雷诺实验
一( 实验的目的和要求:
1. 观察层流，湍流的流态及其转换过程;
2. 测定临界雷诺数，掌握圆管流态判别方法;
3. 学习应用量纲分析法进行实验研究的方法，确定非圆管流态判别准数。
二( 实验装置说明与操作方法
供水流量由无极调速器调控，使恒压水箱始终保持微溢流的状态，以提高进口前水体的稳定度。本恒压水箱设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3到5分钟。有色水注入到实验管道，可根据有色水散开与否判别流态。为防止自循环水污染，有色水采用自行消色的专用色水。实验流量可由尾阀调节。
三( 实验原理
1883年，雷诺(Osborne Reynolds)采用类似于本实验的实验装置，观察到液流中存在着层流和湍流两种流态:流速较小时，水流有条不紊的呈现层状有序的直线运动，流层间没有质点掺混，这种流态称为层流;当流速增大时，流体质点做杂乱无章的无序的直线运动，流层间质点掺混，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v。v。与流体的粘性，圆管的直径d有关。若要判别流态，就要确定各种情况下的v。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
vfvd,(,)c
根据量纲分析法有:
,,12 vkd,,cc
其中k是量纲为一的数，写成量纲关系为: c
,12,,,121，，，，LTLTL, ,,，，，，
由量纲和谐原理，得,,11,21,,,。
即
vd,c 或 ,vk,kccc,d
雷诺实验完成了管流的流态从湍流过度到层流是的临界值值的测定，以及是否为常数的kc
vd验证，结果表明值为常数。于是，量纲为一的数 便成了适合于任何管径，任何牛kc,
vd顿流体的流态由湍流转变为层流的判据。由于雷诺的贡献， 定名为雷诺数Re。于是,有
4qvdV ,,,ReKqV,,,d
式中， ----- 流体速度; v
---- 流体的运动粘度;(书中用表示，很近似于流体速度，故用此表示) ,,
---- 圆管直径; d
----- 圆管内过流流量; qV
4 --- 计算常数，, KK,,d
1当流量由大逐渐变小，流态由湍流变为层流，对应一个下临界雷诺数 ，当流量由Rec
110逐渐增大，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数。上雷诺临界数受外界干Rec
1扰，数值不稳定，而下临界雷诺数值比较稳定，因此一般以下临界雷诺数作为判别流Rec
1态的标准。雷诺经反复测试，得出圆管流动的下临界雷诺数值为2300。工程上，一般Rec
11取=2000。当<时，管中流态为层流，反之，为湍流。 ReReRecc
对于非圆管流动，雷诺数可以表示为
vRRe, ,
式中: R-----过流断面的水力学半径，R=A/X
A---- 过流断面面积;
X---- 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成为广义雷诺数。
四( 实验内容与方法
1( 定型观察两种流态
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条直线，这时的流态为层流。进一步开大流量调节阀，流量增大到一定程度，可见管流中颜色水发生掺混，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。
想一想: 应在管道的哪个部位观察流态,为什么,
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条直线时，表明由湍流刚好转为层流，此时管流即为下临界流动状态。用重量法测定流量，记录水温，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，当颜色水开始散开掺混时，表明由层流刚好转为湍流，此时管流即为上临界流动状态。用重量法测定流量，记录水温，即可得出上临界雷诺数。注意:接近上临界流动状态时，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者明渠，任何牛顿流体流动的流态转变临界流速v。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
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，并根据上述圆管实验的结果得出广义下临界雷诺数值。
五( 数值处理及成果要求
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= 水温T= ?
运动粘度:
计算常数K=
2. 实验数据记录及计算结果
雷诺实验记录计算表
实验次颜色水线形阀门开水体积 时间(s) 流量 雷诺数 备注 序 状 度
1
2
3
4
5
6
7
实测下临界雷诺数平均值
成果要求
1. 测定下临界雷诺数(测量2-4次取平均值)。
2. 测定上临界雷诺数(测量2-4次取平均值)。
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. 试结合湍流机理实验的观察，分析由层流过度到湍流的机理。
七(
注意事项
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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，不要推压试验台，以防水体受到扰动。
浙公网安备 33021202002483