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实验一流体流动型态及临界雷诺数的测定一、实验目的研究流体流动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺（Reynolds）首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同型态——层流和湍流，以及两种不同型态的转变过程。本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。二、实验原理经许多研究者实验证明，流体流动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准数（或雷诺数），即udRe（1）式中，d为导管直径，m；ρ为流体密度，kg·m-3；μ为流体粘度，Pa·s；u为流体流速，m·s-1。大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。三、实验装置雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入并充满稳压溢流水槽，稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道，水流量由调节阀调节。图1.雷诺实验装置及流程1、示踪剂瓶；2、稳压溢流水槽；3、试验导管；4、转子流量计；V01、示踪剂调节阀；2、V02、上水调节阀；V03、水流量调节阀；V04、V05、泄水阀；V06、放风阀。四、实验方法实验前准备工作：（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与针头之间管路内的空气；（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线；（3）用温度计测定水温。实验操作步骤：（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证试验时有稳定的压头。（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与试验导管内主流体的流速相近，一般略低于主流体的流选为宜。精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止，记下水的流量和温度。（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大。直至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算下临界雷诺数据。（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时表明流体的流型已进入湍流区域，记下水的流量和温度，以供计算上临界雷诺数。这样实验操作需反复进行数次（至少5~6次），以便取得较为准确的实验数据。实验操作注意事项：（1）本实验示踪剂采用红墨水。它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。应注意适当调节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。五、实验结果整理（1）实验设备基本参数试验导管内径d=22mm（2）实验数据记录及整理表1实验数据记录及整理表实验序号流量Vs温度T粘度μ密度ρ流速临界雷诺数Re实验现象及流型m3·s-1℃Pa·skg·m-3m·s-1123456六、思考题1、示踪剂的密度为何要与待测的流体密度相近？2、管路及系统中有气泡出现会有什么样的后果？3、叙述转子流量计的工作原理？