一种基于热对流法的二维涡旋演示系统及方法与流程

本发明涉及模拟演示技术领域，特别涉及一种基于热对流法的二维涡旋演示系统及方法。

背景技术：

涡旋是流体流动的显著特征，无论是小型发动机，湍流还是行星大气层，了解旋涡的位移，涡旋的结构及其长期动力学对于这些方面都是至关重要的。

流体的涡旋运动大量存在于自然界中，如大气中的气旋、反气旋、龙卷、台风等，大气中的涡旋运动对天气系统的形成和发展有密切的关系。热带气旋可以被rankinevortex理想涡流的修改版本合理地建模。然而，当涉及到预测它们的轨迹及强度演变，还存在许多问题，主要是因为复杂的环境相互作用。

现有技术中，有报道出用肥皂泡作为研究大气现象的模型，在肥皂泡上演示漩涡的形成，但是由于肥皂泡尺寸较小且存在的时间较短，不能在肥皂泡上演示二维涡旋、羽流以及卡门涡街等。

因而，现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于热对流法的二维涡旋演示系统及方法，旨在解决现有用于演示的肥皂泡稳定存在时间短，不能在肥皂泡上演示二维涡旋的问题。

本发明的技术方案如下：

第一方面，一种基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，包括：

肥皂泡生成装置，用于生成肥皂泡；

肥皂泡承接装置，包括用于承载肥皂泡和肥皂液的盛液器；

加热装置，用于对所述盛液器的一侧进行加热；

肥皂液补充装置，包括肥皂液输送管，设置在所述肥皂液输送管一端的储液部以及设置在所述肥皂液输送管另一端的出液头；

由所述肥皂泡生成装置在所述盛液器上生成肥皂泡，所述出液头与所述肥皂泡的顶部相结合，为所述肥皂泡补充肥皂液，所述加热装置对所述盛液器进行加热。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，还包括：加湿装置，用于为所述肥皂泡所处环境进行加湿。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，所述盛液器的底部设置有转动装置，用于使盛液器发生转动。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，所述肥皂液补充装置还包括流量控制器，所述流量控制器设置在所述肥皂液输送管上。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，所述肥皂液补充装置还包括一泵，用于为所述肥皂液输送管内的肥皂液提供动力，所述泵设置在所述储液部与所述出液头之间的所述肥皂液输送管上。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，所述盛液器开口部设置有肥皂泡稳定件，所述肥皂泡稳定件上设置有均匀分布的鳍片。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，还包括可视化装置，所述可视化装置包括电源，与所述电源电连接的光源，设置在所述光源出光面上的背景板。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，所述光源为led灯条组成的灯条阵列。

可选地，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统，其中，所述背景板为白色聚氯乙烯板。

第二方面，一种基于热对流法的二维涡旋演示方法，其中，包括：

提供一个用于承载肥皂泡和肥皂液的盛液器，在所述盛液器上生成一个肥皂泡；

利用肥皂液补充装置对所述肥皂泡补充肥皂液，通过加热装置对所述盛液器的一侧进行加热，在所述肥皂泡上呈现二维涡旋。

有益效果：本发明所提供的基于热对流法的二维涡旋演示系统及方法，通过系统中的肥皂液补充装置为肥皂泡持续的补充肥皂液，可以使肥皂泡的存在时间得到大幅度的延长，肥皂泡的存在时间在30分钟以上，通过对肥皂泡的一侧进行加热，形成局部的热对流，在肥皂泡上形成二维涡旋。由于，肥皂泡稳定存在时间长，因此可以在肥皂泡上展示出漩涡的形成过程。同时，该系统所涉及到的装置简单易得，也有利于用户演示操作。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的将肥皂泡稳定存在的系统的立体图。

图2为本发明实施例所提供的承接装置结构示意图。

图3为图2中a处的放大图。

图4为本发明实施例所提供的出液头的结构示意图。

图5为本发明实施例所提供的可视化装置中光源部的结构示意图。

图6为本发明实施例所提供的基于热对流法的二维涡旋演示方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于热对流法的二维涡旋演示系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施方式对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本发明所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。

