流体流动-雷诺数
流体流动-雷诺数
由此可知，对于管流来说，只在进口段内才有边界层内外之分 。
在边界层汇合处，若边界层内流动是层流，则以后的管内流动 为层流；
若在汇合之前边界层内的流动已经发展成湍流，则以后的管内流 动为湍流。
进口段内有边界层内、外之分。也分为层流边界层与湍流边界层。
进口段长度：
层流：Le/d=0.05Re 湍流：Le /d≈50
三、Re的物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关
系，标志着流体流动的湍动程度。
四、层流和湍流的比较
内部质点运动方式不同。层流流体质点作直线运动， 即流体分层运动；湍流流体在总体上沿管道向前运动， 同时还在各个方向作随机的脉动
从输送流体的角度考虑：湍流增加了能量消耗，输 送流体时不宜采用太高的流速；但从传质和传热的角 度考虑，湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减 小，有利于加大传质和传热的传递速率，所以在传质 和传热过程中，往往在输送条件的允许下尽可能提高 流体的流速。
*哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程
速度分布方程
又
1 um 2 umax
um ax
p
4l
R2
Rd 2
p
32lu
d2
——哈根-泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程
2.湍流时的速度分布
由于湍流运动的复杂性，其管内的速度分布式目前尚不
能从理论上导出，只能借助于实验数据用经验公式近似地
2000 0.001 umax 0.025 998.2 0.08m / s
故管中为湍流
1-12 流体在圆管内的速度分布 ▪速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上质点的
速度随半径的变化关系。 ▪特点：无论管内为层流还是湍流，紧贴管壁处流体质
流体流动型态及临界雷诺数的测定
实验一 流体流动型态及临界雷诺数的测定一、实验目的研究流体流动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。
1883年雷诺（Reynolds ）首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同型态——层流和湍流，以及两种不同型态的转变过程。
本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。
二、实验原理经许多研究者实验证明：流体流动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。
将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准数（或雷诺数），即()1 u d Re μρ=式中d 一导管直径，mρ一流体密度，kg ·m -3；μ一流体粘度，Pa · s ；u 一流体流速，m · s -1；大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。
在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过 渡区域。
对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。
一般情况下，上临 界雷诺数为400O 时，即可形成湍流。
应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影 响。
三、实验装置雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。
自来水不断注人并充满稳压溢流水槽。
稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。
稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。
水流量由调节阀调节。
图1雷诺实验装置及流程1．示踪剂瓶；2稳压溢流水槽；3．试验导管； 4．转子流量计；V01．示踪剂调节阀；V02．上水调节阀；V03．水流量调节阀；V04，V05-泄水阀；V06一放风阀。
工程流体力学中的雷诺数与流动特性
工程流体力学中的雷诺数与流动特性工程流体力学是研究涉及流体在工程结构中的运动与流动的科学。
在工程流体力学中，雷诺数（Reynolds number）是一个重要的无量纲参数，它描述了流体流动的特性与流体动力学行为的相对重要性。
雷诺数的值对流动的稳定性、湍流产生与传输的发生以及阻力和摩擦的形成有很大的影响。
雷诺数的定义是根据流体内部粘性力和惯性力的相对作用来确定的。
数值上，雷诺数是惯性力与黏性力的比值。
具体地，雷诺数的计算公式为：Re = ρvd/μ，其中ρ是流体的密度，v是流体的速度，d是表征流体流动尺度的特征长度，μ是流体的动力粘度。
当雷诺数小于临界雷诺数时，流体运动是属于层流流动，流速分布是有序、稳定的；当雷诺数大于临界雷诺数时，流体运动会出现湍流现象，流动变得混乱、不规则，速度分布不均匀。
临界雷诺数的大小与流动的具体情况有关，但一般情况下层流转为湍流的临界雷诺数大约在2000左右。
雷诺数与流动特性之间的关系是工程流体力学中的基本问题之一。
当雷诺数较小时，流体的内摩擦力占主导地位，流动的特性可以用层流流动理论来描述。
层流流动具有稳定的流速分布、低阻力和能量损失少的特点。
例如，水管中的水流、气候系统中的大规模对流等。
