雷諾實(shí)驗(yàn)

雷諾揭示了重要的流體流動(dòng)機(jī)理，即根據(jù)流速的大小，流體有兩種不同的形態(tài)。當(dāng)流體流速較小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)只沿流動(dòng)方向作一維的運(yùn)動(dòng)，與其周?chē)牧黧w間無(wú)宏觀的混合即分層流動(dòng)這種流動(dòng)形態(tài)稱(chēng)為層流或滯流。流體流速增大到某個(gè)值后，流體質(zhì)點(diǎn)除流動(dòng)方向上的流動(dòng)外，還向其它方向作隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，即存在流體質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則脈動(dòng)，這種流體形態(tài)稱(chēng)為湍流。

一．定義

雷諾實(shí)驗(yàn)1883年，雷諾（Reynold）做了一系列經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證前人所做的同類(lèi)實(shí)驗(yàn)，并力求找到流體流動(dòng)由層流狀態(tài)過(guò)渡到湍流狀態(tài)所需的條件。雷諾用滴管在流體內(nèi)注人有色顏料，發(fā)現(xiàn)流速不大時(shí)，管內(nèi)呈現(xiàn)一條條與管壁平行并清晰可見(jiàn)的有色細(xì)絲即脈線(xiàn)，管內(nèi)流體分層流動(dòng)，互不混淆，說(shuō)明管內(nèi)流體處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。若保持管徑不變，增大流速，則脈線(xiàn)變粗，開(kāi)始出現(xiàn)波紋，隨管內(nèi)流速的增加，波紋的數(shù)目和振幅逐漸加大，當(dāng)流速達(dá)到某數(shù)值時(shí)，脈線(xiàn)突然分裂成許多運(yùn)動(dòng)著的小渦旋，繼而很快消失，使整個(gè)管內(nèi)的流體帶上了淡薄的顏料的顏色。這說(shuō)明管內(nèi)流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使各部分顏料顆粒相互劇烈摻混，并混亂而均勻地分散到整個(gè)流體之中，導(dǎo)致脈線(xiàn)消失，此時(shí)流體處于湍流狀態(tài)。

二．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

1、觀察液體流動(dòng)時(shí)的層流和紊流現(xiàn)象。區(qū)分兩種不同流態(tài)的特征，搞清兩種流態(tài)產(chǎn)生的條件。分析圓管流態(tài)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，加深對(duì)雷諾數(shù)的理解。

2、測(cè)定顏色水在管中的不同狀態(tài)下的雷諾數(shù)及沿程水頭損失。繪制沿程水頭損失和斷面平均流速的關(guān)系曲線(xiàn)，驗(yàn)證不同流態(tài)下沿程水頭損失的規(guī)律是不同的。進(jìn)一步掌握層流、紊流兩種流態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與動(dòng)力學(xué)特性。

3、通過(guò)對(duì)顏色水在管中的不同狀態(tài)的分析，加深對(duì)管流不同流態(tài)的了解。學(xué)習(xí)古典流體力學(xué)中應(yīng)用無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的方法，并了解其實(shí)用意義。

三．實(shí)驗(yàn)原理

1、液體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在著兩種根本不同的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)液體流速較小時(shí)，慣性力較小，粘滯力對(duì)質(zhì)點(diǎn)起控制作用，使各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，液流呈層流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液體流速逐漸增大，質(zhì)點(diǎn)慣性力也逐漸增大，粘滯力對(duì)質(zhì)點(diǎn)的控制逐漸減弱，當(dāng)流速達(dá)到一定程度時(shí)，各流層的液體形成渦體并能脫離原流層，液流質(zhì)點(diǎn)即互相混雜，液流呈紊流運(yùn)動(dòng)。這種從層流到紊流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，反應(yīng)了液流內(nèi)部結(jié)構(gòu)從量變到質(zhì)變的一個(gè)變化過(guò)程。

