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雷诺实验

1.1实验目的

（1）了解管内流体质点的运动方式，了解流体在不同流动形态时的特点。

（2）观察圆直管内流体作层流、过渡流、湍流时的流动形态，测定临界雷诺数。

（3）观察流体流动的速度分布，测定出不同流动型态对应的雷诺数。

1.2实验内容

通过控制水的流量，观察管内红线的流动形态来理解流体质点的流动状态，并分别记录不同流动形态下的流体流量值，计算出相应的雷诺准数。

1.3实验原理

流体在圆管内的流型可分为层流、过渡流、湍流三种状态。流体流动的速度u、流体的粘度μ、流体的密度ρ以及流体流经的管道直径d直接影响着流体的流动形态。这四个因素可以用雷诺数表示为：

雷诺准数：Re=du

式中：d——管径，m；u——流体的流速，m/s；

μ——流体的粘度，Ns/m2；ρ——流体的密度，kg/m3。

当Re≤2000时，流体质点运动非常有规律，为直线运动并且相互平行，此时流体为层流流动。层流流动时，管截面上速度分布呈现抛物线分布。当Re≥4000时，流体质点除了沿水流方向流动外，其他方向也会出现不规则的脉动现象，此时流体为湍流流动。当2000≤Re≤4000时，流体的流动形态处于层流和湍流中间的过渡状态，成为过渡流。

1.4实验装置的基本情况

1.实验设备流程示意图见图-1：

图-1雷诺实验装置流程图

1-下口瓶；2-调节夹；3-进水阀；4-高位槽；5-测试管；6-排气阀；7-温度计；8-溢流口；

9-调节阀；10-转子流量计；11-排水阀

2.实验装置主要技术参数：

实验管道有效长度L＝1000mm；外径Do＝30mm；内径Di＝25mm。

1.5实验操作步骤

1.实验前准备工作

（1）向广口试剂瓶中加入适量用蒸馏水稀释过的红墨水，调节红墨水，使其充满软胶管。

（2）实验前应仔细调整示踪剂注入管的位置，使其位置处于实验管道的中心线上。

（3）关闭水流量调节阀、排气阀，打开进水阀、排水阀，向高位水箱注水，使水充满水箱并产生溢流。保持一定溢流量，以保证水箱内的液位恒定。

（4）排除红墨水注入管中的气泡，轻轻开启水流量调节阀，让水缓慢流过

实验管道，并让红墨水充满细管。

2.雷诺实验演示：

（1）在做好以上准备的基础上，调节进水阀，维持尽可能小的溢流量。

（2）缓慢有控制地打开示踪剂调节夹，红水流束即呈现不同流动状态，红水流束所表现的就是当前水流量下实验管内水的流动状况（图-2表示层流流动状态）。读取流量数值并计算出对应的雷诺准数。

（3）因进水和溢流造成的震动,有时会使实验管道中的红水流束偏离管内中心线或发生不同程度的左右摆动，此时可立即关闭进水阀3，稳定一段时间，即可看到实验管道中出现的与管中心线重合的红色直线。

图-2层流流动示意图

（4）加大进水阀开度，在维持尽可能小的溢流量情况下增大水的流量，根据实际情况适当调整红墨水流量，即可观测实验管内水在各种流量下的流动状况。为部分消除进水和溢流所造成震动的影响，在层流和过渡流状况的每一种流量下均可采用上述介绍的方法,立即关闭进口阀门3,然后观察管内水的流动状况（过渡流、湍流流动如图-3所示）。读取流量数值并计算对应的雷诺准数。

图-3过渡流、湍流流动示意图

3．圆管内流体速度分布演示实验：

（1）关闭上水阀、流量调节阀。

（2）将红墨水流量调节夹打开，使红墨水滴落在不流动的实验管路中。

（3）突然打开流量调节阀，在实验管路中可以清晰看到红水线流动所形成的如图-4所示的速度分布。

图-4流速分布示意图

4.实验结束操作：

（1）首先关闭红水流量调节夹，使红色墨水停止流动。

（2）关闭进水阀，使自来水停止流入水槽。

（3）待实验管道中红色消失时，关闭水流量调节阀。

（4）如果日后较长时间不再使用该套装置，请将设备内各处存水放净。

1.6实验注意事项

演示层流流动时，为了使滞流状况较快形成并保持稳定,请注意以下几点：第一,水槽溢流量尽可能小。因为溢流过大了，上水流量也大，上水和溢流两者造成的震动都比较大，会影响实验结果。第二，尽量不要人为地使实验架产生震动。为减小震动，保证实验效果，可对实验架底面进行固定。

实验数据记录及实验现象记录

记录不同流量下的流体流动的现象，判断流体流动形态。

计算不同流量下的雷诺数。

1.8思考题

（1）若红墨水注入管不设在实验官道中心，能得到实验预期的结果吗？

（2）根据实验现象说明层流和湍流情况时墨水的流动状态。

（3）试想一下，如果流体为理想流体，所看到的现象应该是怎样的？