但当雷诺数大于临界值时，流体中的惯性力开始占主导地位，流动失去稳定性，湍流现象会发生。
湍流流动具有速度剧烈变化、流动结构复杂、湍流能量耗散的特点。
湍流对工程流体力学的研究具有重要意义，因为湍流现象会增加流体流动的阻力和能量损失，对工程设备的性能和工程结构的稳定性产生影响。
例如，飞机翼在飞行中所受到的湍流阻力、管道内流体的能量损失等。
研究雷诺数与流动特性的基本方法是通过实验和数值模拟来获得流动的参数和流体的运动规律。
实验方面，可以通过流速测量、压力测量、流动可视化等方法得到流体的相关信息，从而确定雷诺数与流动特性之间的关系。
数值模拟方面，基于流体力学方程的数值求解可以模拟流体的运动行为，通过改变雷诺数等参数来研究流动特性的变化。
流体流动型态及临界雷诺数的测定实验报告
六、实验原始数据记录
实验管道d=1.8X10-2m管道截面积A=2.5X10-4m2
水的密度 =998kg/m3水的粘度μ=105X10-3Pa.s
(2)用放风阀放去流量计内的空气，再稍微开启转子流量计调节阀,将流量调至最小值，以便观察稳定的层流形型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂的注水流速与实验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一-条平直的细流为止。
(3)缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大,直至试验导管内直线流动的细流开始发生波动。记下水的流量和温度数据,以计算下临界雷诺数。
化学工程与工艺专业
化工原理实验报告
姓名
学院
专业班级
学号
指导教师
实验日期
评定成绩：
评阅人：
流体流动型态及临界雷诺数的测定实验报告
一、实验目的
（1）学习和观察流体的流动形态,并对层流和湍流的现象进行比较。
（2）了解转子流量计的原理、结构和使用。
（3）了解雷诺实验装置。
二、实验基本原理
经许多研究者实验证明流体流动存在两种截然不同的形态,主要决定因素为流体的密度和黏度、流体流动的速度,以及设备的几何尺寸(圆形管道中为管道直径),将这些因素整理归纳为一个无因数群,称该无因数群为雷诺准数(或雷诺数),即:
(2)在实验过程中,应随时注意稳压水槽的溢流水量.随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。
(完整版)雷诺数介绍
雷诺数介绍测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。
雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。
流体流动时的惯性力 F g 和粘性力( 内摩擦力)F m 之比称为雷诺数。
用符号Re 表示。
Re 是一个无因次量。
式中的动力粘度η 用运动粘度υ 来代替，因η＝ρυ，则式中：l υ ——流体的平均速度；l l ——流束的定型尺寸；l ρ、η 一一在工作状态；流体的运动粘度和动力粘度l ρ ——被测流体密度；由上式可知，雷诺数Re 的大小取决于三个参数，即流体的速度、流束的定型尺寸以及工作状态下的粘度。
用圆管传输流体，计算雷诺数时，定型尺寸一般取管道直径(D) ，则用方形管传输流体，管道定型尺寸取当量直径(D d ) 。
当量直径等于水力半径的四倍。
对于任意截面形状的管道，其水力半径等于管道戳面积与周长之比．所以长和宽分别为 A 和B的矩形管道，其当量直径对于任意截面形状管道的当量直径，都可按截面积的四倍和截面周长之比计算，因此，雷诺数的计算公式为雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。
雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re ＜2000 为层流状态，Re ＞4000 为紊流状态，Re ＝2000 ～4000 为过渡状态。
在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ 与最大流速υ max 的比值也是不同的。
因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。
下图表示光滑管道的雷诺数ReD 与速度比V/Vmax 的关系。
光滑管的管道雷诺数Re p 与速度比V/Vmax 的关系试验表明，外部条件几何相似时( 几何相似的管子，流体流过几何相似的物体等) ，若它们的雷诺数相等，则流体流动状态也是几何相似的( 流体动力学相似) 。
这一相似规律正是流量测量节流装置标准化的基础。
流体流型及临界雷诺数的测定
流体流型及临界雷诺数的测定一、实验目的与要求1.观察流体在管内流动的两种不同流型；2.测定临界雷诺数；3.掌握转子流量计的校正。
二、实验原理实际流体在流过固体壁面时，由于流体对壁面有附着力，将在壁面上粘附一层静止的流体，这层流体的分子仅因扩散作用而运动。
同时，实际流体分子间有吸引力；壁面上静止的流体层对其临近的流体层起约束作用，阻碍该层流体的流动，但离开壁面越远，则约束作用越小。
因此，流体在流动时在靠近壁面范围内是流体层与层之间的相对运动。
要使流体产生上述的相对运动，需要克服流体流动时的内摩擦力，也即需要克服一定的阻力。
此外，当流体流动激烈而呈紊乱状态时，流体间产生大量涡旋和扰动，也消耗流动的能量，消耗的能量转化为热能而提高了流体的热力学能（内能）。
流体流动的阻力与流体的性质（如粘度等）、流体流动形态、导管的长度、管径、壁面情况以及流动时的变动状态（如缩小、扩张等）有关。
