雷诺实验(2014)

雷诺实验一、实验目的1、观察流体在不同流态（层流和紊流）时流体质点的运动规律；2、观察流体由层流变紊流、紊流变层流时的水力特征；3、测定下临界雷诺数，掌握圆管流态的判别准则；4、学习应用无量纲参数进行实验研究的方法，了解其实用意义。二、实验要求1、观察层流和紊流两种流态；2、测量、记录实验数据，计算下临界雷诺数。三、实验原理流体流动存在两种不同状态：即层流和紊流，其阻力性质也不相同。本实验采用如图1所示的自循环雷诺实验装置。在实验过程中，保持水箱4中的水位恒定，即总水头不变。当出水调节阀9开度较小时，开启有色水管5的阀门，则有色水与自来水同步在管路中沿轴线方向流动，有色水呈一条水平直线，其流体质点没有垂直于主流方向上的横向运动，即有色水流束没有与周围液体掺混，此时流动处于层流状态。当出水调节阀9逐渐开大时，管路中的有色水流束开始振荡，不再与管道轴线平行，此时流动呈过渡状态。当出水调节阀9开度继续增大，则有色水流束开始破裂，呈现不规则的状态，并发生横向掺混，遍及整个管道，即有色水在流动过程中完全扩散，已完全分不清有色水流束了，此时流动呈紊流状态。流体的运动状态可根据有色水散开与否作定性判别，而定量判别可依据雷诺数Re的大小来判定。经典雷诺实验得到的下临界值为2320，工业上可依据雷诺数是否大于2000来判定流动是否处于紊流状态。雷诺数Re定义式可作如下变化，即4VVqddReKqvdv式中K——常数，4Kdv；ρ——液体密度，kg/m3；——液体在管道中的平均流速，m/s；d——管道内径，m；μ——液体的动力黏度，Pas；1v——液体的运动黏度，m2/s；Vq——体积流量，m3/s。四、实验所需仪器、设备、材料（试剂）1．实验装置简图实验装置及各部分名称如图1所示。123456789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调节。流量由智能化数显流量仪测量，智能化数显流量仪系统包括实验管道内配套流量计、稳压筒10、高精密传感器11和智能化数显流量仪12（含数字面板表及A/D转换器）。该流量仪为管道式瞬时流量仪，测量精度一级。1516171011122流量仪的使用方法，需先排气调零，待水箱溢流后，间歇性全开、全关管道出水阀9数次，排除连通管内气泡。再全关阀9，待稳定后将流量仪调零。测流量时，水流稳定后，流量仪所显示的数值即为瞬时流量值。水温由数显温度计测量显示。五、实验预习要求、实验条件、方法与步骤1、复习教材中与雷诺实验及雷诺数定义相关的理论知识。2、按如下步骤进行实验打开水泵供水，使水箱4充水至溢流水位，待稳定后，对智能化数显流量仪排气调零。微启出水调节阀9；打开有色水管5的阀门，将有色水注入实验管内，则有色水流呈现一水平直线，通过有色水质点的运动观察管内水流的层流流态。然后逐步开大出水调节阀9，通过有色水直线的变化观察流动状态从层流转变到紊流的水力特征，待管中出现充分发展的紊流后，再逐步关小出水调节阀9，观察流动状态从紊流转化为层流的水力特征。3、测定下临界雷诺数（1）将出水调节阀9打开，使管内流动呈充分发展的紊流状态，再逐步关小出水调节阀9，使流量减小，当流量调节到使有色水在整个管道中刚刚呈现出一稳定直线时，即流动处于下临界状态；（2）记录智能化数显流量仪显示此时的流量；（3）记录数显温度计显示的水温，依据公式计算水的运动黏度；（4）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值（2000~2320）比较，若偏离过大，分析原因，并重新测定；（5）重新打开出水调节阀9，使流动处于充分发展的紊流状态，按照上述步骤重复测量两次，记录在表1中。注意：a、每调节出水调节阀一次，均需等待几分钟，以使流动处于稳定状态；b、在关小出水调节阀的过程中，只许逐渐关小，不允许反向调节；c、随出水流量的减小，应适当调小无级调速器3，以减小溢流引发的扰动。3六、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：李济东赵创孔祥民实验日期：_________管径d=1.37×10-2m，水温t=21.1oC运动黏度420.017751010.03370.000221tt（m2/s）=0.0098×10-4m2/s计算常数K=94.83×106s/m32．实验数据记录及计算结果表1下临界雷诺数的测定实验次序颜色水线形状流量Vq(10-6m3/s)雷诺数Re阀门开度增()或减()备注1稳定直线22.42124.282稳定直线22.72152.73实测下临界雷诺数（平均值）cRe=2138.51注：颜色水形态指：稳定直线，稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。七、分析思考题1、流态判据为何采用无量纲参数Re，而不采用临界流速？2、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紊流的判据？3、实测下临界雷诺数Redcr与公认值偏离多少？原因何在？4、为什么在测定下临界雷诺数调小流量的过程中，不允许出水调节阀反向调节？