[发明专利]一种纤维沉降特性的实验装置及其实验方法

说明书

本发明公开了一种纤维沉降特性的实验装置及其实验方法，装置包括实验平台，实验平台上放置有水槽，水槽内放置有用于对水槽内部的水产生持续稳定扰动的扰动装置，水槽由透光性为92%以上的有机玻璃加工而成，水槽的一侧依次设有打光器和高速摄像系统，高速摄像系统由摄影机、控制器显示装置和辅助照明灯组成。方法包括以下步骤：选取碳含量为95%以上的碳纤维；使用重垂线对测试段进行校准，保准水槽竖直；向水槽中加入纯净水，启动扰动装置并使其保持稳定转速；用镊子一次性投入30‑40个碳纤维至扰动装置下方2cm的位置；通过高速摄像系统记录水面高度为100mm处碳纤维的纤维形态变化，拍摄碳纤维在0s、3s、6s、9s、12s时纤维的运动轨迹。

技术领域

本发明涉及碳纤维悬浮流实验领域，具体涉及一种纤维沉降特性的实验装置及其实验方法。

背景技术

纤维悬浮流中存在一些包含在液或气中的固态纤维，与研究非牛顿理论以及多相流紧密相关，因此，对纤维悬浮流的研究很有用。此外，纤维悬浮流得到了广泛的应用。复合材料是材料科学中的非常重要一环，其中短纤维材料又是复合材料的核心，而加工和成型短纤维复合材料需要涉及到纤维悬浮流的相关理论，尤其是动力学，加工时纤维取向是由流动诱导的，影响到成品的质量。

现代电子设备基本都带有电磁屏蔽材料，电磁屏蔽材料的主要成分是碳纤维。而碳纤维在电磁屏蔽材料的表面分布越均匀，越整齐一致材料的性能则越好。因此研究研究碳纤维在沉降的过程中的干扰因素对制造高性能的电磁屏蔽材料有着重要的指导意义。

邵雪明^[1]以长宽比和初始取向为变量，使用了拉格朗日法对方形粒子在二维垂直通道中进行数值模拟，研究其沉降特性。Advani与Tuckerl^[2]通过使用一组偶数阶取向张量表示纤维的取向分布函数，进而有助于预测纤维的取向。主要有两种方法解答纤维取向：（1）对Fokker.Planck方程进行直接求解；（2）采用封闭近似的方法去除了高阶取向张量的不封闭，从而得到每阶的取向张量。第二种方法主要用在悬浮流计算过程中。然而大家对这种方法的准确性有一定的异议，尤其是处理复杂流动问题时。Lipscombl^[3]等求解了轴对称的收缩管道内的纤维悬浮流，在实验中发现纤维对流场的结构产生了影响。王叶龙^[4]使用Boltzmann法进行模拟得到了粒子沉降时的平均速度、取向分布并得出了粒子最终趋向于水平分布的结论。 Lin^[5]等通过数值模拟得到了楔形体内的纤维悬浮流场，发现如下规律：纤维最终聚集在流线方向上当时间步长增加后。

由于研究纤维悬浮流对实验仪器精度要求较高所以以往的学者们更加的倾向于数值模拟计算，关于纤维悬浮流的实验寥寥无几，固亟需一套完整的实验方案对纤维沉降过程中的影响因素进行研究。

参考文献如下：

[1]邵雪明，张征宇，方形粒子沉降特性研究[D].浙江大学学报，2005

[2]Advani S G,Tucker C L,The Use of Tensor to Describe and Predict FiberOrientation in Short Fiber Composites[J],J Rheol,1997，25(3):111-118.

[3]Lipscomb G G,Denn M M,The Flow of Fiber Orientation in ComplexGeometries[J],J Non-Nwtonina Fluid Mech,2001， 38(3):17-22.

[4]王叶龙，林建忠，柱状粒子间相互作用对沉降运动的影响[J]，自然科学进展，2004，51(2):27-31.