粘度—是流体内部摩擦力的表现，是流体的重要物性参数之一。
流体的粘度越大，流体的流动性越小。
相邻的两层流体之间，层间的接触面积为A，层间距离为δ，为使层间产生相对运动ω时必须加上相应的剪切力F。
实验证明，所应加予的力F与层间接触面积A和相对速度ω成正比，而与层间距离成反比，这一关系称为牛顿粘性定律，这类流体称为牛顿型流体。
F=µAω/δτ=F/A=µω/δµ—比例系数，即流体的粘度。
各种流体有其本身的粘度，其值随外界条件而改变，单位为Pa.s；τ—剪应力，单位Pa。
流体的粘度主要通过实验测定，大多数纯物质的粘度可以从手册和有关资料中查得。
在这些资料中，粘度的单位常用泊（p）或厘泊（cp）表示。
国际单位制中，粘度的单位是Pa.s（基本单位是Kg.m-1.s-1），是指相距为1m，接触面积为1m2的流体产生相对运动为1m.s-1所需的力（N）。
它与泊的换算关系为1p=0.1Pa.s液体的粘度受压强的影响很小，但随温度的升高而显著降低。
判断流体流动形态的参数
判断流体流动形态的参数一、雷诺数（Reynolds number）雷诺数是流体力学中常用的一个无量纲参数，用来描述流体在流动过程中惯性力与黏性力之间的相对作用大小。
它的计算公式为Re = ρvL/μ，其中ρ为流体密度，v为流体流速，L为特征长度，μ为流体动力粘度。
当雷诺数小于一定阈值时，流动形态会呈现层流状态；当雷诺数超过一定阈值时，流动形态会由层流转变为湍流。
通过测量流体的密度、流速、特征长度和动力粘度，可以判断流体流动形态的转变。
二、马赫数（Mach number）马赫数是流体力学中用来描述流体流动速度与声速之比的无量纲参数。
它的计算公式为Ma = v/c，其中v为流体流速，c为流体中的声速。
当马赫数小于一时，流动形态为亚音速流动；当马赫数接近或超过一时，流动形态为超音速流动。
通过测量流体的流速和流体中的声速，可以判断流体流动形态的变化。
三、流动的压力梯度（Pressure gradient）流动的压力梯度是指单位长度内流体压力的变化率。
在层流状态下，流体的压力梯度会导致流体流速的变化，但不会引起流动形态的改变；而在湍流状态下，流体的压力梯度会导致流动形态的剧烈扰动，使流体呈现无规则的涡旋结构。
通过测量流体压力的变化，可以判断流体流动形态的转变。
四、雷诺剪切应力（Reynolds shear stress）雷诺剪切应力是指在湍流状态下流体流动时，由于流体的不规则运动而引起的剪切应力。
该剪切应力会使流体流动形态变得复杂，产生各种涡旋结构和湍流尺度。
通过测量流体中的雷诺剪切应力，可以判断流体流动形态是否为湍流。
五、流动的能量损失（Energy loss）流动的能量损失是指流体在流动过程中由于黏性耗散等因素而损失的能量。
在层流状态下，由于黏性耗散较小，流动的能量损失也相对较小；而在湍流状态下，由于湍流的剧烈扰动，流动的能量损失较大。
通过测量流体流动过程中的能量损失，可以判断流体流动形态的转变。
六、流动的噪声特性（Noise characteristics）流动的噪声特性是指流体在流动过程中产生的噪声。
流体流动类型及临界雷诺数的测定实验报告(华南师范大学)
实验二流体流动类型及临界雷诺数的测定一、实验目的1.观察流体流动过程中不同的流动型态及其变化过程；2.测定流动型态变化时的临界雷诺数二、实验原理流体充满导管作稳态流动时基本上有两种明显不同的流动型态：滞流（也叫层流）和湍流。
当流体在管中作滞流流动时，管内的流体各个质点沿管轴作相互平行而有规则的运动，彼此没有明显的干扰。
当流体作湍流流动时，各个质点紊乱地向各个不同的方向作无规则的运动。
流体的流动型态不仅与流体的平均流速有关，还与流体的粘度μ、密度ρ和管径d等因素有关。
也就是说流体的流动型态取决于雷诺准数的大小。
R=d（2－1）式中：d——管子内径（m）u——流体流速（m/s）ρ——流体密度（kg/m3）μ——流体粘度（Pa•s或kg/m•s）根据雷诺实验，流体在平直圆管中流动时，当雷诺数小于某一临界值时为滞流（或层流）；当雷诺数大于某一临界值时为湍流；当雷诺数介于二者之间时则为不稳定的过渡状态，可能为滞流，也可能为湍流。
对于一定温度下的某种介质在特定的圆管内流动时，流体的粘度μ、密度ρ和管径d等均为定值，故雷诺数Re仅为流体平均流速u的函数。
流体的流速确定后，雷诺数即可确定。
流体流动型态发生变化时的流速称为临界速度，其对应的雷诺数称为临界雷诺数。
本实验以水为介质、有色溶液为示踪物，使其以不同的流速通过平直玻璃管，便可观察到不同的流动型态，同时根据流动型态的变化，可确定临界速度与临界雷诺准数。
三、实验装置本实验装置如图2-1所示，主要由稳压溢流水槽5、试验导管（内径24.2mm）6、缓冲水槽5和转子流量计6组成。
水由循环水泵供给或直接由自来水龙头输入稳压溢流水槽，经稳压后流经试验导管、缓冲水槽及转子流量计，最后流回低位水槽或排入下水道，稳压溢流槽溢流出来的水也返回低位槽或排入下水道。
示踪物由液瓶1经调节夹10、试验导管3……至下水道。
图2-1雷诺试验装置六、实验步骤1.雷诺实验的过程(1)关闭流量调节阀10、7、9,打开进水阀3,使自来水充满水槽, 并使其有一定的溢流量。
流体流动的雷诺数和马赫数
流体流动的雷诺数和马赫数流体力学是研究流体在不同条件下运动规律的学科，其中雷诺数和马赫数是流体流动中非常重要和常用的两个参数。
本文将为大家详细介绍雷诺数和马赫数的概念、计算方法以及实际应用。
一、雷诺数的概念和计算方法雷诺数是描述流体流动稳定性与湍流转变的一个无量纲参数，由法国物理学家雷诺提出。
它的定义是流体的惯性力与粘性力的比值。
当雷诺数小于一定的临界值时，流体呈现稳定流动状态，流线整齐，不产生湍流现象；当雷诺数超过临界值时，流体发生湍流，流线变得复杂和混乱。
