节。流量由智能化数显流量仪测量，使用时须先排气调零，所显示为一级精度瞬时流量值，详见伯努利方程实验。水温由数显温度计测量显示。 三、 实验原理
1883年, 雷诺(Osborne Reynolds)采用类似于图1所示的实验装置，观察到液流中存在着层流和湍流两种流态：流速较小时，水流有条不紊地呈层状有序的直线运动，流层间没有质点混掺，这种流态称为层流；当流速增大时，流体质点作杂乱无章的无序的直线运动，流层间质点混掺，这种流态称为湍流。雷诺实验还发现存在着湍流转变为层流的临界流速vc，vc与流体的粘性?、园管的直径d有关。若要判别流态，就要确定各种情况下的vc值，需要对这些相关因素的不同量值作出排列组合再分别进行实验研究，工作量巨大。雷诺实验的贡献不仅在于发现了两种流态，还在于运用量纲分析的原理，得出了量纲为一的判据——雷诺数Re，使问题得以简化。量纲分析如下：
因 vc?f(?,d)
根据量纲分析法有
vc?kc?1d其中kc是量纲为一的数。 写成量纲关系为
[LT]?[LT]1[L]2 由量纲和谐原理，得?1 = 1 ，?2 = -1 。 即 vc?kc?12?1???2
??d 或 kc?vcd??
雷诺实验完成了管流的流态从湍流过度到层流时的临界值kc值的测定，以及是否为常数的验证，结果表明kc值为常数。于是，量纲为一的数
vd便成了适合于任何管径，任何牛顿
流体的流态由湍流转变为层流的判据。由于雷诺的贡献，
vd?定名为雷诺数Re。于是有
Re?4vd??4qV?KqV π?d式中：v 为流体流速；? 为流体运动粘度；d为圆管直径；qV为圆管内过流流量；K为计算常数，K?π?d当流量由大逐渐变小，流态从湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数Rec，当
。
?。上临界雷流量由零逐渐增大，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数Rec数受外界干扰，数值不稳定，而下临雷诺数Rec值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流态的标准。雷诺经反复测试，得出圆管流动的下临界雷诺数Rec
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值为2300。工程上，一般取Rec=2000。当Re 对于非圆管流动，雷诺数可以表示为 Re?vR? 式中R?A?；R为过流断面的水力半径；A为过流断面面积；?为湿周（过流断面上液体与固体边界接触的长度）。 以水力半径作为特征长度表示的雷诺数也称为广义雷诺数。 四、 实验内容与方法 1．定性观察两种流态。 启动水泵供水，使水箱溢流，经稳定后，微开流量调节阀，打开颜色水管道的阀门，注入颜色水，可以看到圆管中颜色水随水流流动形成一直线状，这时的流态即为层流。进一步开大流量调节阀，流量增大到一定程度时，可见管中颜色水发生混掺，直至消色。表明流体质点已经发生无序的杂乱运动，这时的流态即为湍流。 2．测定下临界雷诺数 先调节管中流态呈湍流状，再逐步关小调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水开始形成一直线时，表明由湍流刚好转为层流，此时管流即为下临界流动状态。测定流量，记录数显温度计所显示的水温值，即可得出下临界雷诺数。注意，接近下临界流动状态时，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可关小、不可开大。 3．测定上临界雷诺数 先调节管中流态呈层流状，再逐步开大调节阀，每调节一次流量后，稳定一段时间并观察其形态，当颜色水开始散开混掺时，表明由层流刚好转为湍流，此时管流即为上临界流动状态。记录智能化数显流量仪的流量值和水温，即可得出上临界雷诺数。注意，流量应微调，调节过程中流量调节阀只可开大、不可关小。 4．分析设计实验 任何截面形状的管流或明渠流、任何牛顿流体流动的流态转变临界流速vc与运动粘度?、水力半径R有关。要求通过量纲分析确定其广义雷诺数。