请参考图1-3，如图1所示，本实施例提供了一种基于热对流法的二维涡旋演示系统10，系统包括：用于生成肥皂泡的肥皂泡生成装置(图中未标出)；肥皂泡承接装置30，所述肥皂泡承接装置30包括，用于承载肥皂泡和肥皂液的盛液器31，用于对所述盛液器31的一侧进行加热的加热装置40，用于为肥皂泡补充肥皂液的肥皂液补充装置50，所述肥皂液补充装置50包括肥皂液输送管51，设置在所述肥皂液输送管51一端的储液部52以及设置在所述肥皂液输送管51另一端的出液头53；由所述肥皂泡生成装置在所述盛液器31上生成肥皂泡，所述出液头53与所述肥皂泡的顶部相结合，为所述肥皂泡补充肥皂液，所述加热装置对所述盛液器进行加热。

本实施例中，通过肥皂泡生成装置在肥皂泡承接装置30上形成一个肥皂泡，通过肥皂液补充装置50对肥皂泡进行补液，使得肥皂泡在敞开环境中的存在时间相较于现有技术中的肥皂泡存在时间得到大幅度的延长。通过加热装置对肥皂泡承接装置30进行加热，加热温度控制在一定的范围内，使得在肥皂泡的局部区域形成稳定的热对流，从而在肥皂泡上形成较为直观的二维涡旋。

可选地，加热温度的范围可以是从25℃到27℃，从27℃到29℃，从29℃到31℃，从31℃到33℃。当温度低于25℃时，因为温度低不利于在肥皂泡上形成二维涡旋，而当温度高于33℃时，容易对肥皂泡的结构造成破坏，不利于肥皂泡的存在。

本实施例提供的基于热对流法的二维涡旋演示系统，具有结构简单，所涉及设备易得，肥皂泡稳定存在的时间长，形成的肥皂泡尺寸大，便于在肥皂泡上演示形成不同的大气现象。

在本实施例中，肥皂泡生成装置可以是现有技术中的泡泡发生器，还可以是其他能利用肥皂液生成肥皂泡的装置。肥皂泡承接装置30包括盛液器31，盛液器31通常具有圆形或椭圆形开口310，开口的尺寸根据实际需要进行设定，盛液器31可以是金属材质或者塑料材质，盛液器31内盛放的是肥皂液，肥皂液可以是与形成肥皂泡的肥皂液种类和浓度相同，也可以不同。盛液器31的开口310内侧嵌设有用于肥皂泡稳定的稳定件32，稳定件32的形状与盛液器31的开口相适配，稳定件32的材质可以是塑料。

如图2所示，所述稳定件32整体呈圆形，结合图3，在稳定件32上设置有均匀分布的鳍片320，利用所述鳍片320在肥皂泡的底部提供支撑。

具体地，稳定件与盛液器中的肥皂液接触的时候，其密集的鳍片之间能够附着一定量的肥皂液，并持续向上补充肥皂液，保持肥皂泡与该稳定件接触的地方始终湿润，有利于肥皂泡的稳定存在。肥皂泡在演示过程中会难以避免地晃动，一旦其底部晃动的区域超出了与其直接接触的部件的直径范围，肥皂泡将会不可避免地破裂。而外侧的鳍片能够提供一定范围的缓冲区域，使肥皂泡即使存在较大的晃动时依然能稳定存在。

进一步，肥皂液补充装置的出液头中向各个方向流出补充液，补充液顺着肥皂泡流下时，如果液体集中在肥皂泡底部的某个区域流下，将会造成明显的肥皂泡厚度不均匀，加剧其破裂的趋势。而稳定件上密集且均匀的鳍片能够均匀地分流落下的液体，降低肥皂泡由流下的补充液引起的厚度不均的可能，进而起到帮助稳定肥皂泡的作用。如若不存在稳定件，肥皂泡将直接与盛液器的边缘接触，补充液也会顺着盛液器边缘流下，污染包括转盘，轴承等仪器部件。而当稳定件存在时，补充液将直接顺着稳定件流入盛液盘。

