【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及强制涡流教学演示仪，属于流体静力学教学。
技术介绍
1、流体静力学主要研究静止流体中的压强分布规律。这里的“静”是指流体质点没有相对运动。属于这种情况的有两种：一是相对地面没有运动，这称为绝对静止；二是流体相对地面有运动，但流体质点间没有相对运动。流体静力学在诸多工程领域有着重要应用，也是《流体力学》课程要求学生必须理解和掌握的重要内容。相对静止状态不同于绝对静止状态，生活实际中并不常见，在教材和教学中往往利用抽象的示意图表示，因此学生理解起来较为困难，相对静止状态静力学的教学效果欠佳。因此，有必要设计强制涡流教学演示仪，以解决上述技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术公开的强制涡流教学演示仪的目的在于：提供一种更直观的流体静压强分布和强制涡流状态演示教具；以解决上述存在的生活中流体相对静止状态较少，观察机会不多，教材和教学中示意图不够直观，造成学生理解上存在困难，相对静止状态静力学教学效果欠佳等问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、强制涡流教学演示仪，包括透明观测模块、对比测高模块、旋转驱动模块、转速测量模块、颜料注射模块和底座支撑模块。其特征在于：所述颜料注射模块的注射器与延长管之间通过过盈配合，所述颜料注射模块使用时先吸取颜料，通过转速测量模块反光板的圆孔后插入固定块，所述转速测量模块下端通过固定块固定在透明观测模块的中间位置，所述转速测量模块还包含了一个转速计，所述透明观测模块为一带装配孔的扁平透明长方体盒，所
4、优选的，所述透明观测模块为一带装配孔的扁平透明长方体盒。
5、优选的，所述颜料注射模块由注射器和延长管通过过盈配合连接而成，且在演示过程中，所述的颜料注射模块需吸入颜料使用，且当加水后的透明观测模块在旋转驱动模块的带动下定角速度旋转后，通过拍击注射器上方向透明观测模块注入颜料。
6、优选的，所述对比测高模块由固定在底座支撑模块上的垂直板和带有铁磁性的尺子以及磁吸在尺子上的有色激光器组成，激光器由笔身和磁铁胶接而成，且激光器的激光发射口与垂直板处在同一平面。
7、优选的，所述转速测量模块由胶接在一起的反光板和固定块、转速计组成，转速计和反光板固定块为分体式设计，且转速计使用时需手持对准反光板。
8、优选的，所述旋转驱动模块通过联轴器与透明观测模块连接，通过步进电机支架固定在底座支撑模块上，步进电机控制器由旋转编码器、可编程逻辑控制器、电机驱动芯片构成，通过线缆与电池和步进电机相连接，且旋转驱动模块通过充电口充电后使用。
9、优选的，所述底座支撑模块预留有步进电机支架、步进电机控制器和电池安装孔位。
10、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
11、(1)现有技术中尚无使用扁平长方体形态透明容器作为观测模块的流体静压强分布教学演示仪。本专利技术公开的强制涡流教学演示仪，通过使用扁平长方体形态透明容器作为观测模块，使得等角速度旋转容器内流体平衡状态下流体自由液面抛物线状态更加直观地被展现出来。
12、(2)现有技术中尚无将流体静压强分布状态和等角速度旋转容器内流体平衡状态演示相结合的教学演示仪。本专利技术公开的强制涡流教学演示仪，通过拍击透明观测模块上端固定的颜料注射模块，将颜料注入处于定角速度旋转容器内的水中，通过观察颜料在垂向初速度及重力作用下在水中的竖直下落状态，观察颜料在定常状态流体内迹线、流线与脉线三线合一，使得等角速度旋转容器内流体平衡状态更加直观地被展现出来。
13、(3)现有技术中尚无将流体静压强分布状态和等角速度旋转容器内流体平衡状态演示相结合的教学演示仪。本专利技术公开的强制涡流教学演示仪，通过调整旋转驱动模块转速，破坏容器内流体的平衡状态，使得颜料和容器中的水均匀混合，从而获得与白色竖直板有明显对比的带色流体；通过上下滑动对比测高模块的激光器，调整激光落在白色竖直板上光线的高度，通过观察人员在仪器前方水平位置调整激光器水平高度，使光线先后与旋转中心处液面和内侧壁处液面处于相同水平高度，测得液面在旋转中心处和内侧壁处实际液位差δz，通过转速测量模块测得旋转驱动模块实际旋转速度n，利用欧拉平衡微分方程求得长方体容器内流体的自由液面在旋转中心处至内侧壁处的理论液位差δz，对比测量所得实际液位差δz，以验证欧拉平衡微分方程。
