应用流体力学应用流体力学 (80).pdf

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1、第十章第十章流体力学流体力学实验实验10.8 雷诺实验雷诺实验雷诺实验 18831883年英国的雷诺通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态年英国的雷诺通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态，这就是著这就是著名的雷诺名的雷诺试验试验 流速较小时流速较小时，玻璃管中有一条细线状红色水玻璃管中有一条细线状红色水-层流层流 流速增大到某一数值后流速增大到某一数值后，红色水直线开始颤动红色水直线开始颤动，发生弯曲发生弯曲-过度过度流流 流速继续增大到某一数值后流速继续增大到某一数值后，看不到红色水线看不到红色水线-紊流紊流图图 1 雷诺实验示意图雷诺实验示意图实验目的实验目的 观察层流、紊流的流

2、态及其转换特征；观察层流、紊流的流态及其转换特征；测定临界雷诺数测定临界雷诺数Rec，掌握圆管流态判别，掌握圆管流态判别准则；准则；学习应用学习应用无量纲参数进行实验研究的方无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义法，并了解其实用意义。实验装置实验装置图图2 实验实验装置流程图装置流程图1.水箱及潜水泵 2.上水管 3.溢流管 4.电源 5.整流栅 6.溢流板 7.墨盒8.墨针 9.实验管 10.调节阀 11.接水箱 12.量杯 13.回水管 14.实验桌实验原理实验原理 实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流、紊流紊流（图图1 1）它们的区

3、别在它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生掺混现象于：流动过程中流体层之间是否发生掺混现象，在紊流流动中存在随机变化的在紊流流动中存在随机变化的脉动量脉动量，而在层流流动中则没有而在层流流动中则没有。层流状态开始颤动紊流状态图1图图3 流动会呈现出两种不同的型态流动会呈现出两种不同的型态实验原理实验原理 圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数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雷诺根据大量实验资料，将影响流将影响流体流动状态的因素归纳成一个无因次数体流动状态的因素归纳成一个无因次数，称为雷诺数称为雷诺数ReRe，作为判别流体流动状作为判别流体流动状态的准则：态的准则：

4、DQ4Re=式中式中D是圆管直径，是圆管直径，cm；Q是断面平均流量，是断面平均流量，cm3/s；v是断面平均流速，是断面平均流速，cm/s;是流体的运动粘度，是流体的运动粘度，cm2/s。vDRe=也也可写成可写成实验原理实验原理 在本实验中在本实验中，流体是水流体是水。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出的经验公式计算：式中式中 是水在是水在tt时的运动粘度，时的运动粘度，cmcm2 2/s/s；t t是水的温度，是水的温度，。实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰

5、动因素扰动因素与与粘性稳定作用粘性稳定作用之之间对比和抗衡的结果间对比和抗衡的结果。综合起来看综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动而大雷诺数流动稳定差稳定差，容易发生紊流现象容易发生紊流现象。2000221.0t00337.0101775.0t+=实验原理实验原理 层流层流的沿程水头损失与流速的一次方的沿程水头损失与流速的一次方成正比成正比;当当流速增大到超过某一程度（如流速增大到超过某一程度（如B点时），层流即开始点时），层流即开始向紊流向紊流过渡过渡;流速流速再继续增大到超过再继续增大到超过C点，水头损失增加得点，水头损失增加得更快，试更快，试验点验点分布在

6、斜率从分布在斜率从1.75-2.0的线段的线段CD上。上。增增大大流流速速时时Dlg hfC减减小小流流速速时时 流速从大到小，水流从紊流转变为层流，试验点不再与流速从大到小，水流从紊流转变为层流，试验点不再与BC线重合，而是落在曲线线重合，而是落在曲线CA上。上。层流转变为紊流时的层流转变为紊流时的B点，称为点，称为上临界点上临界点，相应的流速，相应的流速，称称上临界上临界流速流速 紊流紊流转变为层流时的转变为层流时的A点，称为点，称为下临界点下临界点，相应的流速，相应的流速，称为称为下临界流速下临界流速图图4 沿程损失与平均流速关系曲线沿程损失与平均流速关系曲线实验原理实验原理 雷诺对多种

7、管径的管道和不同的液体进行试验雷诺对多种管径的管道和不同的液体进行试验，发现发现临界流速随着管临界流速随着管径径D和和运运动粘滞动粘滞系数系数而而变化变化，因此用临界流速作为流态的判别标淮甚为不便因此用临界流速作为流态的判别标淮甚为不便。但是但是不不论论D和和怎样怎样变化变化，而而vcD/值值却比较却比较稳定稳定。vD/是是一个无因次数一个无因次数，称为临界雷称为临界雷诺数诺数，用用Rec表示表示，即即 由于临界流速有两个由于临界流速有两个，故临界雷诺数也有两故临界雷诺数也有两个个,即即 液流流态的判别液流流态的判别Dvc=ecR上上临界雷诺数临界雷诺数下下临界雷诺数临界雷诺数Dvc=ecRD

