[科普中国]-雷诺实验

定义

雷诺实验1883年，雷诺(Reynold)做了一系列经典实验，以验证前人所做的同类实验，并力求找到流体流动由层流状态过渡到湍流状态所需的条件。雷诺用滴管在流体内注人有色颜料，发现流速不大时，管内呈现一条条与管壁平行并清晰可见的有色细丝即脉线，管内流体分层流动，互不混淆，说明管内流体处于层流运动状态。若保持管径不变，增大流速，则脉线变粗，开始出现波纹，随管内流速的增加，波纹的数目和振幅逐渐加大，当流速达到某数值时，脉线突然分裂成许多运动着的小涡旋，继而很快消失，使整个管内的流体带上了淡薄的颜料的颜色。这说明管内流体的不规则运动，使各部分颜料颗粒相互剧烈掺混，并混乱而均匀地分散到整个流体之中，导致脉线消失，此时流体处于湍流状态。1

实验目的1、观察液体流动时的层流和紊流现象。区分两种不同流态的特征，搞清两种流态产生的条件。分析圆管流态转化的规律，加深对雷诺数的理解。

2、测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数及沿程水头损失。绘制沿程水头损失和断面平均流速的关系曲线，验证不同流态下沿程水头损失的规律是不同的。进一步掌握层流、紊流两种流态的运动学特性与动力学特性。

3、通过对颜色水在管中的不同状态的分析，加深对管流不同流态的了解。学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。2

实验原理1、液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层，液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质变的一个变化过程。

液体运动的层流和紊流两种型态，首先由英国物理学家雷诺进行了定性与定量的证实，并根据研究结果，提出液流型态可用下列无量纲数来判断：

Re=Vd/ν

Re称为雷诺数。液流型态开始变化时的雷诺数叫做临界雷诺数。

在雷诺实验装置中，通过有色液体的质点运动，可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流中，有色液体与水互不混掺，呈直线运动状态，在紊流中，有大小不等的涡体振荡于各流层之间，有色液体与水混掺。

2、在如图所示的实验设备图中，取1-1，1-2两断面，由恒定总流的能量方程知：

因为管径不变V1=V2△h

所以，压差计两测压管水面高差△h即为1-1和1-2两断面间的沿程水头损失，用重量法或体积浊测出流量，并由实测的流量值求得断面平均流速，作为lghf和lgv关系曲线，如下图所示，曲线上EC段和BD段均可用直线关系式表示，由斜截式方程得：

lghf=lgk+m lgv lghf=lgk v m hf=kvm；m为直线的斜率

实验结果表明EC=1，θ=45°，说明沿程水头损失与流速的一次方成正比例关系，为层流区。BD段为紊流区，沿程水头损失与流速的1.75~2次方成比例，即m=1.75~2.0，其中AB段即为层流向紊流转变的过渡区，BC段为紊流向层流转变的过渡区，C点为紊流向层流转变的临界点，C点所对应流速为下临界流速，C点所对应的雷诺数为下临界雷诺数。A点为层流向紊流转变的临界点，A点所对应流速为上临界流速，A点所对应的雷诺数为上临界雷诺数。2

实验设备上图是流态实验装置图。它由能保持恒定水位的水箱，试验管道及能注入有色液体的部分等组成。实验时，只要微微开启出水阀，并打开有色液体盒连接管上的小阀，色液即可流入圆管中，显示出层流或紊流状态。 图7-1自循环液体两种流态演示实验装置图

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

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。本恒压水箱还设有多道稳水隔板，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有色水。2

实验步骤1、开启电流开关向水箱充水，使水箱保持溢流。

2、微微开启泄水阀及有色液体盒出水阀，使有色液体流入管中。调节泄水阀，使管中的有色液体呈一条直线，此时水流即为层流。此时用体积法测定管中过流量。

3、慢慢加大泄水阀开度，观察有色液体的变化，在某一开度时，有色液体由直线变成波状形。再用体积法测定管中过流量。

4、继续逐渐开大泄水阀开度，使有色液体由波状形变成微小涡体扩散到整个管内，此时管中即为紊流。并用体积法测定管中过流量。

5、以相反程序，即泄水阀开度从大逐渐关小，再观察管中流态的变化现象。并用体积法测定管中过流量。2