14、(4)现有技术中尚无使等角速度旋转容器内平衡流体与背景呈现明显对比的强制涡流教学演示仪。通过颜料和容器内水均匀混合获得有色流体，使得透明容器内流体与对比测高模块的白色竖直板呈现明显对比，通过白色竖直板与激光器适当的安装位置，使得白色竖直板上呈现出明显的光线，既有较高的测量精度，又便于读数，直观展示不同转速下旋转长方体容器内流体的相对静止状态，使学生对等角速度旋转容器内的流体平衡状态学习内容有更深刻的理解。
15、(5)本专利技术公开的强制涡流教学演示仪采用非接触式测量设计，通过对比测高模块实现对液面高度的非接触式测量，通过转速测量模块实现对转速的非接触式测量，确保观测过程不对定常流动下的流体造成影响。
16、(6)本专利技术公开的强制涡流教学演示仪采用模块化设计，透明观测模块、颜料注射模块和对比测高模块均为可拆卸设计，结构简单，布局紧凑，易于维护，便于移动。
17、(7)本专利技术公开的强制涡流教学演示仪的透明观测模块上端采用开放式设计，下端采用可拆卸联轴器设计，便于使用者使用前注水安装，教学结束后倾倒清洗。
18、(8)本专利技术公开的强制涡流教学演示仪通过可充电电池供电，使仪器使用时无需单独供电。
19、(9)本专利技术公开的强制涡流教学演示仪主体采用透明有机玻璃和木材，成本合理且环境友好。
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1.强制涡流教学演示仪，包括透明观测模块、对比测高模块、旋转驱动模块、转速测量模块、颜料注射模块和底座支撑模块；其特征在于：所述颜料注射模块(1)的注射器(7)与延长管(8)之间通过过盈配合，所述颜料注射模块(1)使用时先吸取颜料，通过转速测量模块(5)反光板(17)的圆孔后插入固定块(18)，所述转速测量模块(5)下端通过固定块(18)固定在透明观测模块(2)的中间位置，所述转速测量模块(5)还包含了一个转速计(16)，所述透明观测模块(2)为一带装配孔的扁平透明长方体盒，所述透明观测模块(2)由一个带装配孔的透明底板(12)、两个透明侧板(11)、一个透明前板(10)和一个透明后板(9)胶接而成，所述旋转驱动模块(6)的步进电机(21)通过步进电机支架(20)与底座支撑模块(4)相连接，所述旋转驱动模块(6)的步进电机(21)通过上端的联轴器(19)与透明观测模块(2)连接，所述旋转驱动模块(6)的步进电机控制器(22)嵌入在底座支撑模块(4)的方孔内且通过线缆(24)与步进电机(21)和电池(23)连接，所述对比测高模块(3)的白色竖直板(13)的下端与底座支撑模块(4)固
2.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的透明观测模块(2)为一带装配孔的扁平透明长方体盒，盒体长宽高分别为a，b，H；盒体内部腔体长宽高分别为2R，δL，h，盒体壁厚为δ，密度为ρs；由转动惯量计算公式和平行轴定理可得透明观测模块(2)绕旋转中心旋转的转动惯量为常量：
3.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的颜料注射模块(1)由注射器(7)和延长管(8)通过过盈配合连接而成，且延长管(8)的长度与透明观测模块(2)腔体高度比为k，且在演示过程中，所述的颜料注射模块(1)需吸入颜料使用，且当加水后的透明观测模块(2)在旋转驱动模块(6)的带动下定角速度旋转后，通过拍击注射器(7)上方向透明观测模块(2)注入颜料。
4.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的对比测高模块(3)由固定在底座支撑模块(4)上的白色竖直板(13)和铁磁性尺子(14)以及磁吸在铁磁性尺子(14)上的激光器(15)组成，激光器(15)和磁铁胶接在一起，且激光器(15)的激光发射口与垂直板处在同一平面。