8、vc=ceR实验原理实验原理 试验发现试验发现上临界雷诺数上临界雷诺数易受外界干扰易受外界干扰，跨越一个较大的取值跨越一个较大的取值范围范围，数值数值不稳定不稳定。有有的的得到得到=12000，有的有的得到得到=20000。如如在试验前将水静止几天后再做试验在试验前将水静止几天后再做试验，值值可达到可达到40000 50000。而而下临界雷诺数却是个比较稳定的下临界雷诺数却是个比较稳定的数值数值。试验试验得到管流的下临界雷诺数得到管流的下临界雷诺数为为=2320ceRceRecRceR实验原理实验原理 当管中当管中ReRec=2320时时，管中液流为紊流管中液流为紊流 该值是圆形光滑管或近于光

9、滑管的该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值数值 圆管圆管定常流动的下临界雷诺数取为定常流动的下临界雷诺数取为Recr=2300。因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。如如管径管径为为D，管中流速为管中流速为v，液体的运动粘滞系数液体的运动粘滞系数为为，则相应的雷诺数为则相应的雷诺数为vDRe=实验步骤实验步骤（1）对照对照装置图和说明装置图和说明，搞清各组成部件的名称搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；检查作用及其工作原理；检查蓄水箱水位是否够高蓄水箱水位是否够高。否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验否则予以补水并关闭阀门；记录有关实验常数常数。图

10、图5 实验实验装置流程图装置流程图1.水箱及潜水泵 2.上水管 3.溢流管 4.电源 5.整流栅 6.溢流板 7.墨盒8.墨针 9.实验管 10.调节阀 11.接水箱 12.量杯 13.回水管 14.实验桌实验步骤实验步骤（2）观察两种流态观察两种流态。水箱充水至溢流水位水箱充水至溢流水位，经稳定后经稳定后，微微开启调节阀微微开启调节阀，并由墨盒向实验管内注入并由墨盒向实验管内注入颜色水颜色水，使颜色水流成一直线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通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态态，然后逐步开大调节阀然后逐步开大调节阀，由由颜色水线的变化颜色水线的变化来观察层

11、流转变到紊流的水力现来观察层流转变到紊流的水力现象象，待管中出现完全紊流后待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水观察由紊流转变为层流的水力现象力现象。实验步骤实验步骤（3）测定测定下临界雷诺数下临界雷诺数。将调节阀打开将调节阀打开，使管中呈完全紊流使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小再逐步关小调节阀使流量减小，当流量调当流量调节到使节到使颜色颜色水在水在全管刚好呈现出一稳定直线全管刚好呈现出一稳定直线时时，即为即为下临界状态下临界状态。待管中出现临界状态时待管中出现临界状态时，用体积法测定流量用体积法测定流量。根据所测流量计算下临界雷诺数根据所

12、测流量计算下临界雷诺数，并与公认值并与公认值（2320）比较比较，偏离过大偏离过大，需重需重测测。实验步骤实验步骤重新打开调节阀重新打开调节阀，使其形成完全紊流使其形成完全紊流。按上述步骤重复测量不少于三次按上述步骤重复测量不少于三次。注意注意 a、每调节阀门一次每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；均需等待稳定几分钟；b、关小阀门过程中关小阀门过程中，只许关小只许关小，不许开关不许开关。（4）测定上临界雷诺数测定上临界雷诺数。逐渐开启调节阀逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流使管中水流由层流过渡到紊流，颜色水线刚开始散开颜色水线刚开始散开时时，即即为为上临界状态上临界状态，测定计算上临界

13、雷诺数测定计算上临界雷诺数1-2次次。实验数据及整理实验数据及整理 1、有关常数有关常数实验管实验管径径 D=mm水温水温=2、记录及记录及计算计算表表1记录及计算记录及计算实验次数颜色水线形态水体积V(m)时间T(s)流量Q(cm/s)流速v(cm/s)雷诺数Re阀门开度增（）或减（）实测下临界雷诺数（平均值）=注注 颜色水线形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。颜色水线形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。分析与思考分析与思考（1）液体流动状态及其转变说明了什么本质问题液体流动状态及其转变说明了什么本质问题？两种流态的基本区别是两种流态的基本区别是什么什么？（2）液体的流态与哪些因素有关液体的流态与哪些因素有关？对实验结果进行分析讨论对实验结果进行分析讨论。（3）流态判据为何采用无量纲参数流态判据为何采用无量纲参数。而不采用临界流速而不采用临界流速？（4）为何认为上临界雷诺数无实际意义为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少实测下临界雷诺数为多少？（5）分析实验误差的原因分析实验误差的原因。谢谢观看谢谢观看