实验四 雷诺实验
一、实验目的和要求?
1. 观察层流、湍流的流态及其转换过程； 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，确定非圆管流的流态判别准数。
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。
4567812 1711 1610 159321图1 雷诺实验装置图
1. 自循环供水器 2. 实验台 3. 可控硅无级调速器 4. 恒压水箱
5. 有色水水管 6. 稳水孔板 7. 溢流板 8. 实验管道 9. 实验流量调节阀 10. 稳压筒 11.传感器 12. 智能化数显流量仪
2. 装置说明与操作方法
供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒压水箱设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3~5分钟。有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。实验流量由调节阀9调
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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，量纲为一的数判据。由于雷诺的贡献，
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?vd定名为雷诺数Re。于是有 ?Re?vd??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?4π?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，当流量由零逐渐增大，流态
?。上临界雷数受外界干扰，数值不稳定，而下临雷诺数Rec值从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数Rec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值为2300。工程上，一般取Rec=2000。当Re 15 - 对于非圆管流动，雷诺数可以表示为 Re?式中R?A接触的长度）。 vR? ?；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 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。 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?4运动粘度??（m2/s）= ×10-4 m2/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 16 - 表1 雷诺实验记录计算表 流量 实验次序 1 2 3 4 5 6 7 颜色水线形状 阀门开度雷诺数 Re 增( ? )或 减( ? ) 备注 qV (10m/s) -63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。 17 - 实验五 管道沿程阻力系数测定 一、 实验目的和要求 1．学会测定管道沿程水头损失因数?和管壁粗糙度?的方法； 2．分析园管恒定流动的水头损失规律、?随雷诺数Re变化的规律，验证沿程水头损失hf与平均流速v的关系。 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。 K4567①③891011②161514①②④1213321图1 沿程水头损头实验装置图 1. 自循环高压恒定全自动供水器 2. 实验台 3. 回水管 4. 压差计 5. 滑动测量尺 6. 稳压筒1 7. 实验管道 8. 压差数显仪 9. 压差传感器 10. 测压点 11. 实验流量调节阀 12. 供水管及供水阀 13. 旁通管及旁通阀 14. 稳压筒 15.流量传感器 16. 智能流量数显仪 2．装置说明 (1)水泵与稳压器。自循环高压恒定全自动供水器1由水泵、压力自动限制开关、气—水压力罐式稳压器等组成。压力超高时能自动停机，过低时能自动开机。为避免因水泵直接向实验管道供水而造成的压力波动等影响，水泵的供水是先进入稳压器的压力罐，经稳压后再送向实验管道。 (2) 旁通管与旁通阀。由于供水泵设有压力自动限制开关，在供小流量时因压力过高，水泵可能出现断续关闭的现象，为此设有旁通管与旁通阀13，在小流量实验时，通过旁通管分流可使水泵持续稳定运行。 18