雷诺数的计算公式如下：Re = ρvL/μ其中，Re代表雷诺数，ρ是流体的密度，v是流体的流速，L是流动的特征长度，μ是流体的动力粘度。
二、雷诺数的应用雷诺数在实际应用中有着广泛的用途，以下是一些常见的应用领域：1. 工程设计：在工程设计中，雷诺数被广泛用于判断流体力学系统中流动的稳态与湍流态。
通过根据工程要求计算雷诺数，可以对流体力学系统进行合理设计和优化。
2. 管道流体输送：雷诺数可以用来判断管道内流体的流动状态和流速，对于设计液体或气体的输送管道有重要指导意义。
3. 飞行器设计：在飞行器设计中，雷诺数可以用来分析空气对飞行器的影响，并帮助确定飞行器的气动特性。
4. 湍流研究：雷诺数在湍流研究中起到了重要作用，通过计算雷诺数可以确定流体在不同条件下湍流的发生与否，进一步研究湍流的特性和行为。
三、马赫数的概念和计算方法马赫数是描述流体流动速度与声速之比的一个无量纲参数，用来衡量流体流动速度接近或超过声速时的特性。
马赫数的计算公式如下：Ma = v/c其中，Ma代表马赫数，v是流体的流速，c是流体的声速。
四、马赫数的应用马赫数在航空航天领域具有重要意义，以下是一些常见的应用领域：1. 超音速飞行器设计：马赫数可以用来评估超音速飞行器的性能和特性，对于超音速飞行器的空气动力学设计和结构强度计算具有重要作用。
2. 燃烧室设计：在火箭发动机的燃烧室中，马赫数可以用来评估燃烧室内部燃烧过程的速度和压力变化，为燃烧室设计和优化提供依据。
流体力学
2.1 流体流动形态与雷诺数的测定一、实验目的1.了解流体的流动型态，观察实际的流线形状，判断其流动类型；2.熟悉雷诺准数的测定和计算方法；3.确立“层流和湍流与Re 之间有一定关系”的概念； 二、基本原理流体流动有两种不同型态，即层流（滞流）和湍流（紊流）。
流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，湍流时质点在沿管轴流动的同时还作杂乱无章的随机运动。
雷诺数是判断流动型态的准数。
若流体在圆管内流动，则雷诺数可用下式表示：μρdu =Re （2-1）式中：d ——圆管内径，m ； u —— 流速，m/s ；ρ—— 流体密度，kg/m 3； μ——流体粘度，Pa ·s 。
层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c 表示。
工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re<2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re 在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re 数范围为过渡区。
式（1－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。
本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。
三、实验装置及流程实验装置如图1－1所示。
主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为220⨯φmm 硬质玻璃。
1－红墨水储槽；2－溢流稳压槽；3－实验管；4－转子流量计；5－循环泵；6－上水管；7－溢流回水管；8－调节阀；9－储水槽；63789图2－1 流体流型演示实验实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。
待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。
水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。
水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。
不同流体的临界雷诺数
不同流体的临界雷诺数1. 引言在我们日常生活中，流体无处不在，无论是喝水、洗澡，还是游泳，流体的行为总是围绕着我们。
而提到流体的流动，我们不得不提到一个非常重要的概念，那就是“临界雷诺数”。
听上去有点复杂，但其实这玩意儿跟我们生活中的很多事情都有关系，今天就来聊聊它！1.1 临界雷诺数是什么？首先，临界雷诺数到底是什么呢？简单来说，它是一个用来判断流体流动状态的数字。
当这个数字达到某个值时，流体的流动就会从“层流”转变为“湍流”。
想象一下，当你轻轻地搅拌一杯咖啡，前面是平静的，后面搅动的地方却开始冒出小漩涡，这就是流动状态的变化。
层流就像是一群乖乖排队的小朋友，而湍流则像是一群疯玩的小孩，完全没了秩序。
1.2 雷诺数的影响因素而影响雷诺数的因素其实有很多，包括流体的速度、密度和粘度等等。
就像你在游泳池中游泳，水流越快，你的感觉就会越明显，像是被水流冲击，想要往前进就得更费力。
每种流体都有自己独特的特性，比如水比油流动起来要容易很多，这是因为水的粘度比油低。
2. 不同流体的临界雷诺数2.1 水的临界雷诺数那么，咱们先来看看水的临界雷诺数。
水的临界雷诺数大约是2000，也就是说，当流速超过这个数值时，水流就会变得相当疯狂，出现湍流。
想象一下，如果你在池塘里扔了一颗石头，起初水面是平静的，随着石头的落入，波纹逐渐扩散开来，直到水面上变得波涛汹涌，简直就是一场小型的水上狂欢。
2.2 油的临界雷诺数再来看油。
油的临界雷诺数通常较高，差不多在3000以上。
这也就是为什么在厨房里煎炸食物时，你会发现油的流动更加平滑。
油就像是个乖乖的孩子，虽然在高温下也会变得疯狂，但总体来说，它会乖乖地跟着你跑，而不会像水那样四处乱窜。
