專利名稱：一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及流體力學(xué)實驗的微米級渦旋的微觀流動顯示技術(shù)領(lǐng)域， 尤其是一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使用方法。 背肇技術(shù)
現(xiàn)有技術(shù)中，微米級渦旋的顯示和觀測是研究湍流成因的關(guān)鍵技術(shù)。但 是，微米級渦旋的流動顯示技術(shù)要求采用納米級的示綜劑。而目前，最好的 微觀流動顯示技術(shù)是粒子成像測速(PIV)技術(shù)，但是PIV要求采用的示蹤劑 的粒徑D^0 300微米左右，即屬于微米級的示蹤劑，與微微米級旋渦直徑 屬于同一個數(shù)量級。所以，PIV技術(shù)無法顯示直徑150 200微米，即肉眼可辨 別或更小直徑的微觀渦旋現(xiàn)象和渦旋的結(jié)構(gòu)。要顯示微觀渦旋運動圖像及其 結(jié)構(gòu)變化過程，則其采用的示蹤劑的粒徑應(yīng)當(dāng)小于微米而大于水分子，水分 子的直徑為280皮米即0. 28納米，即示蹤劑須具備納米級的粒徑。
中國專利申請中相關(guān)技術(shù)方案較少，未能解決同類問題，如 200510122716. X基于熒光能量轉(zhuǎn)移原理發(fā)光的稀土納米粒子及制備方法，涉 及一種用于生物分子標(biāo)記檢測和示蹤用的新型稀土納米粒子的制備及其表面 修飾。這種稀土納米粒子由一種基于熒光能量轉(zhuǎn)移原理發(fā)光的稀土配合物作 為核心，經(jīng)Si02包裹而成。稀土配合物由水溶性的、具有高穩(wěn)定常數(shù)的有機 配體結(jié)合一種作為能量供體的敏化分子和稀土離子構(gòu)成，通過熒光共振能量 轉(zhuǎn)移產(chǎn)生強的熒光。這種稀土納米粒子標(biāo)記物具有良好的水溶性和長的熒光 壽命，用它可直接進行固相和液相時間分辨熒光測定。稀土納米粒子的表面可共價連接多種探針分子，用于各種生物分子的檢測和示蹤。又如
200510031229.2流體內(nèi)部全流場三維可視流向、流速測量裝置。包括流體內(nèi) 的測量系統(tǒng)，流體外的監(jiān)視系統(tǒng)以及內(nèi)外結(jié)合的操縱系統(tǒng)；所述測量系統(tǒng)包 括盛有示蹤劑的密封容器及其電動閥門，流體內(nèi)專用測量鏡頭和與之固定安 裝為一體的密封攝像頭；所述流體外的監(jiān)視系統(tǒng)包括PC計算機及與之電連接 的顯示器，錄像機；所述操縱系統(tǒng)包括控制器和與之電連接的操縱潛水電機 及推動機構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明發(fā)明目的在于提出一種具備較好跟蹤性能、顏色和流體反差大、 示蹤性能穩(wěn)定的納米級示蹤劑，以及應(yīng)用這種示蹤劑對微觀渦旋的流動顯示 技術(shù)進行觀測研究的方法，即一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其 使用方法。
實現(xiàn)本發(fā)明發(fā)明目的的措施在于示蹤劑粒子的粒徑為納米級并稍大于 流體分子，密度與流體密度比值為0.95-1.10，并與流體色差大于1.5，對比 度明顯，且不溶于流體。
在流體表面投放示蹤劑，然后進行旋轉(zhuǎn)等流體運動實驗，觀測流體內(nèi)的 渦旋流動圖像變化，并進行跟蹤微距攝影。
本發(fā)明的優(yōu)點在于由于示蹤劑密度與流體接近，顏色和流體不同，反 差大，粒徑稍大于流體分子而不會快速擴散，可以清晰顯示流體運動動態(tài)， 跟蹤性能好，示蹤性能穩(wěn)定。
具體實施例方式
實施例h示蹤粒子的粒徑為納米級并稍大于流體分子，密度與流體密度比值為0. 95-1. 10，并與流體色差大于1. 5，對比度明顯，且不溶于流體。 選擇納米碳做為微觀渦旋流動的示蹤劑，納米碳顆粒平均粒徑為1 10納 米，以納米碳為示蹤劑顯示微米級旋渦的流動，經(jīng)過實驗可以清晰顯示出渦 旋的產(chǎn)生、發(fā)展、運動、演變和消亡的規(guī)律，這種顯示微米級渦旋流動的方 法簡單、結(jié)果可靠，可以為研究湍流的運動機理提供一個有效途徑。
跟蹤性能好取決于示蹤粒子的粒徑要細(xì)，但是，粒徑要稍大于水分子粒 徑，最好選擇納米級的示蹤劑，而不是去選擇皮米級(分子級)的示蹤劑，
示蹤粒子粒徑越小擴散作用越強，因而跟蹤性能越差；同時選擇的示蹤劑的 密度要和流體一致，才能跟隨流體質(zhì)點同步運動。