5.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的转速测量模块(5)由胶接在一起的反光板(17)和固定块(18)、转速计(16)组成，转速计(16)和反光板(17)固定块(18)为分体式设计，且转速计(16)使用时需手持对准反光板(17)。
6.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的旋转驱动模块(6)通过联轴器(19)与透明观测模块(2)连接，通过步进电机支架(20)固定在底座支撑模块(4)上；步进电机控制器(22)由旋转编码器、可编程逻辑控制器、电机驱动芯片构成，通过线缆(24)与电池(23)和步进电机(21)相连接。
7.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的底座支撑模块预留有步进电机支架(20)、步进电机控制器(22)、铁磁性尺子(14)和电池(23)安装孔位。
8.如权利要求书1到7所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：工作方法为，向透明观测模块中加入高度为z0的水，启动旋转驱动模块，使步进电机驱动透明观测模块绕中轴线以转速n旋转；由于流体黏性作用，一段时间后透明观测模块中的液体质点以相同角速度旋转，流体与透明观测模块内壁无相对运动，透明观测模块内流体处于强制涡流平衡状态；此时通过拍击颜料注射模块，颜料将在非零初速度状态下进入透明观测模块内流体自由液面并继续下落，通过观测颜料在流体内迹线、流线与脉线三线合一展示流体正处于强制涡流平衡状态；
...【技术特征摘要】
1.强制涡流教学演示仪，包括透明观测模块、对比测高模块、旋转驱动模块、转速测量模块、颜料注射模块和底座支撑模块；其特征在于：所述颜料注射模块(1)的注射器(7)与延长管(8)之间通过过盈配合，所述颜料注射模块(1)使用时先吸取颜料，通过转速测量模块(5)反光板(17)的圆孔后插入固定块(18)，所述转速测量模块(5)下端通过固定块(18)固定在透明观测模块(2)的中间位置，所述转速测量模块(5)还包含了一个转速计(16)，所述透明观测模块(2)为一带装配孔的扁平透明长方体盒，所述透明观测模块(2)由一个带装配孔的透明底板(12)、两个透明侧板(11)、一个透明前板(10)和一个透明后板(9)胶接而成，所述旋转驱动模块(6)的步进电机(21)通过步进电机支架(20)与底座支撑模块(4)相连接，所述旋转驱动模块(6)的步进电机(21)通过上端的联轴器(19)与透明观测模块(2)连接，所述旋转驱动模块(6)的步进电机控制器(22)嵌入在底座支撑模块(4)的方孔内且通过线缆(24)与步进电机(21)和电池(23)连接，所述对比测高模块(3)的白色竖直板(13)的下端与底座支撑模块(4)固定在一起，所述对比测高模块(3)还包括一个固定在底座支撑模块(4)上的尺子(14)以及磁吸在尺子(4)上的有色激光器(15)。
2.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的透明观测模块(2)为一带装配孔的扁平透明长方体盒，盒体长宽高分别为a，b，h；盒体内部腔体长宽高分别为2r，δl，h，盒体壁厚为δ，密度为ρs；由转动惯量计算公式和平行轴定理可得透明观测模块(2)绕旋转中心旋转的转动惯量为常量：
3.根据权利要求书1所述的强制涡流教学演示仪，其特征在于：其所述的颜料注射模块(1)由注射器(7)和延长管(8)通过过盈配合连接而成，且延长管(8)的长度与透明观测模块(2)腔体高度比为k，且在演示过程中，所述的颜料注射模块(1)需吸入颜料使用，且当加水后...
【专利技术属性】
技术研发人员：张敏弟，杨林，李家乐，吴世航，赵鼎，朱晋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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