雷诺实验实验报告

    姓名：史亮

    班级：9131011403

    学号：913101140327

第4章 雷诺实验

4.1 实验目的

1)   观察层流、紊流的流态及流体由层流变紊流、紊流变层流时的水利特征。

2)   测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则。

3)   学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，了解其实用意义。

4.2 实验装置

雷诺实验装置见图4.1。

图4.1 雷诺实验装置图

说明：本实验装置由供水水箱及恒压水箱、实验管道、有色水及水管、实验台、流量调节阀等组成，有色水经有色水管注入实验管道中心，随管道中流动的水一起流动，观察有色水线形态判别流态。专用有色水可自行消色。

4.3 实验原理

流体流动存在层流和紊流两种不同的流态，二者的阻力性质不相同。当流量调节阀旋到一定位置后，实验管道内的水流以流速流动，观察有色水形态，如果有色水形态是稳定直线，则圆管内流态是层流，如果有色水完全散开，则圆管内流态是紊流。而定量判别流体的流态可依据雷诺数的大小来判定。经典雷诺实验得到的下临界值为2320，工程实际中可依据雷诺数是否小于2000来判定流动是否处于层流状态。圆管流动雷诺数：

            （4.1）

式中：──流体密度，kg/cm³；

      ──流体在管道中的平均流速，cm/s；

──管道内径，cm；

──动力粘度，Pa?s；

──运动粘度，，cm²/s；

     ──流量，cm³/s；

──常数，，s/cm³。

4.4 实验方法与步骤

1)        记录及计算有关常数。

管径 = 1.37 cm,   水温 =  14.8 ℃

水的运动粘度  == 0.01147 cm²/s

常数 = 81.03 s/cm³

2)        观察两种流态。

滚动有色水塑料管上止水夹滚轮，使有色水流出，同时，打开水箱开关，使水箱充满水至溢流，待实验管道充满水后，反复开启流量调节阀，使管道内气泡排净后开始观察两种流态。关小流量调节阀，直到有色水成一直线 （接近直线时应微调后等待几分钟），此时，管内水流的流态是层流，之后逐渐开大调节阀，通过有色水线形态的变化观察层流转变到紊流的水力特征，当有色水完全散开时，管内水流的流态是紊流。再逐渐关小流量调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。

3)        测定下临界雷诺数。

I、   将调节阀打开，使管中水流呈紊流（有色水完全散开），之后关小调节阀，使流量减小。当有色水线摆动或略弯曲时应微调流量调节阀，且微调后应等待稳定几分钟，观察有色线是否为直线，当流量调节到使有色水在全管中刚好呈现出一条稳定的直线时，即为下临界状态；停止调节流量，用体积法或重量法测定此时的流量，测记水温，并计算下临界雷诺数。将数据填入表4.1中。

II、 测完一组数据后重复上述步骤测定另外2组数据。测定下一组数据前一定要确保开始状态为紊流流态，且调节流量时只能逐步关小而不能回调。测定临界雷诺数必须在刚好呈现出一条稳定直线时测定。为了观察到临界状态，调节流量时幅度要小，每调节阀门一次，均须等待稳定时间几分钟。

4)        测定上临界雷诺数。

当流态是层流时，逐渐开启阀门，使管中水流由层流过度到紊流，当有色水线刚好完全散开时即为上临界状态。停止调节流量，用体积法或重量法测定此时的流量，测记水温，并计算上临界雷诺数。测定上临界雷诺数1-2次。

★操作要领与注意事项：①、测定下临界雷诺数时，务必先增大流量，确保流态处于紊流状态。之后逐渐减小阀门开度，当有色线摆动时，应停止调节阀门开度，等待1分钟后，观察有色线形态，之后继续微调再等待1分钟，直到有色线刚好为直线时，才是紊流变到层流的下临界状态。注意等待时间要足够，微调幅度要小，否则，测不到临界值。②、只能单一方向调节阀门，不能回调，错过临界点必须重做。③、实验时，不要触碰实验台，以免流动受到外界扰动影响。

