(一)雷诺实验

实验名称：雷诺实验学院：环境与化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：14化工02班姓名：胡海明学号：21404070217指导教师：赵亚梅日期：2016年11月16日化工原理实验报告雷诺实验一、实验目的1．观察圆管内层流、紊流两种流动状态及其转换的现象。2．测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则。二、实验装置图4-1雷诺实验装置1．自循环供水器2．实验台3．可控硅无级调速器4．恒压水箱5．有色水水管6．稳水孔板7．溢流板8．实验管道9．实验流量调节阀雷诺实验装置如图4-1所示；供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持微溢流的状态，以提高进口前水体稳定程度。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3～5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8，可根据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。三、实验原理1．实际流体的流动会呈现出两种不同的型态，具有不同的运动特性。它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。层流，流层间没有质点混掺，质点作有序的直线运动；紊流则相反，流层间质点混掺，为无序的随机运动。2．圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷诺根据大量实验资料，将影响流体流动状态的因素归纳成一个无因次数，称为雷诺数Re，作为判别流体流动状态的准则（4-1）（4-2）式中——圆管直径，cm——流体的运动粘度，cm2/s水的运动粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托克斯提出的经验公式计算(cm2/s)（4-3）3．判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流过渡时的速度称为上临界流速，从紊流到层流过渡时的速度称为下临界流速。4．圆管中定常流动的流动状态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，对应于上、下临界速度的雷诺数，称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。而且极不稳定，只要稍有干扰，流态即发生变化。上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不同有所不同，在工程技术中没有实用意义。有实际意义的是下临界雷诺数，它表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值。通常均以它作为判别流动状态的准则，即Re2320时，层流Re2320时，紊流该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，工程实际中一般取Re=2000。5．实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小管径d、减KQdQvdvd4RedK4d2000221.00337.010178.0tt小流速v、加大流体运动粘度三种途径都是有利于流动稳定的。总之，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。6．由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十分必要的。层流遵循牛顿内摩擦定律，其能量损失与流速一次方成正比。紊流受粘性和紊动共同作用，其阻力比层流大得多，紊流能量损失与流速的1.75～2次方成正比。具体的流动是紊流还是非紊流（层流），可用Re作判据加以判别。四、实验步骤1．测记各有关常数；2．观察两种流态；启动水泵供水，使水箱充水至溢流状态，待稳定后，微微开启调节阀，并注入颜色水于实验管道内，使颜色水流成一直线。通过颜色水质点的运动，观察管内水流的层流流态，然后，逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流变到紊流的水力特征。待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，可观察到由紊流转变为层流的水力特征。3．测定下临界雷诺数（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；（2）用体积法测定流量；（3）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于二次；（4）同时用水箱中的温度计测量水温，从而求得水的运动粘度；（5）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大需重测。注意：①每调节阀门一次，均需等待几分钟；②关小阀门过程中，只许关小，不许开大；③随着出水流量减小，应适当调小开关，以减小因溢流引起的扰动。4．测定上临界雷诺数（1）完全关闭调节阀，待稳定后，微开调节阀使管中出现层流，逐渐开大调节阀。注意：阀门只许开大，不许关小，待颜色水流刚好散开，表明由层流刚好转为紊流，即上临界状态；（2）用体积法测定流量；（3）重新关闭调节阀，按照上述步骤重复测量不少于二次；（4）同时用水箱中的温度计测量水温，从而求得水的运动粘度；（5）根据所测流量计算上临界雷诺数。上临界雷诺数实测值在3000～5000范围之间，有的甚至更大，与操作的快慢、水箱的紊动度以及外界的干扰等密切相关。流动状态指：上临界、下临界、层流、湍流颜色水线形态：稳定直线、稳定略弯曲、直线摆动、直线抖动、断续、完全散开等五、实验分析与讨论1．为什么上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流和紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？答：上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不同有所不同，因此在工程技术中没有实用意义。而有实际意义的是下临界雷诺数，它表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值；通常均以它作为判别流动状态的准则。（此实验为演示实验没，故无实测下临界雷诺数）2．雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数理论值为2320，而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？答：下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关。雷诺实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测得出的。而后人的大量实验很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在2000-2300之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍的圆管下临界雷诺数一般是2000。3．圆管内液流有哪几种流动状态？它们的特点如何？结合实验现象说明。答：圆管内液流有层流、湍流两种状态；层流是流体的一种流动状态，它作层状的流动。流体在管内低速流动时呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。在低雷诺数的情况下，细致地调节细管中红水的流速，当它与主流管内水流速度相近时，可以看到清水中有稳定而清晰的红色水平流线，主流管中各水层互不干扰，这种变化可以用雷诺数来量化.雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流；湍流当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、扰流或紊流。若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的湍流流场。