现有的肥皂泡之所以容易破裂是由于其特有的结构所导致，通常情况下，肥皂泡是个三层结构，其包括肥皂泡表面的表层膜，肥皂泡内部的内膜以及在表层膜和内膜之间的肥皂液层，当肥皂泡形成后，肥皂液层中的肥皂液受到重力作用从肥皂泡的上部向下流动，使得肥皂泡顶部的肥皂液层的厚度逐渐降低，当肥皂液层的厚度降低到一定程度时，肥皂泡便会发生破裂。基于这样的事实，发明人在系统中增加了肥皂液补充装置50，通过肥皂液补充装置50为肥皂泡补充肥皂液。

具体地，首先在储液部52中盛放肥皂液，该肥皂液的种类和浓度可以与形成肥皂泡所用的肥皂液种类和浓度相同，也可以不同。通常情况下是选用相同种类和相同浓度的肥皂液，可以节省肥皂液的配置，方便操作。接着将储液部52中的肥皂液通过肥皂液输送管51，输送到出液头53，出液头53的出口深入到肥皂泡的肥皂液层中(由于受表面张力的作用，需要将出液头53深入到肥皂泡的中间层中，否则无法实现补水)，肥皂液由出液头53流入到肥皂泡中，准确地说是对肥皂泡的中间层肥皂液层进行补充。

在本实施例中，如图4所示，所述出液头53包括，本体530及设置在所述本体530中部的分水器531，所述本体上均匀地设有凹槽532。所述分水器531用于将出液头53中流出的肥皂液进行分散流出，所述分水器531可以是带网孔的隔层，也可以是如棉花、海绵等物品。

在一种或多种实施例中，如图1所示，所述肥皂液补充装置50还包括流量控制器501，所述流量控制器501设置在所述肥皂液输送管51上。所述流量控制器501可以是流量开关。通过控制流量开关的开启度来控制肥皂液的流速。肥皂液流速的设置可以根据肥皂泡的大小进行设置。

可选地，所述流速可以从2ml/min到5ml/min，从5ml/min到8ml/min，从8ml/min到11ml/min，从11ml/min到14ml/min，从14ml/min到17ml/min，从17ml/min到20ml/min。

在一些实施方式中，为了在肥皂泡上演示卡门涡街，可以通过控制控制肥皂液输送管内的流量在肥皂泡表面形成稳定的肥皂液流，并辅以其他工具来观察卡门涡街。由于液流附着在肥皂泡的表面，其形状和曲率可以通过改变肥皂泡来控制，因为可以改变的变量多，所以所演示的现象丰富。

在一种或多种实施例中，所述肥皂液补充装置50还包括一泵(图中未示出)，用于为所述肥皂液输送管51内的肥皂液提供动力，所述泵设置在所述储液部52与所述出液头53之间的所述肥皂液输送管51上。

具体地，为了将储液部52中的肥皂液更方便的输送到肥皂泡中，在系统中增设一个小型/微型水泵，小型/微型水泵设置在储液部52和出液头53之间的肥皂液输送管51上。

在一种实方式中，可以将储液部52与盛液器31进行合并，即将肥皂液输送管51的一端接在盛液器31上，接着在肥皂液输送管51上设置小型/微型水泵，即利用盛液器31中的肥皂液作为补充液为肥皂泡进行补液。

在一种或多种实施例中，所述基于热对流法的二维涡旋演示系统10还包括加湿装置60，所述加湿装置60为加湿器，用于为肥皂泡所在的环境进行加湿，使肥皂泡处在一定的湿度环境中。从而延长肥皂泡的存在时间。

可选地，肥皂泡所处环境的湿度可以是从50％到55％，从55％到60％，从60％到65％，从65％到70％，从70％到75％。

在一种实施例中，所述的基于热对流法的二维涡旋演示系统10还包括可视化装置70，所述可视化装置70包括电源(图中未示出)，与所述电源电连接的光源(图中未示出)，设置在所述光源出光面上的背景板71。

具体地，为了更好地观察肥皂泡表面上所形成的图案，在该系统中增设可视化装置70，可视化装置70中所用的光源是led灯条组成的led阵列，由于led发出的白光其相干长度远大于肥皂泡的厚度，使得肥皂泡上的干涉现象易于观察。采用白色pvc板作为背景板，可以使光线在肥皂泡上的干涉颜色更加鲜艳明亮。所述电源可以是直流稳压可调节电源，可以根据所在的环境光照情况，对灯的亮度进行调节，方便观察和进行拍摄。同时，且该种显像方式，没有后期加工渲染，对肥皂泡结构和周围的环境(温度，湿度)不会有任何影响。由于薄膜干涉等原理，肥皂泡颜色与厚度对应，所以对于测量，只需跟踪颜色变化，便于跟踪测量。