液體運(yùn)動(dòng)的層流和紊流兩種型態(tài)，首先由英國(guó)物理學(xué)家雷諾進(jìn)行了定性與定量的證實(shí)，并根據(jù)研究結(jié)果，提出液流型態(tài)可用下列無(wú)量綱數(shù)來(lái)判斷：

Re=Vd/ν

Re稱(chēng)為雷諾數(shù)。液流型態(tài)開(kāi)始變化時(shí)的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。

在雷諾實(shí)驗(yàn)裝置中，通過(guò)有色液體的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，可以將兩種流態(tài)的根本區(qū)別清晰地反映出來(lái)。在層流中，有色液體與水互不混摻，呈直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在紊流中，有大小不等的渦體振蕩于各流層之間，有色液體與水混摻。

2、在如圖所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖中，取1-1，1-2兩斷面，由恒定總流的能量方程知：

因?yàn)楣軓讲蛔?/span>V1=V2△h

所以，壓差計(jì)兩測(cè)壓管水面高差△h即為1-1和1-2兩斷面間的沿程水頭損失，用重量法或體積濁測(cè)出流量，并由實(shí)測(cè)的流量值求得斷面平均流速，作為lghf和lgv關(guān)系曲線(xiàn)，如下圖所示，曲線(xiàn)上EC段和BD段均可用直線(xiàn)關(guān)系式表示，由斜截式方程得：

lghf=lgk+m lgv lghf=lgk v m hf=kvm；m為直線(xiàn)的斜率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明EC=1，θ=45°，說(shuō)明沿程水頭損失與流速的一次方成正比例關(guān)系，為層流區(qū)。BD段為紊流區(qū)，沿程水頭損失與流速的1.75~2次方成比例，即m=1.75~2.0，其中AB段即為層流向紊流轉(zhuǎn)變的過(guò)渡區(qū)，BC段為紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變的過(guò)渡區(qū)，C點(diǎn)為紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)流速為下臨界流速，C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為下臨界雷諾數(shù)。A點(diǎn)為層流向紊流轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)流速為上臨界流速，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為上臨界雷諾數(shù)。

四．實(shí)驗(yàn)設(shè)備

能保持恒定水位的水箱，試驗(yàn)管道及能注入有色液體的部分等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要微微開(kāi)啟出水閥，并打開(kāi)有色液體盒連接管上的小閥，色液即可流入圓管中，顯示出層流或紊流狀態(tài)。

供水流量由無(wú)級(jí)調(diào)速器調(diào)控，使恒壓水箱始終保持微溢流的程度，以提高進(jìn)口前水體穩(wěn)定度。本恒壓水箱還設(shè)有多道穩(wěn)水隔板，可使穩(wěn)水時(shí)間縮短到3～5分鐘。有色水經(jīng)水管注入實(shí)驗(yàn)管道，可據(jù)有色水散開(kāi)與否判別流態(tài)。為防止自循環(huán)水污染，有色指示水采用自行消色的有色水。

五．實(shí)驗(yàn)步驟

1、開(kāi)啟電流開(kāi)關(guān)向水箱充水，使水箱保持溢流。

2、微微開(kāi)啟泄水閥及有色液體盒出水閥，使有色液體流入管中。調(diào)節(jié)泄水閥，使管中的有色液體呈一條直線(xiàn)，此時(shí)水流即為層流。此時(shí)用體積法測(cè)定管中過(guò)流量。

3、慢慢加大泄水閥開(kāi)度，觀察有色液體的變化，在某一開(kāi)度時(shí)，有色液體由直線(xiàn)變成波狀形。再用體積法測(cè)定管中過(guò)流量。

4、繼續(xù)逐漸開(kāi)大泄水閥開(kāi)度，使有色液體由波狀形變成微小渦體擴(kuò)散到整個(gè)管內(nèi)，此時(shí)管中即為紊流。并用體積法測(cè)定管中過(guò)流量。

5、以相反程序，即泄水閥開(kāi)度從大逐漸關(guān)小，再觀察管中流態(tài)的變化現(xiàn)象。并用體積法測(cè)定管中過(guò)流量。