顏色和流體要不一致顏色反差大，才可能起到示蹤作用，從而顯示出渦 的運動和細(xì)微結(jié)構(gòu)圖像。
示蹤性能穩(wěn)定取決于所選擇的流動示蹤劑粒子的粒徑穩(wěn)定性，具有實驗 可重復(fù)性。
根據(jù)上述三個原則的示蹤劑實施例為含有平均粒徑為5 7納米碳顆粒 的碳素墨水。
微觀渦旋的流動顯示中，最小的是渦絲，為了證實上述碳素墨水示蹤劑的 示蹤性能，選擇一個直徑lOOmm、高度90mm的透明塑料筒，杯底襯有白色塑 料膜襯底，以給渦旋和渦管的攝影增加反差，杯內(nèi)裝滿自來水，并在水表層 隨機地大致均勻地布上稀釋了的少量碳素墨水，然后進行旋轉(zhuǎn)實驗，觀測流 體內(nèi)的渦旋流動圖像變化、渦絲的孕育、產(chǎn)生、伸長發(fā)展、合并和衰退消失， 并進行跟蹤微距攝影。觀測結(jié)果清晰地顯示出直徑0. 15 0. 2mm的極細(xì)渦絲 運動圖像。渦絲完全消失后，碳粒己均勻分布在水中，不加新的示蹤劑，再重復(fù)旋轉(zhuǎn)實驗，還可顯示渦絲的生滅過程圖像，只是圖像的反差變小。
在雷諾試驗中采用直徑為0. l皿的微管注入碳素墨水作為示蹤劑，能夠
清晰地顯示出層流和湍流的流態(tài)轉(zhuǎn)變過程。
本實施例中，由于示蹤劑密度與流體接近，顏色和流體不同，反差大， 粒徑稍大于流體分子而不會快速擴散，可以清晰顯示流體運動動態(tài)，跟蹤性 能好，示蹤性能穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使用方法，其特征在于，示蹤劑粒子的粒徑為納米級并稍大于流體分子，密度與流體密度比值為0.95-1.10，并與流體色差大于1.5，對比度明顯，且不溶于流體。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使用方法，其特征在于，在流體表面投放示蹤劑，然后進行旋轉(zhuǎn)等流體運動實 驗，觀測流體內(nèi)的渦旋流動圖像變化，并進行跟蹤微距攝影。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使 用方法，其特征在于，選擇納米碳做為微觀渦旋流動的示蹤劑，納米碳顆粒 平均粒徑為1 10納米，以納米碳為示蹤劑顯示微米級旋渦的流動。
4. 如權(quán)利要求1、 3所述的一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其 使用方法，其特征在于示蹤劑為含有平均粒徑為5 7納米碳顆粒的碳素墨水。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使 用方法，其特征在于，選擇一個直徑100mm、高度90mm的透明塑料筒，杯底 襯有白色塑料膜襯底，以給渦旋和渦管的攝影增加反差，杯內(nèi)裝滿自來水， 并在水表層隨機地大致均勻地布上稀釋了的少量碳素墨水，然后進行旋轉(zhuǎn)實 驗，觀測流體內(nèi)的渦旋流動圖像變化、渦絲的孕育、產(chǎn)生、伸長發(fā)展、合并 和衰退消失，并進行跟蹤微距攝影。
6. 如權(quán)利要求4所述的一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使用 方法，其特征在于，在雷諾試驗中采用直徑為0. lmm的微管注入碳素墨水作為 示蹤劑，顯示層流和湍流的流態(tài)轉(zhuǎn)變過程。
全文摘要
一種顯示微米級旋渦流動的納米級示蹤劑及其使用方法，涉及流體力學(xué)實驗的微米級渦旋的微觀流動顯示技術(shù)領(lǐng)域，示蹤劑粒子的粒徑為納米級并稍大于流體分子，密度與流體密度比值為0.95-1.10，并與流體色差大于1.5，對比度明顯，且不溶于流體。在流體表面投放示蹤劑，然后進行旋轉(zhuǎn)等流體運動實驗，觀測流體內(nèi)的渦旋流動圖像變化，并進行跟蹤微距攝影。由于示蹤劑密度與流體接近，顏色和流體不同，反差大，粒徑稍大于流體分子而不會快速擴散，可以清晰顯示流體運動動態(tài)，跟蹤性能好，示蹤性能要穩(wěn)定。
文檔編號G01P5/18GK101620235SQ200810072909
公開日2010年1月6日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者琳 李, 楊力行, 牧振偉, 枋 蘇, 濤 趙, 邱秀云 申請人:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院