--流體流動型態(tài)及臨界雷諾數(shù)的測定

1、流體流動型態(tài)及臨界雷諾數(shù)的測走一、實驗?zāi)康难芯苛黧w流動的型態(tài)，對于化學(xué)工程的理論和 工程實踐都具有決定性的意義。1883年雷諾（Reynolds）首先在 實驗裝置中觀察到實際流體的流動存在兩種不同型態(tài)層流和湍 流，以及兩種不同型態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。本實驗的目的，是通過雷諾 試驗裝置，觀察流體流動過程的不同流型及其轉(zhuǎn)變過程，測定流 型轉(zhuǎn)變時的臨界雷諾數(shù)。二、實驗原理經(jīng)許多研究者實驗證明，流體流動存在兩種截 然不同的型態(tài)，主要決定因素為流體的密度和粘度、流體流動的 速度，以及設(shè)備的幾何尺寸（在圓形導(dǎo)管中為導(dǎo)管直徑）。將這 些因素整理歸納為一個無因次數(shù)群，稱該無因次數(shù)群為雷諾準(zhǔn)數(shù)（或雷諾數(shù)），即（1）式中

2、，d為導(dǎo)管直徑，m； P為流體密 度，kgm-3； y為流體粘度，Pas； u為流體流速，ms-lo大量實 驗測得：當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)小于某一下臨界值時，流體流動型態(tài)恒為層 流；當(dāng)雷諾數(shù)大于某一上臨界值時，流體流型恒為湍流。在上臨 界值與下臨界值之間，則為不穩(wěn)定的過渡區(qū)域。對于圓形導(dǎo)管， 下臨界雷諾數(shù)為2000,上臨界雷諾數(shù)為4000時，即可形成湍流。 應(yīng)當(dāng)指出，層流與湍流之間并非是突然的轉(zhuǎn)變，而是兩者之間相 隔一個不穩(wěn)定過渡區(qū)域，因此，臨界雷諾數(shù)測定值和流型的轉(zhuǎn) 變，在一定程度上受一些不穩(wěn)定的其他因素的影響。三、實驗裝置雷諾試驗裝置主要由穩(wěn)壓溢流水槽、試驗導(dǎo)管 和轉(zhuǎn)子流量計等部分組成，如圖1所示。自

3、來水不斷注入并充滿 穩(wěn)壓溢流水槽，穩(wěn)壓溢流水槽的水流經(jīng)試驗導(dǎo)管和流量計，最后 排入下水道。穩(wěn)壓溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道，水流 量由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。圖1、雷諾實驗裝置及流程1、示蹤劑瓶；2、穩(wěn)壓溢流水槽；3、試驗導(dǎo)管；4、轉(zhuǎn)子流量計；V01、示蹤劑調(diào)節(jié)閥；2、V02、上水調(diào)節(jié)閥；V03、水流量調(diào)節(jié)閥；V04、V05、泄 水閥；V06、放風(fēng)閥。四、實驗方法實驗前準(zhǔn)備工作：(1) 實驗前，先用自來水充滿穩(wěn)壓溢流水槽。將適量示蹤劑 (紅墨水)加入貯瓶內(nèi)備用，并排盡貯瓶與針頭之間管路內(nèi)的空氣；(2)實驗前，先對轉(zhuǎn)子流量計進行標(biāo)定，作好流量標(biāo)定曲 線；(3)用溫度計測定水溫。實驗操作步驟：(1)開啟

4、自來水 閥門，保持穩(wěn)壓溢流水槽有一定的溢流量，以保證試驗時有穩(wěn)定 的壓頭。(2) 用放風(fēng)閥放去流量計內(nèi)的空氣，再少許開啟轉(zhuǎn)子流量計 后的調(diào)節(jié)閥，將流量調(diào)至最小值，以便觀察穩(wěn)定的層流流型，再 精細地調(diào)節(jié)示蹤劑管路閥，使示蹤劑(紅墨水)的注水流速與試 驗導(dǎo)管內(nèi)主流體的流速相近，一般略低于主流體的流選為宜。精 心調(diào)節(jié)至能觀察到一條平直的紅色細流為止，記下水的流量和溫 度。（3）緩慢地逐漸增大調(diào)節(jié)閥的開度，使水通過試驗導(dǎo)管的流 速平穩(wěn)地增大。直至試驗導(dǎo)管內(nèi)直線流動的紅色細流開始發(fā)生波 動時，記下水的流量和溫度，以供計算下臨界雷諾數(shù)據(jù)。（4）繼 續(xù)緩慢地增加調(diào)節(jié)閥開度，使水流量平穩(wěn)地增加。這時，導(dǎo)管內(nèi)

5、的流體的流型逐步由層流向湍流過渡。當(dāng)流量增大到某一數(shù)據(jù)值 后，示蹤劑（紅墨水）一進入試驗導(dǎo)管，立即被分散呈煙霧狀， 這時表明流體的流型已進入湍流區(qū)域，記下水的流量和溫度，以 供計算上臨界雷諾數(shù)。這樣實驗操作需反復(fù)進行數(shù)次（至少5、6次），以便取得較 為準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。實驗操作注意事項：（1）本實驗示蹤劑采用紅墨水。它由紅墨水貯瓶，經(jīng)連接軟 管和注射針頭，注入試驗導(dǎo)管。應(yīng)注意適當(dāng)調(diào)節(jié)注射針頭的位 置，使針頭位于管軸線上為佳。紅墨水的注射速度應(yīng)與主體流體 流速相近（略低些為宜），因此，隨著水流速的增大，需相應(yīng)地 細心調(diào)節(jié)紅墨水注射流量，才能得到較好的實驗效果。（2）在實驗過程中，應(yīng)隨時注意穩(wěn)壓水槽的溢流水量，隨著 操作流量的變化，相應(yīng)調(diào)節(jié)自來水給水量，防止穩(wěn)壓槽內(nèi)液面下 降或泛濫事故的發(fā)生。（3）在整個實驗過程中，切勿碰撞設(shè)備，操作時也要輕巧緩 慢，以免干擾流體流動過程的穩(wěn)定性。實驗過程有一定滯后現(xiàn) 象，因此，調(diào)節(jié)流量過程切勿操之過急，狀態(tài)確實穩(wěn)定之后，再 繼續(xù)調(diào)節(jié)或記錄數(shù)據(jù)。五、實驗結(jié)果整理(1)實驗設(shè)備基本參數(shù)試驗導(dǎo)管內(nèi)徑d二22 mm (2)實驗數(shù)據(jù)記錄及整理表1實驗數(shù)據(jù)記錄及整理表實 驗序號流量Vs溫度T粘度u密度P流速臨界雷諾數(shù)Re實驗現(xiàn) 象及流型 m3s-1 °