设计测量明渠广义下临界雷诺数的实验方案，并根据上述圆管实验的结果得出广义下临界雷诺数值。 - 25 - 五、数据处理及成果要求 1．记录有关信息及实验常数 实验设备名称： 实验台号：_________ 实 验 者：______________________ 实验日期：_________ 管径d = __ ___×10-2 m， 水温t = ____ __ oC 0.01775?10?422-4 运动粘度??（m/s）= ×10 m/s 21?0.0337t?0.000221t计算常数 K = ×106 s/m3 2．实验数据记录及计算结果 表1 雷诺实验记录计算表 实验次序 1 2 3 4 5 6 7 颜色水线形状 流量 qV (10-6m3/s) 雷诺数 Re 阀门开度增( ? )或 减( ? ) 备注 实测下临界雷诺数（平均值）Rec= 3．成果要求 (1) 测定下临界雷诺数（测量2~4次，取平均值）；见表.1 (2) 测定上临界雷诺数（测量1~2次，分别记录）；见表1 (3) 确定广义雷诺数表达式及其圆管流的广义下临界雷诺数实测数值。 六、 分析思考题 1．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湍流的判据？ 2．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到湍流的机理。 七、 注意事项 1．为使实验过程中始终保持恒压水箱内水流处于微溢流状态，应在调节流量调节阀后，相应调节可控硅调速器，改变水泵的供水流量。 2．实验中不要推、压实验台，以防水体受到扰动。 - 26 - 2-5 动量定律综合型实验 一、 实验目的和要求 1．通过定性分析实验，加深动量与流速、流量、出射角度、动量矩等因素间相关关系的了解； 2．通过定量测量实验，进一步掌握流体动力学的动量守恒定理，验证不可压缩流体恒定总流的动量方程，测定管嘴射流的动量修正因数； 3．了解活塞式动量定律实验仪原理、构造，启发创新思维。 二、 实验装置 1．实验装置简图 实验装置及各部分名称如图1所示。 45678910131211321 图1 动量定律综合型实验装置图 1. 自循环供水器 2. 实验台 3. 水泵电源开关 4. 水位调节阀 5. 恒压水箱 6. 喇叭型进口管嘴 7. 集水箱 8. 带活塞套的测压管 9. 带活塞和翼片的抗冲平板 10. 上回水管 11. 内置式稳压筒 12.传感器 13. 智能化数显流量仪 - 27 - 2．装置结构与工作原理 （1）智能化数显流量仪。 配置最新发明的水头式瞬时智能化数显流量仪，测量精度一级。 使用方法：先调零，将水泵关闭，确保传感器联通大气时，将显示值调零。水泵开启后，流量将随水箱水位淹没管嘴的高度而变，此时流量仪显示的数值即为管嘴出流的瞬时流量值。 （2）测力机构。测力机构由带活塞套并附有标尺的测压管8和带活塞及翼片的抗冲平板9组成。分部件示意图如图2(a)所示。活塞中心设有一细导水管a，进口端位于平板中心，出口端伸出活塞头部，出口方向与轴向垂直。在平板上设有翼片b，活塞套上设有泄水窄槽c。 泄水窄槽c抗冲平板9翼片b细导水管av2fx测压管8ypDqVv1v3活塞活塞套v2x (a) (b) 图2 活塞构造与受力分析 （2）工作原理。为了精确测量动量修正因数?，本实验装置应用了自动控制的反馈原理和动摩擦减阻技术。工作时，活塞置于活塞套内，沿轴向可以自由滑移。在射流冲击力作用下，水流经导水管a向测压管8加水。当射流冲击力大于测压管内水柱对活塞的压力时，活塞内移，窄槽c关小，水流外溢减少，使测压管8水位升高，活塞所受的水压力增大。反之，活塞外移，窄槽开大，水流外溢增多，测压管8水位降低，水压力减小。在恒定射流冲击下，经短时段的自动调整后，活塞处在半进半出、窄槽部分开启的位置上，过a流进测压管的水量和过c外溢的水量相等，测压管中的液位达到稳定。此时，射流对平板的冲击力和测压管中水柱对活塞的压力处于平衡状态，如图2(b)所示。活塞形心处水深hc可由测压管8的标尺测得，由此可求得活塞的水压力，此力即为射流冲击平板的动量力F。 由于在平衡过程中，活塞需要做轴向移动，为此平板上设有翼片b。翼片在水 - 28 -