3. 现实中的应用3.1 工程领域的应用说到这些，咱们不得不提一下工程领域。
临界雷诺数在设计管道和泵的时候可是个大活宝！工程师们会根据流体的性质来选择合适的管道直径和流速，以确保流动既高效又安全。
流体流动类型与雷诺准数
流体流动类型与雷诺准数流体的流动类型，首先由雷诺(Reynolds)用实验进行了观察。
在雷诺实验装置(图1-14)中，有一入口为喇叭状的玻璃管浸没在透明的水槽内，管出口有调节水流量用的阀门，水槽上方的小瓶内充有有色液体。
实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中心处的针状细管流入管内。
从有色流体的流动情况可以观察到管内水流中质点的运动情况。
流速小时，管中心的有色流体在管内沿轴线方向成一条轮廓清晰的直线，平稳地流过整根玻璃管，与旁侧的水丝毫不相混合，如图1-15(a)所示。
此实验现象表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动。
当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，呈直线流动的有色细流便开始出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；速度再增，细线的波动加剧，然后被冲断而向四周散开，最后可使整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色，如图1-15(b)所示。
显然，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。
上述实验表明：流体在管道中的流动状态可分为两种类型。
当流体在管中流动时，若其质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，如图1-15(a)所示，质点之间互不混合。
因此，充满整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动，这种流动状态称为层流(laminar flow)或滞流(viscous flow)。
当流体在管道中流动时，若有色液体与水迅速混合，如图1-15(b)所示，则表明流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都有时发生变化，于是质点间彼此碰撞并互相混合，这种流动状态称为湍流(turbulent flow)或紊流。
根据不同的流体和不同的管径所获得实验结果表明：影响液体类型的因素，除了流体的流速外，还有管径d，流体密度ρ和流体的粘度μ。
u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。
雷诺得出结论：上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。
这数群称为雷诺准数或雷诺数(Reynolds number)，用Re表示。
流体流动型态及临界雷诺数的测定实验报告
流体流动型态及临界雷诺数的测定实验报告实验流程
本次练习实验的目的是通过测量流体池头下的实际水柱高度来测定流体的流动模态，并测量临界雷诺数。
实验采用实验室研究型水池模型，可以控制供水进口处的水压，同时可以调节供水量。
实验设备
该实验使用一台实验室研究型水池模型，其由池头、池底、传动装置三个部分组成，池头、传动装置均以布料袋封装，一个圆形池头水柱下设有游标，可以拔出以读取高度。
同时，实验也使用了实验室的超声波流量计设备，可以准确的读取水流的流量大小。
实验步骤
本次实验共进行了两个步骤，即流体流动型态的测试和临界雷诺数的测试。
第一步，进行流体流动型态的测试，具体操作为：控制水池头部水压，从而改变池头出水口的水柱高度，并同时读取超声波流量计仪器测量水流的流量；在不同的水柱高度下曲线图中观察流量和压力的变化，测试出当前流动处于不同模态。
第二步，进行临界雷诺数的测试，具体测试步骤为：在当前节流装置下，不断调节水池头部的水压，直至出现喷射水柱高度的跳变，测量该调节时的泵头压力，可以得到临界雷诺数。
实验结果
在实验过程中，本组测得流动型态及临界雷诺数的数据如下：
流动型态：
在低位水柱压力下，流量低且稳定，表明当前处于静态流动状态；
在高位水柱压力下，流量急剧增长，波动较大，此时处于空蚀叶栅状态；
临界雷诺数测定：调节泵头水压至46 Kpa时，出现了水柱压力跳变，说明当前流动模式正处于临界状态，此时记录的临界雷诺数为77。
实验结论
本次实验成功测定了当前流体流动型态及临界雷诺数，实验证明研究型水池模型有效通过水柱高度和流量等参数以测得流体各种流动状态以及临界雷诺数，可以形成时空变化参数曲线。
流体流动形态及雷诺数的测定思考
流体流动形态及雷诺数的测定思考篇一：流体流动形态及雷诺数的测定是流体力学中非常重要的基本概念,能够用于描述流体在不同条件下的流动形态和特性。
本文将介绍流体流动形态的基本概念和雷诺数的测定方法,并探讨在实际应用中如何运用这些概念和数值方法来研究流体流动。
一、流体流动形态的基本概念流体流动形态是指流体在流动过程中所表现出来的形态,包括流动方向、速度分布、涡旋形成和流态变化等。
其中,流动方向是描述流体流动的主要手段,而流态变化则是流动形态的重要组成部分。
在流体力学中,流动方向通常通过矢量流方向来描述,即流体质点在空间中沿着矢量方向的运动方向。
在自由流动中,流体质点的运动是随机的,因此在空间中会产生许多涡旋。
涡旋的大小和数量可以通过流体质点的速度分布和雷诺数来描述。