在一种或多种实施例中，所述基于热对流法的二维涡旋演示系统中还包括转动装置80，该转动装置80设置在盛液器31的底部，用于使盛液器31发生转动，可以模拟地球的自传，以便于演示、观察。

具体地，所述转动装置80包括，直流稳压可调节电源(图中未示出)，支撑座810，设置在支撑座810侧边的电动马达820，设置在支撑座810顶部的圆形转盘830，与电动马达820及支撑座810连接的用于传动的转轴840。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种基于热对流法的二维涡旋演示方法，方法包括步骤：

s10、提供一个用于承载肥皂泡和肥皂液的盛液器，在所述盛液器上生成一个肥皂泡。

具体地，先准备一个肥皂泡生成装置及一定浓度的肥皂液，再提供一个盛液器，在该盛液器的开口处内嵌一个肥皂泡稳定件并在盛液器中添加适量的肥皂液，利用肥皂泡生成装置，如泡泡生成器，在盛液器中吹出(生成)一个肥皂泡。

s20、利用肥皂液补充装置对所述肥皂泡补充肥皂液，通过加热装置对所述盛液器的一侧进行加热，在所述肥皂泡上呈现二维涡旋。

具体地，通过肥皂液补充装置对步骤s10中生成的肥皂泡进行补液，即将肥皂液补充装置上的出液头与肥皂泡的顶部相结合，为所述肥皂泡补充肥皂液。肥皂液的流速、流量可以根据肥皂泡的大小控制在合理的范围之内。打开加热装置对盛液器的一侧进行加热，使盛液器中的肥皂液温度控制在25℃-33℃范围内。因为是一侧加热意味着肥皂泡的受热是不均匀的，从而形成热对流，在热对流的作用下肥皂泡表面会出现二维的涡旋。

在一些实施方式中，为了使肥皂泡稳定的时间更长，可以对肥皂泡周围的环境进行加湿，使肥皂泡处于一定的湿度环境中(如湿度大于62％)。例如采用加湿器进行加湿，在加湿的过程中，由于加湿器产生的湿气温度低于肥皂泡周围环境的温度，在肥皂泡周围形成对流，有利于二维涡旋的生成。

在一些实施方式中，为了更好的观察肥皂泡上的二维涡旋，采用发白光的面光源对肥皂泡进行照射，发白光的光源是led灯条组成的led阵列，由于led发出的白光其相干长度远大于肥皂泡的厚度，使得肥皂泡上的干涉现象易于观察。采用白色pvc板作为背景板，可以使光线在肥皂泡上的干涉颜色更加鲜艳明亮。所述电源可以是直流稳压可调节电源，可以根据所在的环境光照情况，对灯的亮度进行调节，方便观察和进行拍摄。

综上所述，本发明所提供的一种基于热对流法的二维涡旋演示系统及方法，系统包括，肥皂泡生成装置，用于生成肥皂泡；肥皂泡承接装置，包括用于承载肥皂泡和肥皂液的盛液器；加热装置，用于对所述盛液器的一侧进行加热；肥皂液补充装置，包括肥皂液输送管，设置在所述肥皂液输送管一端的储液部以及设置在所述肥皂液输送管另一端的出液头；由所述肥皂泡生成装置在所述盛液器上生成肥皂泡，所述出液头与所述肥皂泡的顶部相结合，为所述肥皂泡补充肥皂液，所述加热装置对所述盛液器进行加热。通过系统中的肥皂液补充装置为肥皂泡持续的补充肥皂液，可以使肥皂泡的存在时间得到大幅度的延续，肥皂泡的存在时间在30分钟以上，通过对肥皂泡的一侧进行加热，形成局部的热对流，在肥皂泡上形成二维涡旋，由于肥皂泡稳定存在时间长，可以在肥皂泡上展示出漩涡的形成过程。配合发白光的面光源，使得肥皂泡上的颜色更加鲜艳，利于观察和拍摄。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本本发明所附权利要求的保护范围。