实验四 雷诺实验

实验四 流动状态实验----雷诺实验

一、实验目的

1. 观察层流和紊流的流态及其转换特征;

2. 通过临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则;

3. 学习在流体力学中应用无量纲参数进行试验研究的方法，并了解其使用意义。 二、实验原理

1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，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。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有，如图1所示。

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

Re d

υγ

=

式中 υ——流体断面平均流速 , s cm

d ——圆管直径 , cm

γ——流体的运动粘度 , s cm 2

在本实验中，流体是水。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

2

0.0178

10.03370.000221t t

γ=

++ 式中 γ——水在t C ︒时的运动粘度，cm 2；

t ——水的温度，C ︒。

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。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速，从紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。

4、圆管中定常流动的流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。因此，上临界雷诺数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

Re < 2320 时，层流

Re > 2320 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 d ，减小v ，加大v 三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，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。圆管中恒定流动的流态为层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的1.75～2.0次方成正比，如图2所示。

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图1 图2 三种流态曲线

图4 雷诺实验装置图

四、实验步骤

1. 记录本实验的有关常常数（标记于恒压水箱正面）

2. 观察两种流态

打开开关，使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启流量调节阀，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，然后逐步开大流量调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水利特征。

3. 测定下临界雷诺数

（1）将流量调节阀打开，使管道中流体呈完全紊流，再逐步关小流量调节阀使流量减小。当流量调节到使颜色水在全管内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）重新打开流量调节阀，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量记录水温，从而求得水的运动粘度。

注意：

a. 每调节流量调节阀门一次，均需等待稳定几分钟

b. 关小阀门过程中，只允许逐渐减小，不允许开大

c. 随出水量减小，应适当调小调速器开关（右旋），以减小溢流量引发的

扰动。

4. 测定上临界雷诺数。

逐步开启流量调节阀，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。

五、实验数据记录

仪器编号：

有关常数：管径d＝25，量水箱断面积 A ＝

，

水温T＝℃，运动粘性系数：v＝cm2/s 表1 数据记录表格

六、分析思考问题

1、为什么本实验要特别强调实验环境安定的重要性？

2、流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？

3、在工程中为何认为上临界雷诺数没有实际意义，而采用下临界雷诺数作为流态的判别标准？

4、雷诺实验得到的圆管中的下临界雷诺数是2320，而目前工程设计中常采用的是2000，原因何在？

七、注意事项

1. 注意保持实验环境的安定，实验时一定要待水流恒定后，才能量测数据。

2. 两个以上同学参加量测实验，读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。

3. 注意爱护秒表等仪器设备。

4. 实验结束后，将上游阀门关闭。