21)内。
全文摘要
本发明公开了一种实现泰勒－库埃特流场模拟的装置，外圆筒内装有内圆筒，内圆筒与内驱动轴同轴连接，内驱动轴外设置外驱动轴套，外圆筒和外驱动轴套同轴并与外驱动轴套的上端部紧固连接，外圆筒和外驱动轴套同步转动，内驱动轴和外驱动轴套的轴隙上端部采用动密封装置，机壳底部设置主传动轴，主传动轴上设置驱动齿轮，驱动齿轮的一侧设置内同步齿轮，另一侧设置过渡齿轮，内同步齿轮、驱动齿轮和过渡齿轮顺序啮合，内同步齿轮镶嵌在内驱动轴上，过渡齿轮镶嵌在从动轴的一端，从动轴的另一端镶嵌传动齿轮，传动齿轮与外同步齿轮啮合，外同步齿轮镶嵌在外驱动轴套上。本发明结构简单、成本低，单电机驱动、能够实现宽广范围内精准速度调节。
文档编号G09B23/12GK1811855SQ2006100418
公开日2006年8月2日 申请日期2006年3月2日 优先权日2006年3月2日
发明者郭烈锦, 林长志, 张西民 申请人:西安交通大学