 

4.5 实验成果与分析

记录及计算数据至下表中：

表4.1 雷诺数测定数据表

4.6 实验分析与讨论

1)        流态判据为何不采用临界流速而选用无量纲参数雷诺数？

答：流速只能代表惯性力。雷诺数是惯性力与粘性力之比。判断一个流态是层流还是湍流要看它的雷诺数是否超过临界雷诺数。只看速度是不够的，比如两个相同速度的流动，一个在光滑的管内进行，一个在粗糙的管内进行，则光滑管中的可能保持为层流，而粗糙管中的可能已是湍流。可见速度并不能说明问题的实质。雷诺实验完成了值的测定，以及是否为常数的验证。结果得到 K=2320。于是，无量纲数便成了适合于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。因此，选用无量纲参数雷诺数而不采用临界流速。

2)        为何采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据而不采用上临界雷诺数？实测下临界雷诺数（平均值）为多少？与下临界雷诺数公认值（2320）进行比较，并分析原因。

答：（1）根据实验测定，上临界雷诺数实测值在3000 ～ 5000范围内，与操作快慢，水箱的紊动度，外界干扰等密切相关。有关学者做了大量实验，有的得12000，有的得20000。有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的 故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。只有下临界雷诺数才可以作为判别流态的标准，凡水流数小于下临雷诺数者为层流 ；

（2）实测下临界雷诺数为1547.5

       比下临界雷诺数公认值（2320）偏小。

       由下临界雷诺数公式  

由于

=

K只由管径与水温决定，且管径水温已知，所以K对雷诺数的影响忽略。

       所以Q偏小。由于肉眼观察误差较大，当有色水在全管中呈现出一条稳定的直线后仍在关小调节阀，导致测的的流量偏小所致。

       另一方面，在用量筒测量水量时，可能有部分水残余在漏斗里导致最后流量偏少。

此外，桌子的抖动使得管中直线看似不稳，所以会继续调小调节阀导致测的流量偏小。

3)        仔细观察实验转涙过程，分析由层流过渡到紊流的机理。

答：从紊动机理实验的观察可知，异重流（分层流）在剪切流动情况下，分界面由于扰动引发细微波动，并随剪切流速的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以至于间断面破裂而形成一个个小旋涡。使流体质点产生横向紊动。正如在大风时，海面上波浪滔天，水气混掺的情况一样，这是高速的空气和静止的海水这两种流体的界面上，因剪切流动而引起的界面失稳的波动现象。由于园管层流的流速按抛物线分布，过流断面上的流速梯度较大，而且因壁面上的流速恒为零。相同管径下，如果平均流速越大，则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于是就容易产生紊动。紊动机理实验所见的波动→破裂→旋涡→质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变为紊流的过程显示。

4)        了解下表中层流和紊流在运动学和动力学特性方面的差异，并分析为何可以依据有色水线形态（有色水形态有：稳定直线，稳定略弯、旋转、断续、直线抖动，完全散开）判别层流和紊流？

表4.2 层流和紊流在运动学和动力学特性方面的差异

     答：层流时因为流层间无质量传输无动量交换，所以液体分子有规律的分层运动不同层间的分子互不干扰，所以有色液体与水互不混惨，呈直线运动状态。

紊流时流层间有质量传输且存在动量交换，所以质点会互相混掺作无规则运动，有色质点与水分子相混，所以会随流速的增大逐渐出现稳定略弯、旋转、断续、直线抖动，完全散开等现象。

第二篇：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

式中  ——流体断面平均流速 ,    

——圆管直径 ,    

——流体的运动粘度 ,   

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

式中　——水在时的运动粘度，；

　——水的温度，。

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。

7、通过对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较，可以看出层流流速分布呈旋转抛物面，而紊流流速分布则比较均匀，壁面流速梯度和切应力都比层流时大，如图3所示。

  

图1  三种流态示意       图2   三种流态曲线        图3  圆管断面流速分布

三、实验装置

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。