雷诺数(Reynolds number,Rn)是衡量流体涡旋强度的重要指标,它是流体质点速度分布的一个参数。
Rn值越小,表示流体涡旋越强,流动越稳定。
在自由流动中,Rn值通常在0.2-1之间,但在不同的流动条件下,Rn值的范围会有所不同。
例如,在湍流流动中,Rn值可能会更高,因为湍流流动中有更多的涡旋存在。
二、雷诺数的测定方法雷诺数的测定方法通常包括统计方法和非统计方法。
统计方法是指通过对流体运动进行数值模拟,计算出流体的雷诺数。
这种方法通常需要使用数值模拟软件,例如DNS(Direct Numerical Simulation)和LES(Large Eddy Simulation)等。
通过数值模拟,可以计算出流体在不同条件下的雷诺数,并与其他指标进行比较。
非统计方法是指通过对流体运动进行物理实验,测量流体的雷诺数。
这种方法通常需要进行实验设计和实验操作,并且需要使用专业的实验设备和技术。
三、在实际应用中如何运用流体流动形态及雷诺数的基本概念和数值方法在实际应用中,流体流动形态及雷诺数的基本概念和数值方法可以用于许多不同的领域。
例如,在航空航天领域,可以使用流体流动形态及雷诺数的基本概念和数值方法来研究飞行器的飞行特性,从而提高飞行器的安全性和可靠性。
流体力学中的雷诺数与流动分析
流体力学中的雷诺数与流动分析流体力学是研究流动物体的行为和特性的一门学科，广泛应用于工程学、物理学和地球科学等领域。
而在流体力学的研究中，雷诺数是一个非常重要的参数，用来描述流体运动的不稳定性和流动分析。
雷诺数是以法国物理学家雷诺的名字命名的，它是一个无量纲值，用于判断流体的性质和行为。
雷诺数的定义是流体的惯性力与粘性力的比值，具体计算方法是将流体的特征尺度乘以流体的速度并除以流体的粘性系数。
在流动中，存在着慢速流动和快速流动两种状态。
当雷诺数较小时，即流体的惯性力相对于粘性力较小时，流体的流动状态趋于稳定，称为慢速流动。
而当雷诺数较大时，即流体的惯性力相对于粘性力较大时，流体的流动状态往往较为复杂和不稳定，称为快速流动。
在工程学中，雷诺数常常被用来研究流体在管道、河流等通道中的流动特性。
例如，在水力工程中，研究水的流动速度、管道的阻力和水流的稳定性都需要考虑雷诺数。
当雷诺数较高时，流体的流动可能变得湍流，流速变化不规则，产生阻力的同时也会带来压力损失。
而当雷诺数较低时，流体的流动是层流的，流速变化较为规则，阻力相对较小。
除了在工程学中的应用，雷诺数在物理学和地球科学等领域也有广泛的应用。
例如，在天气预报和气候模拟中，科学家们可以利用雷诺数来研究大气中的空气流动和湍流现象，从而更好地理解天气变化和气候演变。
此外，在飞机设计和航天器研究中，雷诺数也扮演着重要的角色。
由于飞行器的速度较快，雷诺数往往比较大，流体的流动状态较为复杂。
因此，科学家和工程师需要通过流场模拟和飞行试验等方法来分析和改进飞行器的空气动力学性能，确保其稳定性和安全性。
在流体力学的研究中，雷诺数不仅是一个重要的参数，也是一个重要的工具。
通过合理地选择和计算雷诺数，研究人员可以更好地理解流体的行为和特性，从而推动科学和工程的发展。
而随着计算机技术和数值模拟方法的不断进步，人们对雷诺数和流动分析的研究将会更加深入，为我们提供更多的应用和发展机会。
流体力学中的雷诺数与流动稳定性
流体力学中的雷诺数与流动稳定性流体力学是研究流体力学特征和行为的科学领域。
雷诺数是在流体力学中广泛使用的一个参数，它与流动的稳定性密切相关。
本文将介绍雷诺数的概念以及其与流动稳定性之间的关系。
一、雷诺数的定义及作用雷诺数是法国工程师雷诺（Reynolds）提出的一个无量纲参数，用于描述流体流动中惯性力与黏性力之间的相对重要程度。
它的定义如下：雷诺数（Re）= 流体的惯性力 / 流体的黏性力其中，流体的惯性力可以通过流体密度（ρ）、流速（V）和特征尺寸（L）来表示；流体的黏性力可以通过黏度（μ）来表示。
雷诺数的作用在于判断流体流动的稳定性。
当雷诺数较小时，流动属于层流，即流体呈现规律的层状流动。
当雷诺数较大时，流动将发生突变，呈现不规律的湍流状态。
因此，雷诺数与流动的稳定性密切相关。
二、雷诺数与流动稳定性的关系1. 小雷诺数下的层流当雷诺数较小时（通常小于约2300），流体流动呈现层流状态。
层流的特点是流体流速在垂直方向上变化平稳，流线密集且并行。
这是因为在小雷诺数下，流体的黏性力占据主导地位，惯性力相对较小，流体分子间的相互作用较为明显。
层流具有较高的稳定性，在管道流动等应用中较为常见。
例如，当水从水龙头中喷出时，即使水流量变化，流体的层流状态也可以保持相对稳定。
2. 大雷诺数下的湍流当雷诺数较大时（通常大于约2300），流体流动呈现湍流状态。
湍流的特点是流体流速不规则，流线交错、纠缠。
这是因为在大雷诺数下，流体的惯性力超过黏性力，流体分子间相互作用较弱，流体流动呈现不规则的漩涡和旋涡结构。
湍流具有较低的稳定性，在许多情况下会带来不利影响。
湍流流动会增加能量损失、造成管道阻力增加、噪音增加等问题。
因此，在设计流体系统时，需要考虑湍流的影响，并采取相应的措施来减少湍流的生成和发展。
三、雷诺数的应用领域1. 管道流动管道流动是雷诺数的一个重要应用领域。
通过计算雷诺数，可以判断管道内的流动状态是层流还是湍流。
各种情况下湍流层流雷诺数的判断
各种情况下湍流层流雷诺数的判断湍流和层流是流体力学中常用的两种流动状态。
湍流是指流体中存在的无序、混乱的流动状态，而层流则是指流体中存在的有序、稳定的流动状态。
雷诺数是描述流体流动状态的一个无量纲参数，用来判断流动是湍流还是层流。
下面将根据不同情况下的湍流层流雷诺数的判断进行详细介绍。
1. 液体在管道内的流动状态：当液体在管道内的流速较小时，流动状态通常为层流。
