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§6雷诺实验 6.1 实验目的要求 实验装置 1装置简图 图6.1 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 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调节。 6.3 实验原理 1883, 雷诺(Osborne Reynolds)采用类似于图4.2.1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，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 根据量纲分析法有 其中kc是量纲为一的数。 写成量纲关系为 由量纲和谐原理，得(1 = 1 ，(2 = -1 。 即 或 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，定名为雷诺数Re。于是有 式中：v 为流体流速；( 为流体运动粘度；d为圆管直径；为圆管内过流流量；K为计算常数，。 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，流态从层流变为湍流，对应一个上临界雷诺数。上临界雷数受外界干扰，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值为2300。工程上，一般取Rec=2000。当ReRec时，管中液流为层流；反之为湍流。 对于非圆管流动，雷诺数可以表示为 式中；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。 6.4 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。 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。用重量法测定流量，记录水温，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。 6.5 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 = _________m， 水温t = _________