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雷诺实验19雷诺实验一、实验背景1883年，雷诺通过实验发现到液流中存在着层流和湍流两种流态：流速较小时，水流有条不紊的呈现层状有序的直线运动，流层间没有质点掺混，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点做杂乱无章的无序的运动，流层间质点掺混，这种流态称为湍流。雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速0V，而0V又与流体的粘性，圆管的直径d有关。若要判别流态，就要确定各种情况下的0V值。雷诺运用量纲分析的原理，对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研究，得出了无量纲数——雷诺数eR，以此作为层流与紊流的判别依据，使复杂问题得以简化。经反复测试，雷诺得出圆管流动的下临界雷诺数值为2320，工程上，一般取之为2000。当eR2320时，管中流态为层流，反之，则为湍流。雷诺简介奥斯本雷诺（OsborneReynolds)，英国力学家、物理学家和工程师。1842年8月23日生于北爱尔兰的贝尔法斯特，1912年2月21日卒于萨默塞特的沃切特。1867年毕业于剑桥大学王后学院。1868年出任曼彻斯特欧文学院（以后改名为维多利亚大学）的首席工程学教授，1877年当选为皇家学会会员，1888年获皇家勋章，1905年因健康原因退休。他是一位杰出的实验科学家，由于欧文学院最初没有实验室，因此他的许多早期试验都是在家里进行的。他于1883年发表了一篇经典性论文──《决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨》。这篇文章以实验结果说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数Re（后称为雷诺数）作为判别两种流态的标准。他还于1886年提出轴承的润滑理论，1895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺兴趣广泛，一生著述很多，其中近70篇论文都有很深远的影响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电学、航空学、蒸汽机特性等。他的成果曾汇编成《雷诺力学和物理学课题论文集》两卷。二、实验目的要求1、观察液体流动时的层流和紊流现象。区分两种不同流态的特征，搞清两种流态产生的雷诺实验20条件，加深对雷诺数的理解。2、测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数，学习园管流态判别准则，进一步掌握层流、紊流两种流态的运动学特性与动力学特性。3、通过对颜色水在管中的不同状态的分析，加深对管流不同流态的了解。学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。三、实验装置本实验的装置如图5.1所示。图5.1自循环雷诺实验装置图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。供水流量由无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。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。雷诺实验21四、实验原理在本实验中，当流量由大逐渐变小时，流态由湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数，当流量由零逐渐增大时，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。由于上雷诺临界数受外界干扰，数值不稳定，而下临界雷诺数值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。该实验中，水箱的水位稳定，管径、水的密度与粘性系数不变，所以可以用改变管中流速的办法改变雷诺数。雷诺数的计算公式为44eVdQRkQkdd式中，eR——雷诺数，无因次量d——圆管内径V——管内平均流速——流体粘度k——计算常数Q——流体流量通过有色液体的质点运动，可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流中，有色液体与水互不混惨，呈直线运动状态，在紊流中，有大小不等的涡体振荡于各流层之间，有色液体与水混掺。见图5.2图5.2流态和对应流动图谱五、实验方法与步骤1．测记本实验的有关常数。2．观察两种流态。打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，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转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，观察由紊流转变为层流的水力特征。3．测定下临界雷诺数。雷诺实验22（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）待管中出现临界状态时，用体积法或电测法测定流量；（3）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；（4）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三次；（5）同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。注意：a、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；b、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；c、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。4．测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1～2次。六、实验成果及要求1．记录、计算有关常数：实验装置台号No_______管径dcm水温tC运动粘度2000221.00337.0101775.0ttvscm/2计算常数K3/cms2．整理、记录计算表表5.1雷诺实验23注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。七、实验分析与讨论☆1．流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？2．为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？3．雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？4．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？5．分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？相关阅读：流体的流动状态不同，流体的运动学和动力学特性就会不一样。雷诺实验揭示了圆管中流体的流动状态不仅于管内平均流速有关，同时也于圆管内直径、运动粘度有关。流动状态指流体的流动是层流流动还是紊流流动或者处于过渡段。一、层流运动学动力学特征区别：1、质点有规律地作分层流动，边界条件相同，流动现象（或图谱）会严格再现。2、断面流速按抛物线分布.3、运动要素无脉动现象.4、稳定性：实验次序颜色水线形态水体积)(3cmV时间)(sT流量3(/)Qcms雷诺数eR阀门开度增(↑)或减(↓)备注1完全散开↓弯曲断续↓稳定直线↓下临界2完全散开↓稳定直线↓下临界3稳定直线↓下临界4刚完全散开↑上临界实测下临界雷诺数（平均值）ecR实测上临界雷诺数（平均值）ecR雷诺实验24二、紊流运动学动力学特征区别：1、质点互相参混作无规则的随机运动.边界条件相同，流动现象不会再现。2、断面流速按指数规律分布.雷诺数越大，管内流速越均匀。3、运动要素发生不规则的脉动现象.