雷诺实验

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KQdQvdvd4RedK4d2000221.00337.010178.0ttd、减小流速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。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？根据实验测定，上临界雷诺数实测值在3000-5000范围内，与操作的快慢、水箱的紊动度、外界干扰等密切相关。有关学者做了大量实验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得到40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。只有下临界雷诺数才可以作为判别流态的标准。凡水流的雷诺数小于下临界雷诺数者为层流。一般实测下临界雷诺数为2100左右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？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20003．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。有三种，分别为直线型、波浪形、混乱型，分别对应了层流区、过渡区、湍流区的流动情形。4．为什么必须用一个保持溢流的恒压水箱来做雷诺实验？保证在阀门开度一定的条件下，流体流速保持一定，排除干扰。