實驗四 雷諾實驗

實驗四流動狀態(tài)實驗----雷諾實驗一、實驗?zāi)康?.觀察層流和紊流的流態(tài)及其轉(zhuǎn)換特征;2.通過臨界雷諾數(shù)，掌握圓管流態(tài)判別準(zhǔn)則;3.學(xué)習(xí)在流體力學(xué)中應(yīng)用無量綱參數(shù)進(jìn)行試驗研究的方法，并了解其使用意義。二、實驗原理1、實際流體的流動會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)：層流和紊流，它們的區(qū)別在于：流動過程中流體層之間是否發(fā)生混摻現(xiàn)象。在紊流流動中存在隨機(jī)變化的脈動量，而在層流流動中則沒有，如圖1所示。2、圓管中恒定流動的流態(tài)轉(zhuǎn)化取決于雷諾數(shù)。雷諾根據(jù)大量實驗資料，將影響流體流動狀態(tài)的因素歸納成一個無因次數(shù)，稱為雷諾數(shù)Re，作為判別流體流動狀態(tài)的準(zhǔn)則式中——流體斷面平均流速,——圓管直徑,——流體的運動粘度,在本實驗中，流體是水。水的運動粘度與溫度的關(guān)系可用泊肅葉和斯托克斯提出的經(jīng)驗公式計算式中——水在時的運動粘度，；——水的溫度，。3、判別流體流動狀態(tài)的關(guān)鍵因素是臨界速度。臨界速度隨流體的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改變。流體從層流到紊流的過渡時的速度稱為上臨界流速，從紊流到層流的過渡時的速度為下臨界流速。4、圓管中定常流動的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時對應(yīng)的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，對應(yīng)于上、下臨界速度的雷諾數(shù)，稱為上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)。上臨界雷諾數(shù)表示超過此雷諾數(shù)的流動必為紊流，它很不確定，跨越一個較大的取值范圍。而且極不穩(wěn)定，只要稍有干擾，流態(tài)即發(fā)生變化。上臨界雷諾數(shù)常隨實驗環(huán)境、流動的起始狀態(tài)不同有所不同。因此，上臨界雷諾數(shù)在工程技術(shù)中沒有實用意義。有實際意義的是下臨界雷諾數(shù)，它表示低于此雷諾數(shù)的流動必為層流，有確定的取值。通常均以它作為判別流動狀態(tài)的準(zhǔn)則，即Re<2320時，層流Re>2320時，紊流該值是圓形光滑管或近于光滑管的數(shù)值，工程實際中一般取Re=2000。5、實際流體的流動之所以會呈現(xiàn)出兩種不同的型態(tài)是擾動因素與粘性穩(wěn)定作用之間對比和抗衡的結(jié)果。針對圓管中定常流動的情況，容易理解：減小d，減小v，加大v三種途徑都是有利于流動穩(wěn)定的。綜合起來看，小雷諾數(shù)流動趨于穩(wěn)定，而大雷諾數(shù)流動穩(wěn)定性差，容易發(fā)生紊流現(xiàn)象。6、由于兩種流態(tài)的流場結(jié)構(gòu)和動力特性存在很大的區(qū)別，對它們加以判別并分別討論是十分必要的。圓管中恒定流動的流態(tài)為層流時，沿程水頭損失與平均流速成正比，而紊流時則與平均流速的1.75～2.0次方成正比，如圖2所示。7、通過對相同流量下圓管層流和紊流流動的斷面流速分布作一比較，可以看出層流流速分布呈旋轉(zhuǎn)拋物面，而紊流流速分布則比較均勻，壁面流速梯度和切應(yīng)力都比層流時大，如圖3所示。圖1三種流態(tài)示意圖2三種流態(tài)曲線圖3圓管斷面流速分布三、實驗裝置圖4雷諾實驗裝置圖四、實驗步驟1.記錄本實驗的有關(guān)常常數(shù)（標(biāo)記于恒壓水箱正面）2.觀察兩種流態(tài)打開開關(guān)，使水箱充水至溢流水位，經(jīng)穩(wěn)定后，微微開啟流量調(diào)節(jié)閥，并注入顏色水于實驗管內(nèi)，使顏色水流成一直線。通過顏色水質(zhì)點的運動觀察管內(nèi)水流的層流流態(tài)，然后逐步開大流量調(diào)節(jié)閥，通過顏色水直線的變化觀察層流轉(zhuǎn)變到紊流的水利特征。3.測定下臨界雷諾數(shù)（1）將流量調(diào)節(jié)閥打開，使管道中流體呈完全紊流，再逐步關(guān)小流量調(diào)節(jié)閥使流量減小。當(dāng)流量調(diào)節(jié)到使顏色水在全管內(nèi)剛呈現(xiàn)出一穩(wěn)定直線時，即為下臨界狀態(tài)；（2）待管中出現(xiàn)臨界狀態(tài)時，用體積法或電測法測定流量；（3）根據(jù)所測流量計算下臨界雷諾數(shù)，并與公認(rèn)值(2320)比較，偏離過大，需重測；（4）重新打開流量調(diào)節(jié)閥，使其形成完全紊流，按照上述步驟重復(fù)測量不少于三次；（5）同時用水箱中的溫度計測量記錄水溫，從而求得水的運動粘度。注意：a.每調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥門一次，均需等待穩(wěn)定幾分鐘b.關(guān)小閥門過程中，只允許逐漸減小，不允許開大c.隨出水量減小，應(yīng)適當(dāng)調(diào)小調(diào)速器開關(guān)（右旋），以減小溢流量引發(fā)的擾動。4.測定上臨界雷諾數(shù)。逐步開啟流量調(diào)節(jié)閥，使管中水流由層流過渡到紊流，當(dāng)色水線剛開始散開時，即為上臨界狀態(tài)，測定上臨界雷諾數(shù)1~2次。五、實驗數(shù)據(jù)記錄儀器編號：

有關(guān)常數(shù)：管徑d＝25，量水箱斷面積A＝，

水溫T＝℃，運動粘性系數(shù)：v＝cm2/s表1數(shù)據(jù)記錄表格項目測次測管高程

(cm)測管高程

(cm)時間

（s）體積流速

雷諾數(shù)

上臨界雷諾數(shù)1

2

3

4

5

6

下臨界雷諾數(shù)7

8

9

101112

六、分析思考問題1、為什么本實驗要特別強(qiáng)調(diào)實驗環(huán)境安定的重要性？

2、流態(tài)判據(jù)為何采用無量綱參數(shù)，而不采用臨界流速？3、在工程中為何認(rèn)為上臨界雷諾數(shù)沒有實際意義，而采用下臨界雷諾數(shù)作為流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)？4、雷諾實驗得到的圓管中的下臨界雷諾數(shù)是2320，而目前工程設(shè)計中常采用的是2000，原因何在？七、注意事項1