此时的雷诺数Re较小，它可以通过以下公式计算得到：Re = (ρVD)/μ，其中ρ为液体密度，V为流速，D为管道直径，μ为液体的黏度。
当雷诺数小于一定阈值（通常为2000），流动状态为层流；当雷诺数大于阈值，流动状态变为湍流。
这是因为在流速较小时，流体分子之间的相互作用较强，流动较为有序；而当流速增加到一定程度时，流体分子之间的相互作用减弱，流动变得混乱，形成湍流。
2. 气体在管道内的流动状态：与液体不同，气体在管道内的流动状态通常都是湍流。
这是因为气体的黏度较小，流体分子之间的相互作用较弱，流动容易变得混乱。
因此，在气体流动中，雷诺数的判断阈值通常较小，一般为阈值为200。
当雷诺数小于阈值时，流动状态仍然为层流；而当雷诺数大于阈值时，流动状态变为湍流。
3. 外流体流动状态：在自然界中，湍流和层流的流动状态也存在着差异。
当空气在地面上的流动状态较为平稳时，流动状态通常为层流。
此时的雷诺数较小，流动较为有序。
而在大气中，气流受到地壳表面的摩擦力和不均匀加热的影响，容易形成湍流。
当气流速度较大，流动状态变为湍流，雷诺数也相应增大。
4. 水流在河流中的流动状态：水流在河流中的流动状态通常是湍流。
这是因为在河流中，水流受到地形的影响，流速和流向都会发生变化，从而容易导致湍流的形成。
此时的雷诺数较大，流动状态为湍流。
湍流和层流的流动状态可以通过雷诺数来判断。
当雷诺数小于一定阈值时，流动状态为层流；当雷诺数大于阈值时，流动状态为湍流。
不同的流体和不同的流动环境下，雷诺数的判断阈值也会有所不同。
雷诺数与流体流动状态的关系
雷诺数与流体流动状态的关系雷诺数是流体力学中的一个重要无量纲参数，它描述了流体流动的稳定性和湍流发展的特征。
雷诺数与流体流动状态密切相关，不同的雷诺数对应着不同的流动特性。
雷诺数（Re）是由法国物理学家雷诺提出的，它是以雷诺的名字命名的。
雷诺数的定义是流体的惯性力与黏性力的比值。
在流体中，惯性力是由流体的密度和速度决定的，而黏性力则是由流体的黏度和速度梯度决定的。
雷诺数越小，流体流动越稳定。
当雷诺数小于临界雷诺数时，流体流动是层流的，流线整齐、平行，并且没有明显的湍流涡旋。
在层流状态下，流体粒子之间的相互作用较小，流动稳定，具有较小的能量损失。
当雷诺数大于临界雷诺数时，流体流动变得不稳定，出现湍流现象。
湍流是流体流动中的一种复杂状态，流线交错、涡旋形成，并且有明显的能量耗散和混合。
湍流状态下，流体粒子之间的相互作用增强，流动不稳定，具有较大的能量损失。
雷诺数与流体流动状态的关系可以用以下公式表示：Re = ρul/μ其中，Re为雷诺数，ρ为流体的密度，u为流体的速度，l为流体流动的特征长度，μ为流体的黏度。
由于要求不输出公式，所以这里不再展示具体的计算公式。
雷诺数与流体流动状态的关系可以总结为以下几点：1. 当雷诺数很小时（Re<2000），流体流动是层流状态。
层流状态下，流体粒子之间的相互作用较小，流动稳定，流线整齐、平行。
2. 当雷诺数增大到一定程度时（2000<Re<4000），流体流动开始出现转捩现象，从层流状态向湍流状态过渡。
此时，流线开始出现波动和扰动，湍流涡旋开始形成。
3. 当雷诺数进一步增大时（Re>4000），流体流动进入湍流状态。
湍流状态下，流体粒子之间的相互作用增强，流动不稳定，流线交错、涡旋形成，并且有明显的能量耗散和混合。
4. 雷诺数越大，湍流现象越明显。
湍流状态下，流体流动具有较大的能量损失和阻力，对于工程设计和流体传输等应用具有重要影响。
雷诺数与流体流动状态密切相关，不同的雷诺数对应着不同的流动特性。
流动类型与雷诺准数
注意：在计算非圆形管内流体的流速u时，应使用真实的 截面积A计算，u =qv/A。不能使用de计算截面积。
例题：温度为400C的水以8m3/h的流量流过套管换热器的环隙通道。套管
换热器由直径Φ57mm×3mm与Φ32mm×2.5mm的无缝钢管同心组装而成， 试求水流过环隙时每米管长因克服流动阻力而引起的压力降。取钢管的粗 糙度为0.1mm。
0.00000 0.000001
0.09 0.08 0.07 0.06 0.05
0.04 Re
0.03 0.025
0.02
0.015
0.01
d 0.009u
0.008
2
103
Re,
d
d
4 68 2 104
u
4 68 2 4 68 2
105
du106
层雷诺流数R底e 层
0.0322 )
1.795m
/
s
Re deu 0.019 1.795 992 .3 51584 4000
65.6 10 5
流型属于湍流
0.1103 0.00526
de 0.019
Re = 51584
查图1-28, λ=0.025
p f
R
(
l de
u2 2
)
0.025
992 .21.795 2
3.2 流动类型与雷诺准数
3.2.1 实验现象及流动类型 流体质点只有轴向运动（层流或滞流）
流体质点除有轴向运动外，还有径向运动。 （过渡流）
流体质点除有轴向运动和径向运动外， 还相互碰撞和混合。 （湍流或紊流）
3.2.2 雷诺准数（雷诺数）(Reynolds Number)
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边界层区（边界层内）： 沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力
不可忽略。 主流区（边界层外）：
速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体 。
边界层流型：分为层流边界层和湍流边界层。
层流边界层： 在平板的前段，边界层内的流型为层流。
表达，以下为一种常用的指数形式的经验式：
湍流速度分布的 经验式：
.
