实验一流体流动型态及临界雷诺数的测定
一、实验目的
研究流体流动的型态,对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺(Reynolds)首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同型态——层流和湍流,以及两种不同型态的转变过程。
本实验的目的,是通过雷诺试验装置,观察流体流动过程的不同流型及其转变过程,测定流型转变时的临界雷诺数。
二、实验原理
经许多研究者实验证明,流体流动存在两种截然不同的型态,主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度,以及设备的几何尺寸(在圆形导管中为导管直径)。将这些因素整理归纳为一个无因次数群,称该无因次数群为雷诺准数(或雷诺数),即
(1)
式中,d为导管直径,m;ρ为流体密度,kg·m-3;μ为流体粘度,Pa·s;u为流体流速,m·s-1。
大量实验测得:当雷诺准数小于某一下临界值时,流体流动型态恒为层流;当雷诺数大于某一上临界值时,流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间,则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管,下临界雷诺数为2000,上临界雷诺数为4000时,即可形成湍流。
应当指出,层流与湍流之间并非是突然的转变,而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域,因此,临界雷诺数测定值和流型的转变,在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。
三、实验装置
雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成,如图1所示。自来水不断注入并充满稳压溢流水槽,稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计,最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水,也直接排入下水道,水流量由调节阀调节。
图1. 雷诺实验装置及流程
1、示踪剂瓶;2、稳压溢流水槽;3、试验导管; 4、转子流量计;V01、示踪剂调节阀;
2、V02、上水调节阀; V03、水流量调节阀;V04、V05、泄水阀;V06、放风阀。
四、实验方法
实验前准备工作:
(1)实验前,先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂(红墨水)加入贮瓶内备用,并排尽贮瓶与针头之间管路内的空气;
(2)实验前,先对转子流量计进行标定,作好流量标定曲线;
(3)用温度计测定水温。
实验操作步骤:
(1)开启自来水阀门,保持稳压溢流水槽有一定的溢流量,以保证试验时有稳定的压头。
(2)用放风阀放去流量计内的空气,再少许开启转子流量计后的调节阀,将流量调至最小值,以便观察稳定的层流流型,再精细地调节示踪剂管路阀,使示踪剂(红墨水)的注水流速与试验导管内主流体的流速相近,一般略低于主流体的流选为宜。精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止,记下水的流量和温度。
(3)缓慢地逐渐增大调节阀的开度,使水通过试验导管的流速平稳地增大。直至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时,记下水的流量和温度,以供计算下临界雷诺数据。
(4)继续缓慢地增加调节阀开度,使水流量平稳地增加。这时,导管内的流体的流型逐步由层流向湍
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