流体流动形态的观察与测定

流体流动形态的观察与测定（雷诺实验）

一、实验目的：

1、实际观察流体在管内作层流、湍流流动时的流动形态，并观察层流和湍流时的速度分布形式。

2、确立雷诺准数与层流和湍流的联系，并测出临界雷诺准数的大小。

3、初步掌握流动形态对化工过程的影响。

4、了解溢流装置的结构和作用，熟悉转子流量计的流量校正方法。 二、实验原理的说明：

1、液体作滞流流动时，其质点作直线运动，且互相平行；湍流时质点紊乱地向各个方向作不规则运动，但流体的主体向一定的方向流动。

2、利用少量的带色指示液加入透明的玻璃管中，即通过指示液的流动形态来确定管道中流体的流动形态。

3、雷诺准数是确定流体流动类型的准数。若流体在圆形管子内流动，则雷诺准数用下式表示。

μρμ

ρ

⋅⋅⋅=

⋅⋅=

s d

V d u S Re

式中：d －管子内径[m]；

s －管子的横截面积[m 2]； u －管内流速[m/s]； ρ－流体密度[kg/m 3]； μ－流体粘度[Pas]；

Vs －流体的流量[m 3/s]

对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数（Re)仅与流速有关。改变流量，即可改变流速，也可改变流动的形态。当流体的流动形态由层流转变为过渡流或湍流时，其雷诺准数即为临界雷诺准数；而其流速即是临界流速。当管内流速高于临界值时，即有可能转变为湍流。

三、设备及流程说明

实验装置如图所示，图中大槽为水槽，试验时水即由此进入玻璃管(玻璃管系观察流体流动的形态和层流时导管中流速分布之用)。槽内之水由自来水管供给，水量由阀A 调节，槽内设有进水稳流袭置及溢流箱。用以维持平稳而又恒定的液面，多余之水由溢流管排入水沟。 试验时打开阀C ，水即由高位槽进入玻璃管，经转子流量计后，排向排水管，可用C 阀调节水量，流量由转子流量计测出。

高位墨水瓶供贮存墨水之用，墨水由此经阀B 流入玻璃管，阀B 即墨水量的调节阀。 四、实验步骤

1、检查水箱5中是否有水，高位墨水瓶中是否有沉淀；转子流量计中转子是否在下部，针孔有无堵塞。在测试时，必须保证有溢流现象．

2、观摩层流、湍流流动形态和层流、湍流时的速度分布。

1）打开阀门C ，并打开墨水液阀门B ，此时从针头中即可流出红色的指示液。当指示液呈一条直线向下流出时，即表明流动状态是层流。逐渐开大阀门C ，当流量增大到一定值时，原来表现出直线状的指示液，会变成不稳定的曲线状或散乱现象。此时流动状态即为湍流。 2）关闭阀门B 和阀门C ，然后将阀门B 突然打开一段时间，使玻璃管上端充满红色的指示液，然后关闭阀门B ，而打开阀门C ，则指示液向下流动，同时其前部呈抛物线状，或者较平的曲线状。抛物线即为层流时的速度分布，较平的曲线状，即为湍流时的速度分布。观察完毕后，关上阀门B 和阀门C 。

3、测定临界雷诺准数

图2—1雷诺实验装置流程图

1、墨水瓶；

2、进水稳流装置；

3、溢流箱；

4、溢流管；

5、高位水槽；

6、排水管；

7、转子流量计；

8、观察玻璃管；

1）测定水箱液面较平静时的临界雷诺准数Re1。使水箱中充满水，然后关闭阀门A。放置一段时间后(即水面无波动时)，开启阀门C和B(注意：B阀门不可开得太大)。开始测试和记录指示液由直线到散乱状的流量值，并要注意记录指示液由直线转变成曲线状时的值。然后关闭阀门B和C。

2）测定在水箱中液位不变的情况下的临界雷诺准数Re1。，开启阀门A，使水箱中充满水。并保持溢流。此时，重新打开阀门B和阀门C，重复上面的测试工作和数据记录。

五、操作注意事项：

1、当测定水面平静时的临界雷诺值Re1时，由于水箱不进水，水箱中的液位逐渐下降，流量也会随时间的推移而逐渐减小。因此当需固定某一流量观察流形时，应逐渐开大阀门C，以保证管内流量稳定在某一数值．

2、开自进水阀时，要控制在保持少量溢流即可，不可过大，以免水箱液面剧烈波动而影响测试数据。

3、实验完毕后，将管道中的有色液体排空，并冲洗干净。

六、数据整理

设备编号____________；管子内径__________mm；水温__________ºC

七、思考题

1、影响流动形态的因素有哪些?

2、如果管子是不透明的，不能用直接观察来判断管中流动形态，你认为可以用什么方法来到断管中的流动形态?

3、有人说可以只用流速来判断管中流动形态，流速低于某一具体数值时是层流，否则是湍流，你认为这种看法对否?在什么条件下，可以只由流速的数值来判断流动形态?

4、层流和湍流流动的本质区别是什么?

5、雷诺数的物理意义是什么?

6、实验过程中，哪些因素对实验结果有影响?