ur
umax1
r
n
R
n与Re有关
靠近管壁处速度梯度较大，管中心附近速度分布 比较均匀。
管内流体的Re值越大，湍动程度越高，曲线顶
部越平坦。
通常的流体输送情况下，湍流时管内
流体的平均速度：
u
VS A
0.82umax
υmax
图 1-21 管内湍流时的速度分布
湍流边界层： 离平板前沿一段距离后，边界层层内的流型转为湍流。
流体在圆管内流动时的边界层
如图所示。流体进入圆管后在入口处形成边界层，随着流体向前 流动，边界层厚度逐渐增加，直至一段距离（进口段）后，边界层 在管中心汇合，占据整个管截面，其厚度不变，等于圆管的半径， 管内各截面速度分布曲线形状也保持不变，此为完全发展了的流动 。
2000 0.001 umax 0.025 998.2 0.08m / s
故管中为湍流
1-12 流体在圆管内的速度分布 ▪速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上质点的
速度随半径的变化关系。 ▪特点：无论管内为层流还是湍流，紧贴管壁处流体质
点的流速总为零，到达管中心处达到最大。
1.层流时的速度分布
由此可知，对于管流来说，只在进口段内才有边界层内外之分 。
在边界层汇合处，若边界层内流动是层流，则以后的管内流动 为层流；
若在汇合之前边界层内的流动已经发展成湍流，则以后的管内流 动为湍流。
进口段内有边界层内、外之分。也分为层流边界层与湍流边界层。
进口段长度：
层流：Le/d=0.05Re 湍流：Le /d≈50
两种流动形态：
层流(或滞流)：流体质点仅沿着与管轴平行的方向 作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；
湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前 流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方 向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
二、流型判据——雷诺准数
Re du
无因次数群
*判断流型 Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可能是 湍流，该区称为不稳定的过渡区。
面对流体的阻碍，与壁面相接触的流体速度降为零。
由于流体的粘性作用，紧连着这层流体的另一流体层速度 也有所下降。
随着流体的向前流动，流速受影响的区域逐渐扩大，即 在垂直于流体流动方向上产生了速度梯度。 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降 为主体流速的99％以内的区域。
流体在平板上流动时的边界层：
流体达到充分发展所需 的管长称为进口段长度， 用Le表示
2.边界层的分离 当定常均匀流动的流体流过流道逐渐扩大的壁面或流道形状和 尺寸突然改变时，原来紧贴壁面前进（壁面处速度为零）的边 界层会离开壁面，形成一个以零速度为标志的间断面，间断面 的另一侧为主流去，另一侧则会生成许多额外的漩涡并引起很 大的机械能损失，这种现象称为边界层分离。
湍流流动时：
湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向 传递因速度的脉动而大大强化；
过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；
层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向 传递只能依赖分子运动。
——层流内层为传递过程的主要阻力
Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。
1.13 流体流动边界层
1.边界层的形成与发展 当一个流速均匀的流体与一个固体壁面相接触时，由于壁
第四节 管内流体流动现象
本节内容提要 简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构,
为流动阻力的计算奠定理论基础.以滞流和湍 流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论，
本节重点
（1） 两种流型的判据及本质区别；Re的意义
及特点。 （2） 流动边界层概念
1-11 流体的流动型态
一、两种流型——层流和湍流 雷诺实验
*哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程
速度分布方程
又
1 um 2 umax
um ax
p
4l
R2
Rd 2
p
32lu
d2
——哈根-泊谡叶 （Hagen-Poiseuille）方程
2.湍流时的速度分布
由于湍流运动的复杂性，其管内的速度分布式目前尚不
能从理论上导出，只能借助于实验数据用经验公式近似地
4l
υ p1 p2 R2 r 2 4l
r=０时， υmax
υ max
p1 p2
4l
R2
υ
υmax 1
r2 R2
-----抛物线
υmax
平均流速u Vs A
图 1-20 管内层流时的速度分布
1
R2
υR
0
2rdr
1
R2
0
2υmax 1
r R
2
rdr
u
1υ
2 max
上式均为管内稳定层流时的速度分布表达式
例 有一内径为25mm的水管，如管中流速为1.0m/s ，水温为20℃。求：（1）管道中水的流动类型； （2 ）管道内水保持层流状态的最大流速。
解 ：(1)20℃水μ=1cP，ρ=998.2kg/m3
Re
du
0.0251 998.2 1
2.5 104 4000
1000
(2)保持层流需
Re dumax
因等径管内稳定流 动时为等速运动
合力＝0 即
r
2
p1
r 2
p2
2rl
dυ
dr
0
面1-1上 面2-2上 的总压力 的总压力
侧面上的黏性阻力F
1
P1
1
2
F
υ
r
R
l
2
图 1-19 圆形等径管内的层流流动
dυ p2 p1 r dr 2l
P2 积分
υ p2 p1 r 2 c 4l
r = R时υ=0
c p1 p2 R2
三、Re的物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关
系，标志着流体流动的湍动程度。
四、层流和湍流的比较
内部质点运动方式不同。层流流体质点作直线运动， 即流体分层运动；湍流流体在总体上沿管道向前运动， 同时还在各个方向作随机的脉动
从输送流体的角度考虑：湍流增加了能量消耗，输 送流体时不宜采用太高的流速；但从传质和传热的角 度考虑，湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减 小，有利于加大传质和传热的传递速率，所以在传质 和传热过程中，往往在输送条件的允许下尽可能提高 流体的流速。