雷諾實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單介紹

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)注入有色顏料，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，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)致脈線消失，此時(shí)流體處于湍流狀態(tài)。

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，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。

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，如下圖所示，曲線上EC段和BD段均可用直線關(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)。